Wissenschaftler versuchen immer noch, die komplizierten Details der komplexen Proteinmoleküle zu verstehen, die wesentliche biologische Prozesse ermöglichen. Diese als Enzyme bezeichneten Moleküle fungieren als Katalysatoren für zahlreiche biologische Reaktionen. Ohne Enzyme würden die meisten dieser Reaktionen nicht schnell genug ablaufen, um das Leben zu erhalten. Enzyme sind so konzipiert, dass sie in einer bestimmten Umgebung funktionieren. Übermäßige Hitze kann zusammen mit verschiedenen anderen Bedingungen die Enzymaktivität ernsthaft beeinträchtigen.
Die Reaktionen des Lebens
Biologische Reaktionen liefern die Energie und spezialisierte Moleküle, die das Leben eines Organismus erhalten. Alle Reaktionen können jedoch erst ablaufen, wenn eine bestimmte Energiemenge die Reaktantenmoleküle stimuliert. Diese Energie wird als Aktivierungsenergie der Reaktion bezeichnet. Die in biologischen Umgebungen verfügbare Energie reicht oft nicht aus, um eine ausreichende Anzahl von Reaktionen zu stimulieren, aber Enzyme gleichen diesen Mangel aus. Durch die Änderung der Art und Weise, in der Reaktantmoleküle miteinander interagieren, senken Enzyme die Aktivierungsenergie und ermöglichen, dass Reaktionen viel schneller ablaufen.
Verändert durch Hitze
Enzyme sind spezialisierte Proteinmoleküle, das heißt, sie teilen die Grundstruktur eines Proteins: bestimmte Arten von Aminosäuren, die in einer bestimmten Reihenfolge miteinander verbunden sind. Enzyme haben im Allgemeinen komplexe dreidimensionale Strukturen, die ihre detaillierten funktionellen Eigenschaften bestimmen. Wenn sich diese Struktur ändert, wird das Enzym in seiner Rolle, die Aktivierungsenergie zu senken, weniger wirksam. Eine häufige Quelle für strukturelle Veränderungen ist Wärme. Warme Temperaturen neigen dazu, die enzymatische Aktivität zu erhöhen, indem die kinetische Energie, die mit zufälligen molekularen Bewegung, aber wenn die Temperatur zu hoch wird, kommt es zu einer strukturellen Verschlechterung der Enzyme, die enzymatische Aktivität.
Moleküle in Bewegung
Die Zerstörung der sorgfältig konstruierten Struktur eines Enzyms wird als Denaturierung bezeichnet. Dieser Vorgang ist oft erwünscht: Einige Nahrungsproteine sind beispielsweise leichter verdaulich, nachdem sie durch Kochen denaturiert wurden. Hohe Temperaturen sind eine häufige Ursache für Denaturierung. Mit steigender Temperatur wird die zufällige Molekülbewegung energischer. Schließlich wird die molekulare Bewegung so energisch, dass die Moleküle die Bindungen zwischen den zahlreichen Aminosäuren zerstören, die die natürliche Struktur des Enzyms bestimmen. Das Enzym wird nicht zerstört, aber seine wesentlichen strukturellen Eigenschaften wurden verändert. Bei komplexen Proteinen wie Enzymen ist die Denaturierung fast immer irreversibel.
Ein Enzym ohne Substrat
Ein intaktes Reaktionsmolekül oder Substrat, das zu Beginn einer enzymatischen Reaktion an ein Enzym bindet, ist für die korrekte Funktion des Enzyms unerlässlich. Die Denaturierung eines Substrats führt zu strukturellen Veränderungen, die es ihm erschweren oder unmöglich machen, sich in die hochspezifische Struktur des Enzyms einzufügen. Enzyme sind hochspezifisch, d. h. ihre komplizierten Strukturen sorgen dafür, dass sie nur an einen Molekültyp oder an eine Gruppe eng verwandter Moleküle binden können.