На скорость взаимодействия фермента с субстратом влияют самые разнообразные факторы. Влияние концентрации молекул субстрата очень важно в той ситуации, которая типична для живой клетки. В любой момент времени число ферментов и их концентрации, имеющиеся в клетке, строго ограничены, поскольку крупные белковые молекулы не могут свободно передвигаться из клетки в клетку. Молекулы субстратов, с другой стороны, обычно достаточно малы для того, чтобы свободно диффундировать сквозь клеточные мембраны из крови и других внеклеточных жидкостей.

В результате этого концентрации субстратов в клетке могут колебаться в широких пределах в зависимости от состояния питания организма в данный момент времени, потребностей в субстратах в условиях физической нагрузки разных органов и тканей и т. д. При малом количестве субстрата в системе вероятность его столкновения с молекулой соответствующего фермента совершенно ничтожна и образование продукта реакции будет происходить очень медленно.

С повышением концентрации субстрата возрастает вероятность столкновения с присутствующими в определенном постоянном количестве молекулами фермента; фактически на этой стадии процесса при удвоении концентрации субстрата скорость образования продукта реакции возрастает вдвое. В клетке при таких условиях процессы, описанные выше при рассмотрении ведущих к соединению фермента и субстрата стадий (1) и (2), будут факторами, лимитирующими скорость реакции. u = C*[S], где С — константа. Однако такая линейная зависимость не может продолжаться бесконечно.

Представим себе, например, человека, который блаженствует, отдыхая после сытного обеда и ощущая во всем теле приятное тепло. Пока он отдыхает душой, компоненты пищи всасываются из кишечника и быстро переносятся кровью к тканям. В клетках тканей приток субстратов вызывает прирост скоростей метаболических реакций, однако степень этого прироста постепенно уменьшается и наконец эти реакции достигают постоянных, или максимальных, скоростей; после этого дальнейшее повышение концентраций субстратов не вызывает дальнейшего увеличения скоростей реакций. Этот феномен объясняется очень просто: число молекул фермента в клетке ограничено и, когда в какой-то момент клетка переполняется субстратом, все активные центры фермента оказываются занятыми.

Короче говоря, никакие факторы, способствующие столкновениям фермента g субстратом, не способны стимулировать их соединение друг с другом, поскольку фермент уже до предела насыщен субстратом. При этом лимитировать скорость реакции в целом будут процессы, соответствующие стадиям (3) и (4), в ходе которых фермент-субстратный комплекс диссоциирует с образованием продуктов реакции. Скорость реакции в этих условиях описывается уравнением
f = Vmax, где Vmax — постоянная максимальная скорость.

Математическое уравнение, описывающее зависимость скорости от концентрации субстрата в присутствии постоянного количества фермента на основе изложенных выше представлений о взаимодействии фермента и субстрата, было выведено Михаэлисом и Ментен в самом начале нынешнего столетия:

U=Vmax/Km+S, где Км — обобщенная константа скорости, называемая константой Михаэлиса. Это уравнение выражает изменение скорости при всех величинах концентрации субстрата и описывает кривую, имеющую форму прямоугольной гиперболы на графике зависимости v от [S]. Можно видеть, что те два линейных участка этой кривой, которые были описаны ранее, легко выводятся из этого уравнения. В первом случае, когда концентрация субстрата очень мала, [S] значительно меньше, чем Км. При этих крайних условиях знаменатель Км+S стремится к /См, поскольку [S] очень мала относительно Км. Уравнение при этом приобретает вид U=Vmax/Km, что эквивалентно соотношению, приведенному ранее: u=Cx[SJ, поскольку Vmaх и Км— постоянные величины.

Во втором случае, когда концентрация субстрата очень велика, [S] значительно больше, чем /См- При данных крайних условиях величина знаменателя Км+S стремится к [S], так как Км относительно [S] — столь малая величина, что ею можно пренебречь. Уравнение приобретает вид u=Vmax/S=Vmax, как было отмечено выше.

- Читать "Константа Михаэлиса. Влияние концентрации фермента на реакцию"