Mit steigender Temperatur erhöht sich auch die Geschwindigkeit von Enzymreaktionen. Ein Temperaturanstieg um zehn Grad Celsius steigert die Aktivität der meisten Enzyme um 50 % bis 100 %. Bereits Schwankungen der Reaktionstemperatur um nur 1 oder 2 Grad können Veränderungen von 10 % bis 20 % in den Ergebnissen verursachen. Dieser Anstieg erfolgt jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt, bis die erhöhte Temperatur die Struktur des Enzyms zerstört. Ist das Enzym einmal denaturiert, kann es nicht mehr repariert werden. Da jedes Enzym in seiner Struktur und in den Bindungen zwischen Aminosäuren und Peptiden unterschiedlich ist, ist die Denaturierungstemperatur für jedes Enzym spezifisch. Da die meisten tierischen Enzyme bei Temperaturen über 40 °C schnell denaturieren, werden die meisten Enzymbestimmungen etwas unterhalb dieser Temperatur durchgeführt.

Abbildung 1. Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

Über einen längeren Zeitraum werden Enzyme selbst bei moderaten Temperaturen deaktiviert. Die Lagerung von Enzymen bei 5 °C oder darunter ist in der Regel am besten geeignet. Niedrigere Temperaturen führen zu langsameren chemischen Reaktionen. Enzyme werden bei Gefriertemperaturen schließlich inaktiv, stellen jedoch den Großteil ihrer Enzymaktivität wieder her, 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. Kollisionen zwischen allen Molekülen nehmen mit steigender Temperatur zu. Dies ist auf die Zunahme der Geschwindigkeit und der kinetischen Energie zurückzuführen, die mit dem Temperaturanstieg einhergeht. Bei höheren Geschwindigkeiten ist die Zeit zwischen den Kollisionen kürzer. Dadurch erreichen mehr Moleküle die Aktivierungsenergie, was die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Da sich die Moleküle ebenfalls schneller bewegen, nehmen auch die Kollisionen zwischen Enzymen und Substraten zu. Je niedriger die kinetische Energie, desto niedriger ist die Temperatur des Systems und umgekehrt: Je höher die kinetische Energie, desto höher ist die Temperatur des Systems.

Wenn die Temperatur des Systems erhöht wird, steigt die innere Energie der Moleküle im System. Die innere Energie der Moleküle kann die Translationsenergie, Schwingungsenergie und Rotationsenergie der Moleküle, die Energie, die in chemischen Bindungen der Moleküle enthalten ist, sowie die Energie, die in nichtbindenden Wechselwirkungen enthalten 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 Struktur der aktiven Proteine bestimmen, gebrochen werden. Dies kann zur thermischen Denaturierung des Proteins führen und das Protein somit inaktivieren. Zu viel Hitze kann also dazu führen, dass die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion abnimmt, weil das Enzym oder Substrat denaturiert und inaktiv wird.

Optimale Temperatur

Jedes Enzym hat einen Temperaturbereich, in dem eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird. Dieses Maximum wird als Temperatur-Optimum des Enzyms bezeichnet. Die optimale Temperatur für die meisten Enzyme liegt bei etwa 37 Grad Celsius (98,6 Grad Fahrenheit). Es gibt auch Enzyme, die bei niedrigeren oder höheren Temperaturen gut funktionieren. Zum Beispiel haben arktische Tiere Enzyme, die an niedrigere optimale Temperaturen angepasst sind; Tiere in Wüstenklimata besitzen Enzyme, die an höhere Temperaturen angepasst sind. Dennoch sind Enzyme Proteine, und wie alle Proteine beginnen sie sich bei Temperaturen über 40 °C (104 Grad Fahrenheit) zu zersetzen. Daher wird der Bereich der Enzymaktivität durch die Temperatur bestimmt, bei der das Enzym aktiviert wird, und die Temperatur, bei der das Protein zu zerfallen beginnt.

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