Η σύγχρονη επιστήμη ανακάλυψε ότι πολλές βασικές βιολογικές διεργασίες θα ήταν αδύνατες χωρίς ένζυμα. Η ζωή στη Γη εξαρτάται από βιοχημικές αντιδράσεις που μπορούν να συμβούν σε επαρκή ρυθμό μόνο όταν καταλύονται από ένζυμα. Ωστόσο, οι ενζυματικές αντιδράσεις μπορούν να εμφανιστούν πολύ αργά εάν η συγκέντρωση των ενζύμων σε ένα αντιδραστικό σύστημα είναι χαμηλή.
Επιταχυνόμενες αντιδράσεις
Τα ένζυμα βοηθούν τις χημικές αντιδράσεις προκαλώντας αλληλεπίδραση των μορίων με τρόπο που μειώνει την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να ξεκινήσει μια αντίδραση. Αυτή η ενέργεια, γνωστή ως ενέργεια ενεργοποίησης, παρέχεται από το περιβάλλον. Για παράδειγμα, η θερμική ενέργεια περιβάλλοντος που σχετίζεται με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενέργεια ενεργοποίησης. Ο ρυθμός χημικών αντιδράσεων σε βιολογικά περιβάλλοντα συχνά περιορίζεται από περιορισμένες ποσότητες περιβάλλοντος ενέργεια, αλλά τα ένζυμα ξεπερνούν αυτόν τον περιορισμό επειδή επιτρέπουν σε μια μικρότερη ποσότητα ενέργειας να ενεργοποιηθεί περισσότερο αντιδράσεις.
Ένα ένζυμο, μία αντίδραση
Στις περισσότερες περιπτώσεις, η μείωση της συγκέντρωσης των ενζύμων έχει άμεση επίδραση στη δραστικότητα του ενζύμου επειδή κάθε μόριο ενζύμου είναι ικανό να καταλύει μόνο μία αντίδραση κάθε φορά. Το μόριο στο οποίο δεσμεύεται ένα ένζυμο ονομάζεται υπόστρωμα. Γενικά, ένα ένζυμο προσδένεται σε ένα υπόστρωμα προκειμένου να μειωθεί η ενέργεια ενεργοποίησης για μία χημική αντίδραση. Εάν όλα τα ένζυμα ενός συστήματος δεσμεύονται σε υποστρώματα, πρόσθετα μόρια υποστρώματος πρέπει να περιμένουν να γίνει διαθέσιμο ένα ένζυμο μετά την ολοκλήρωση μιας αντίδρασης. Αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός αντιδράσεων θα μειωθεί καθώς η συγκέντρωση των ενζύμων μειώνεται.
Μια σχέση ένας προς έναν
Στα περισσότερα βιολογικά περιβάλλοντα, η συγκέντρωση των ενζύμων είναι χαμηλότερη από τη συγκέντρωση των υποστρωμάτων. Εφόσον αυτό ισχύει, η σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης του ενζύμου και της ενζυμικής δραστηριότητας είναι άμεσα ανάλογη. Σε ένα γράφημα που δείχνει το ρυθμό αντίδρασης έναντι της συγκέντρωσης ενζύμου, αυτή η άμεση αναλογική σχέση μοιάζει με ευθεία γραμμή με κλίση. Με άλλα λόγια, ένα επιπλέον ένζυμο αυξάνει τον ρυθμό κατά μία αντίδραση ανά μονάδα χρόνου, και ένα αφαιρεθέν ένζυμο μειώνει τον ρυθμό κατά μία αντίδραση ανά μονάδα χρόνου.
Ένζυμα χωρίς υποστρώματα
Εξαίρεση στην άμεση αναλογική σχέση είναι ότι η μείωση της συγκέντρωσης των ενζύμων δεν θα γίνει οδηγεί σε μειωμένη ενζυμική δραστηριότητα εάν η συγκέντρωση του υποστρώματος είναι χαμηλότερη από τη συγκέντρωση του ενζύμου. Σε αυτήν την περίπτωση, τα αφαιρεθέντα ένζυμα δεν έχουν καμία επίδραση επειδή το σύστημα εξακολουθεί να έχει επαρκή ένζυμα για σύνδεση με όλα τα διαθέσιμα υποστρώματα. Έτσι, ένα γράφημα της ενζυμικής δραστικότητας έναντι της συγκέντρωσης ενζύμου τελικά θα ισοπεδωθεί σε μια επίπεδη γραμμή καθώς η συγκέντρωση του ενζύμου αυξάνεται σε ένα επίπεδο παρόμοιο με τη συγκέντρωση του υποστρώματος.