Ein Enzym ist ein Eiweiß, das chemische Reaktionen im Körper und im Reagenzglas beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Im Labor von Biochemikerinnen und Biochemikern fällt auf, dass viele Enzyme bei ganz normaler Raumtemperatur besonders effizient arbeiten. Bei langen Schichten greifen manche Erwachsene zudem zu Nikotinbeuteln wie Klint snus, während andere lieber Kaffee oder Tee trinken.
Temperatur beeinflusst Molekülbewegung
Bei Raumtemperatur bewegen sich Substrat und Enzym deutlich schneller als in kühler Umgebung. Die Teilchen stoßen häufiger zusammen, und damit steigt die Chance, dass ein wirksamer Zusammenstoß im aktiven Zentrum des Enzyms stattfindet. In der Biochemie wird dieser Zusammenhang häufig mit dem sogenannten Q10 beschrieben. Für viele Enzymreaktionen gilt: Wird die Temperatur von 10 auf 20 oder von 20 auf 30 Grad Celsius erhöht, verdoppelt oder verdreifacht sich die Reaktionsgeschwindigkeit ungefähr. Dieser Effekt lässt sich gerade in enzymkinetischen Messreihen gut nachvollziehen.
Aktivierungsenergie und Arrhenius Gleichung
Damit eine Reaktion ablaufen kann, muss eine bestimmte Aktivierungsenergie überwunden werden. Enzyme senken diese Energiebarriere, doch die verbleibende Barriere reagiert immer noch empfindlich auf Temperaturänderungen. Mathematisch wird das mit der Arrhenius Gleichung beschrieben, in der die Reaktionskonstante k von der Temperatur T und der Aktivierungsenergie Ea abhängt. Für viele Enzyme liegen typische Aktivierungsenergien im Bereich von etwa 40 bis 80 Kilojoule pro Mol. In praktischen Laborprotokollen zeigt sich: Schon eine Differenz von nur zwei Grad zwischen 23 und 25 Grad Celsius kann messbare Änderungen in der Steigung einer Michaelis Menten Kurve erzeugen, wenn sehr genau gearbeitet wird.
Zwischen Kälte und Denaturierung
Raumtemperatur liegt für zahlreiche Enzyme in einem angenehmen Mittelfeld. Ist es zu kalt, bewegen sich die Moleküle träge, und selbst ein gutes Enzym kann die Reaktion kaum beschleunigen. Ist es zu warm, beginnt die dreidimensionale Struktur des Enzyms zu leiden. Oberhalb eines bestimmten Optimums verlieren viele Enzyme ihre definierte Faltung, was die Bindung des Substrats erschwert oder ganz verhindert. Besonders gut sichtbar wird dieser Übergang bei empfindlichen Enzymen wie manchen Polymerasen, die bei etwa 25 Grad Celsius stabil arbeiten, bei längerem Aufenthalt über 40 Grad jedoch zunehmend Aktivität einbüßen. Im Laboralltag von Vereinsmitgliedern zeigt sich daher, wie wichtig einfache Hilfsmittel wie Temperierblöcke oder Wasserbäder sind.
Raumtemperatur als praktischer Kompromiss
In vielen biochemischen Arbeitsräumen und in Ausbildungskursen des Vereins haben sich 20 bis 25 Grad Celsius als pragmatischer Standard etabliert. Zahlreiche kommerzielle Enzymassays geben ihre Referenzwerte explizit für 25 Grad an, damit Ergebnisse zwischen verschiedenen Laboren vergleichbar bleiben. Gleichzeitig ist diese Temperatur für das Bedienpersonal angenehm und erlaubt reproduzierbare Versuche ohne ständige Nachjustierung. Interessant ist, dass einige nahezu diffusionskontrollierte Enzyme, deren Geschwindigkeitskonstanten im Bereich von 10⁸ bis 10⁹ Liter pro Mol und Sekunde liegen, bei Raumtemperatur praktisch an die physikalische Obergrenze der möglichen Reaktionsgeschwindigkeit stoßen. So wird deutlich, warum die scheinbar unspektakuläre Raumtemperatur in der Biochemie eine zentrale Rolle spielt und warum es sich lohnt, bei Experimenten genau hinzuschauen, welche Temperatur tatsächlich herrscht.