В зависимости от условий среды и функциональной активности организма существенно варьирует и интенсивность обмена веществ. Например, при мышечной деятельности максимальной и субмаксимальной мощности расход энергии (а значит, и обмен веществ) может возрастать в 100—150 раз, а при зимней спячке снижаться в 10—15 раз. Соответственно в широком диапазоне активируются и энергопоставляющие процессы: аэробное окисление глюкозы и жирных кислот Может повышаться более чем в 10 раз, а анаэробное использование глюкозы (гликолиз) — в 100 раз. В большой степени может увеличиваться и транспорт источников энергии из депо в органы потребители: содержание глюкозы в крови — в 3.5—4 раза, жирных кислот — в 8 раз. В широких пределах может изменяться и содержание в крови различных регулирующих веществ, прежде всего гормонов: глюкокортикоидов — в 4 раза, альдостерона — в 15, адреналина и норадреналина — почти в 10, глюкагона — в 2, соматотропина — в 10 раз. Эти сдвиги напряженности обмена веществ связаны главным образом с активностью ферментов (скоростью катализируемой ими реакции), которая может повышаться в 5—6 раз и более.

Активность фермента зависит прежде всего от количества субстрата, т. е. вещества, подлежащего химическому превращению в процессе реакции. Всякая ферментативная реакция протекает по уравнению Ц + С = ФС = Ц -f-+ Р, где Ц — фермент, С — субстрат, ФС — фермент-субстратный комплекс, Р — продукт реакции. Началом реакции является образование этого комплекса (ФС) — присоединение субстрата к активному центру фермента. Затем внутри этого комплекса происходит химическое превращение субстрата в продукт реакции (например, расщепление его на два новых вещества), и комплекс распадается с освобождением продукта реакции и фермента, готового к взаимодействию с новой молекулой субстрата. Естественно, чем больше субстрата, тем полнее насыщены им молекулы фермента и тем большим будет эффект реакции. При полном насыщении всех имеющихся молекул фермента скорость реакции максимальна. Но еще большее увеличение концентрации субстрата может препятствовать расщеплению комплекса ряда ферментов с их субстратами и тем снижать скорость ферментативной реакции. Это явление получило название субстратного угнетения (ингибирования) активности ферментов.

Активность ферментов зависит также от температуры и реакции среды. У каждого фермента определенный температурный оптимум, при котором скорость реакции наивысшая. Для большинства ферментов животного организма термический оптимум лежит в области температуры тела: 35—40 °С. Но для ферментов тканей, соприкасающихся с внешней средой (кожа, дыхательные пути, легкие, слизистые оболочки пищеварительного тракта) он более широк, чем для ферментов внутренних органов, и расположен в области более значительного температурного диапазона. Это одно из проявлений приспособления организма к условиям среды. Так, у птиц, температура тела которых выше (40—41°С), чем у млекопитающих (36 —37 °С), более высокие и термические оптимумы ферментов.

При увеличении температуры выше 45—50 0C ферменты становятся неактивными вследствие денатурации их молекул. При глубоком охлаждении (от —20 до —40°С) они тоже теряют активность, но обратимо. Даже после охлаждения до —196 0C ферменты при оптимальной температуре снова проявляют свою активность в полной мере. Значит, высокие температуры вызывают необратимую, а низкие — обратимую денатурацию молекул ферментов.

Оптимум реакции среды для разных ферментов варьирует в весьма широких пределах. Реакция среды зависит от соотношения в ней кислых ионов водорода (H+) и щелочных ионов гидроксила (ОН~). Концентрации этих ионов — величины сопряженные: увеличение концентрации H+ влечет за собой снижение концентрации OH-, и наоборот. Реакция среды измеряется водородным показателем рН от 1 до 14. При нейтральной реакции, когда концентрации H+ и OH- одинаковы, он равен 7, при повышении концентрации H+ — ниже 7 (кислая реакция), а при увеличении концентрации OH- — больше 7 (щелочная реакция). Есть ферменты, оптимум активности которых лежит при кислой реакции. Например, оптимум активности пепсина — фермента желудочного сока, расщепляющего белки, при рН 2. Есть ферменты с нейтральным или щелочным оптимумом. Так, оптимум амилазы — фермента, расщепляющего крахмал, при рН 7, а щелочной фосфатазы печени — при рН 10. Для большинства тканевых ферментов оптимум их рН находится в слабощелочной (рН между 7 и 8) или в нейтральной (рН 7) реакции, но некоторые тканевые ферменты (например, кислые гидролазы лизосом) имеют оптимум при кислой реакции среды.

Биологический смысл нахождения оптимума рН тканевых ферментов не в нейтральной, а в слегка кислой или слегка щелочной среде, в том, что при функциональной активности клетки реакция ее внутренней среды может сдвигаться в ту или другую сторону (чаще в кислую) — и тогда активность ферментов ее против состояния покоя возрастает. На активность ферментов могут влиять и различные активаторы, например ионы металлов: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+ и др., а также Cl-.

Особый интерес представляет аллостерическая активация. Установлено, что ряд ферментов наряду с активным каталитическим центром — участком молекулы, присоединяющим субстрат, имеет еще один центр, способный взаимодействовать с каким-либо другим веществом, отличающимся по своему строению от субстрата, но способствующим такому изменению третичной структуры ферментного белка, какое сопровождается смещением взаиморасположения атомных групп активного центра, приводящим к активации фермента. Такие ферменты получили название аллостерических (от греческих слов Ьллпт — другой, иной и уфЭсепт — пространство), связываемое вещество — аллостерического эффектора, а место связывания — аллостерического центра. В качестве эффекторов могут выступать многие вещества, содержащиеся в клетке или приносимые к ней кровью: АМФ, глюкозо-6-фосфат, различные продукты обмена веществ, гормоны и пр.

Активность ферментов регулируется не только путем ее повышения, но и угнетения (ингибирования) от сравнительно небольшого до полного. Вещества, при посредстве которых это осуществляется, называются ингибиторами. Ингибирование может быть обратимым и необратимым. Естественные ингибиторы (И), содержащиеся в организме, действуют, как правило, обратимо, т. е. способны не только присоединяться к ферменту (Ф); но и снова отщепляться от него: Ц + И ^ ФИ. Как правило, необратимо действующие ингибиторы — различные яды, используемые в опытах с изучением структуры и действия ферментов.

Ингибирование может быть конкурентным. Это происходит в том случае, когда ингибитор по своей структуре близок к субстрату и способен вместо него занять активный центр. Такой ингибитор настолько близок по строению к субстрату, что может плотно блокировать активный центр, однако имеющиеся отличия мешают ему подвергнуться тем же превращениям, что и субстрат. Заняв «чужое» место, он уподобляется «собаке на сене»: и сам не претерпевает изменений, и мешает превращениям субстрата. Примером такого конкурентного ингибитора может служить малоновая кислота (I) — ингибитор