Wenn die Temperatur steigt, steigt auch die Rate enzymatischer Reaktionen. Ein Anstieg der Temperatur um zehn Grad Celsius erhöht die Aktivität der meisten Enzyme um 50 % bis 100 %. Variationen der Reaktionstemperatur von nur 1 oder 2 Grad können Änderungen von 10 % bis 20 % in den Ergebnissen verursachen. Dieser Anstieg erfolgt nur bis zu einem bestimmten Punkt, bis die erhöhte Temperatur die Struktur des Enzyms zerstört. Sobald das Enzym denaturiert ist, kann es nicht mehr repariert werden. Da jedes Enzym in seiner Struktur und den Bindungen zwischen Aminosäuren und Peptiden unterschiedlich ist, ist die Temperatur für die Denaturierung spezifisch für jedes Enzym. Da die meisten tierischen Enzyme bei Temperaturen über 40 °C schnell denaturiert werden, werden die meisten Enzymbestimmungen etwas unterhalb dieser Temperatur durchgeführt.

Abbildung 1. Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsrate.

Im Laufe der Zeit werden Enzyme selbst bei moderaten Temperaturen inaktiviert. Die Lagerung von Enzymen bei 5 °C oder darunter ist im Allgemeinen am geeignetsten. Niedrigere Temperaturen führen zu langsameren chemischen Reaktionen. Enzyme werden schließlich bei Gefriertemperaturen inaktiv, können jedoch einen Großteil ihrer Enzymaktivität wiederherstellen, wenn die Temperaturen wieder steigen, während einige Enzyme ihre Aktivität beim Einfrieren verlieren.

Kinetische Energie und innere Energie

Die Temperatur eines Systems ist bis zu einem gewissen Grad ein Maß für die kinetische Energie der Moleküle im System. Die Kollisionen zwischen allen Molekülen nehmen zu, wenn die Temperatur steigt. Dies liegt an der Zunahme der Geschwindigkeit und kinetischen Energie, die mit Temperaturerhöhungen einhergeht. Bei schnelleren Geschwindigkeiten gibt es weniger Zeit zwischen den Kollisionen. Dies führt dazu, dass mehr Moleküle die Aktivierungsenergie erreichen, was die Reaktionsrate erhöht. Da sich die Moleküle auch schneller bewegen, nehmen auch die Kollisionen zwischen Enzymen und Substraten zu. Je niedriger also die kinetische Energie, desto niedriger die Temperatur des Systems und ebenso, je höher die kinetische Energie, desto höher die Temperatur des Systems.

Wenn die Temperatur des Systems erhöht wird, wird die innere Energie der Moleküle im System zunehmen. Die innere Energie der Moleküle kann die translatorische Energie, die vibrierende Energie und die rotierende Energie der Moleküle, die Energie, die an chemischen Bindungen der Moleküle beteiligt ist, sowie die Energie, die an nicht-bindenden Wechselwirkungen beteiligt ist, umfassen. Ein Teil dieser Wärme kann in chemische potenzielle Energie umgewandelt werden. Wenn dieser Anstieg der chemischen potenziellen Energie groß genug ist, können einige der schwachen Bindungen, die die dreidimensionale Form der aktiven Proteine bestimmen, gebrochen werden. Dies könnte zu einer thermischen Denaturierung des Proteins führen und somit das Protein inaktivieren. Zu viel Wärme kann daher die Rate einer enzymkatalysierten Reaktion verringern, da das Enzym oder Substrat denaturiert und inaktiv wird.

Optimale Temperatur

Jedes Enzym hat einen Temperaturbereich, in dem eine maximale Reaktionsrate erreicht wird. Dieses Maximum wird als Temperaturoptimum des Enzyms bezeichnet. Die optimale Temperatur für die meisten Enzyme liegt bei etwa 98,6 Grad Fahrenheit (37 Grad Celsius). Es gibt auch Enzyme, die bei niedrigeren und höheren Temperaturen gut funktionieren. Zum Beispiel haben arktische Tiere Enzyme, die an niedrigere optimale Temperaturen angepasst sind; Tiere in Wüstenklimata haben Enzyme, die an höhere Temperaturen angepasst sind. Dennoch sind Enzyme immer noch Proteine, und wie alle Proteine beginnen sie, sich bei Temperaturen über 104 Grad Fahrenheit abzubauen. Daher wird der Bereich der Enzymaktivität durch die Temperatur bestimmt, bei der das Enzym zu aktivieren beginnt, und die Temperatur, bei der das Protein zu zerfallen beginnt.

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