Mit steigender Temperatur nimmt auch die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen zu. Ein Temperaturanstieg um zehn Grad Celsius erhöht die Aktivität der meisten Enzyme um 50 % bis 100 %. Bereits Schwankungen der Reaktionstemperatur von nur 1 bis 2 Grad können Ergebnisänderungen von 10 % bis 20 % verursachen. Diese Zunahme gilt jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt, da erhöhte Temperaturen die Struktur des Enzyms zerstören. Sobald ein Enzym denaturiert ist, kann es nicht wiederhergestellt werden. Da sich Enzyme in ihrer Struktur sowie in den Bindungen zwischen Aminosäuren und Peptiden unterscheiden, ist die Denaturierungstemperatur enzymspezifisch. Da die meisten tierischen Enzyme bei Temperaturen über 40 °C rasch denaturieren, werden die meisten Enzymbestimmungen bei Temperaturen etwas unterhalb dieses Wertes durchgeführt.

Abbildung 1. Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

Über längere Zeiträume 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. Bei Gefriertemperaturen werden Enzyme schließlich inaktiv, stellen jedoch bei erneutem Temperaturanstieg den Großteil ihrer Enzymaktivität wieder her, während einige Enzyme beim Einfrieren ihre Aktivität 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. Mit steigender Temperatur nehmen die Kollisionen zwischen allen Molekülen zu. Dies ist auf die Zunahme von Geschwindigkeit und kinetischer Energie zurückzuführen, die mit einer Temperaturerhöhung einhergeht. Bei höheren Geschwindigkeiten bleibt weniger Zeit zwischen den Kollisionen. Dadurch erreichen mehr Moleküle die Aktivierungsenergie, was die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Da sich die Moleküle zudem schneller bewegen, nehmen auch die Kollisionen zwischen Enzymen und Substraten zu. Somit gilt: Je geringer die kinetische Energie, desto niedriger die Temperatur des Systems; entsprechend gilt, je höher die kinetische Energie, desto höher die Temperatur des Systems.

Bei Erhöhung der Systemtemperatur steigt die innere Energie der Moleküle im System. Die innere Energie kann die Translations-, Schwingungs- und Rotationsenergie der Moleküle umfassen, ebenso die Energie chemischer Bindungen sowie die Energie nichtbindender Wechselwirkungen. Ein Teil dieser Wärme kann in chemische potenzielle Energie umgewandelt werden. Ist der Anstieg dieser chemischen potenziellen Energie groß genug, können einige der schwachen Bindungen, die die dreidimensionale Struktur aktiver Proteine bestimmen, aufgebrochen werden. Dies kann zu einer thermischen Denaturierung des Proteins und damit zur Inaktivierung führen. Zu viel Wärme kann daher die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion verringern, weil Enzym oder Substrat denaturieren und inaktiv werden.

Optimale Temperatur

Jedes Enzym besitzt einen Temperaturbereich, in dem eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird. Dieses Maximum wird als Temperaturoptimum des Enzyms bezeichnet. Das Temperaturoptimum der meisten Enzyme liegt bei etwa 98,6 Grad Fahrenheit (37 Grad Celsius). Es gibt jedoch auch Enzyme, die bei niedrigeren oder höheren Temperaturen gut funktionieren. So verfügen beispielsweise arktische Tiere über Enzyme, die an niedrigere Temperaturoptima angepasst sind; Tiere in Wüstenklimata besitzen Enzyme, die an höhere Temperaturen angepasst sind. Enzyme sind jedoch Proteine, und wie alle Proteine beginnen sie bei Temperaturen über 104 Grad Fahrenheit zu zerfallen. Der Aktivitätsbereich eines Enzyms wird daher durch die Temperatur bestimmt, bei der das Enzym zu aktiv werden beginnt, sowie durch die Temperatur, bei der das Protein zu zerfallen beginnt.

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