Was verursacht Enzyme, um chemische Reaktionen zu beschleunigen?

Überblick

Enzyme sind biologische Katalysatoren, dh sie sind Moleküle, die in der Lage sind, chemische Reaktionen zu beschleunigen. Sie sind große, auf Protein basierende Verbindungen, die an die Reaktanten in einer chemischen Reaktion binden und durch einen oder mehrere Mechanismen die Reaktion unterstützen, ohne sich selbst zu verändern. Weil chemische Reaktionen so vielfältig sind, sind die Mechanismen, durch welche Enzyme die chemischen Reaktionen beschleunigen, auch variiert.

Stabilisierung des Übergangsstaates

In jeder chemischen Reaktion müssen die Reaktanten eine vorübergehende und höchst instabile Konformation durch den sogenannten “Übergangszustand” durchlaufen. Während der Übergangszustand technisch der Punkt in der Reaktion ist, während der Bindungen gebrochen werden, während neue Bindungen gebildet werden, ist es einfacher zu sein Bild in einer physikalischen Analogie. Wenn eine Person, die auf einem Ufer eines Flusses steht, auf die andere Bank springen will, wäre der Übergangszustand der Augenblick, in dem die Person in der Luft ist, über den Fluss. Wie bei dieser Analogie gibt es chemische Übergangszustände für winzige Bruchteile der Zeit und sind sehr instabil. Enzyme können helfen, den Übergangszustand einer Reaktion zu stabilisieren, was es den Chemikalien leichter macht, diesen Zustand zu erreichen – und von dort aus, um weiterhin Produkte zu bilden. Dies beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit. In Bezug auf die Fluss-Sprung-Analogie, ein Enzym wirkt wie ein Sprungbrett, so dass es einfacher für die Person springt den Fluss in die Luft zu bekommen, und von dort auf die andere Seite.

Säure-Base-Katalyse

Einige molekulare Komponenten von Enzymen wirken als Säuren und Basen. Das ist sehr wichtig, denn die Reaktanten in einer chemischen Reaktion müssen sich im Raum physisch treffen, um zu reagieren. Ein guter Weg, um dies zu stellen ist, sich vorzustellen, blaue und rote Kugeln, die zufällig um einen Raum herumprallen, wo die blauen Kugeln einen Reaktanten repräsentieren und die roten Kugeln eine Sekunde darstellen. Wenn ein blauer Ball einen roten Ball trifft, werden sie reagieren. Da das Hüpfen zufällig auftritt, sind die Chancen, dass schließlich die richtigen Bälle einander treffen werden. Wenn die Reaktion auch Säure oder Base erfordert, wird die Situation jedoch komplexer. In solch einem Fall muß eine dritte Farbe von Kugelgrün, die zum Beispiel Säure oder Basis darstellt, die rote und blaue Kugel genau zu demselben Zeitpunkt treffen, an dem sie sich treffen, um die Reaktion zu bewirken. Die Quoten davon sind sehr niedrig. Enzyme haben die Fähigkeit, die richtigen Chemikalien zu sammeln – die roten und blauen Kugeln aus dem Beispiel, zum Beispiel – und enthalten auch die Säure oder Base, die notwendig ist, um die Reaktion abzuschließen, wodurch die Notwendigkeit für die grünen Kugeln und die Beschleunigung der Reaktion.

Nähe und Orientierung

Während es bequem ist, sich eine chemische Reaktion als die Kollision von zwei bouncing Bälle vorstellen, in Wirklichkeit ist es komplexer. Nicht nur müssen die Reaktanten ineinander laufen, sie müssen dies mit der richtigen Orientierung tun. Anstatt, Bälle zu kollidieren, ist es ein bisschen genauer, sich vorzustellen, Schlüssel und Schlösser, die um einen Raum herumspringen, wo die Schlüssel ein Reaktant sind und die Schlösser eine Sekunde sind. Für eine Reaktion zu treten, muss nicht nur ein Schlüssel und ein Schloss ineinander stoßen, sie müssen so perfekt im Raum orientiert sein, so dass der Schlüssel in das Schloss steckt. Die Quoten davon sind recht niedrig, und das kann chemische Reaktionen sehr langsam machen. Enzyme helfen bei der Positionierung von Reaktionspartnern, indem sie die Orientierung des Schlüssels und des Schlosses – die beiden Reaktanten – anpassen, so dass sie, wenn sie ineinander laufen, dies mit der entsprechenden Orientierung tun und in der Lage sind zu reagieren.