In der Biologie ist einer der Faktoren, der ein Lebewesen von einem unbelebten Objekt unterscheidet, die Fähigkeit des Organismus, chemische Reaktionen durchzuführen, die für sein Überleben entscheidend sind. Selbst einzellige Organismen können in ihren Zellwänden Hunderte von chemischen Reaktionen ausführen. Stellen Sie sich die unendlich vielen Reaktionen vor, die ein großer Organismus wie ein Mensch ausführt. Keine dieser Reaktionen ist ohne Enzyme möglich.
Enzyme sind biologische Katalysatoren oder Hilfsstoffe. Enzyme bestehen aus verschiedenen Arten von Proteinen, die die chemische Reaktion vorantreiben, die für eine bestimmte Aktion oder einen bestimmten Nährstoff erforderlich ist. Enzyme können entweder eine Reaktion auslösen oder beschleunigen. Die Chemikalien, die mit Hilfe von Enzymen umgewandelt werden, werden Substrate genannt. In Abwesenheit von Enzymen werden diese Chemikalien als Reaktanten bezeichnet.
Um die Geschwindigkeit und Effizienz von Enzymen zu veranschaulichen, können Substrate mit einer Geschwindigkeit von zehnmal pro Sekunde in brauchbare Produkte umgewandelt werden. Wenn man bedenkt, dass es im menschlichen Körper schätzungsweise 75,000 verschiedene Enzyme gibt, werden diese chemischen Reaktionen mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit durchgeführt. Andererseits kann es in Abwesenheit von Enzymen Hunderte von Jahren dauern, bis die Reaktanten in ein brauchbares Produkt umgewandelt werden, wenn sie dies überhaupt können. Aus diesem Grund sind Enzyme für die Erhaltung des Lebens auf der Erde von entscheidender Bedeutung.
Im Allgemeinen wirken Enzyme auf Substrate auf eine von drei Arten: Substratorientierung, physikalischer Stress und Veränderungen der Substratreaktivität. Eine Substratorientierung tritt auf, wenn ein Enzym bewirkt, dass sich Substratmoleküle aneinander ausrichten und eine Bindung eingehen. Wenn ein Enzym physikalischen Stress auf ein Substrat ausübt, greift es das Substrat und zwingt das Molekül, auseinander zu brechen. Ein Enzym, das Veränderungen der Substratreaktivität verursacht, verändert die Platzierung der Elektronen des Moleküls, was die Fähigkeit des Moleküls beeinflusst, sich mit anderen Molekülen zu verbinden.
Enzyme haben aktive Zentren, wo sie mit bestimmten Substraten in Kontakt kommen. Die katalytischen Eigenschaften von Enzymen sind ein zyklischer Prozess. Sobald ein Substrat mit dem aktiven Zentrum eines Enzyms in Kontakt gekommen ist, wird es vom Enzym zum Endprodukt modifiziert. Sobald der Prozess abgeschlossen ist, setzt das Enzym das Produkt frei und ist bereit, den Prozess mit neuen Substraten zu beginnen. Enzyme werden nie verschwendet und immer recycelt.
Das Fehlen von Enzymen ist für viele Krankheiten verantwortlich. Beim Menschen ist eine tragische Krankheit namens Phenylketonurie (PKU), die bei Säuglingen zu schwerer geistiger Behinderung und sogar zum Tod führt, das Ergebnis des Fehlens eines Enzymtyps. Die Tay-Sachs-Krankheit ist eine ähnlich tragische Folge eines Enzymmangels. Unbehandelt führt es zu Retardierung, Lähmung und oft zum Tod in der frühen Kindheit.
Unsere Fähigkeit, Enzyme durch Hemmung ihrer Funktionsfähigkeit zu verändern, hat zu Hunderten von lebensrettenden Medikamenten geführt. Ein Beispiel ist Penicillin, ein bekanntes Antibiotikum, das Syphilis, Lungenentzündung und andere Krankheiten heilen kann. Penicillin wirkt, indem es sich an die aktiven Zentren der Enzyme der krankheitserregenden Bakterien bindet und letztendlich die Fähigkeit der Bakterien zu überleben und sich zu vermehren zerstört.