4.2.1 Kollisionsteori
Kemiske reaktioner opstår, når kemiske bindinger dannes eller brydes. For at reaktioner kan finde sted, skal atomer, ioner eller molekyler kollidere. Kollisionsteorien forklarer hvordan kemiske reaktioner forekommer og hvordan visse faktorer påvirker raterne for disse reaktioner. Grundlaget for kollisionsteorien er, at alle atomer, ioner og molekyler er i konstant bevægelse og kolliderer med hinanden. Energien der overføres af partiklerne i kollisionen kan forstyrre deres elektronstrukturer nok til at bryde de kemiske bindinger, eller danne nye bindinger.
Flere faktorer afgør, om en kollision vil forårsage en kemisk reaktion: hastigheden af de kolliderende partikler, deres energi og deres specifikke kemiske konfigurationer. Op til et vist punkt gælder, at jo højere hastighed partiklerne har, desto mere sandsynligt er det, at deres kollision vil forårsage en kemisk reaktion. Det gælder også, at enhver kemisk reaktion kræver et specifikt niveau af energi for at en reaktion kan forløbe. Selvom de kolliderende partikler i en kollision har minimumsenergien for at en reaktion kan forløbe, vil en reaktion ikke finde sted, med mindre partiklerne er orienteret korrekt i forhold til hinanden.
Lad os antage, at molekyler af AB (reaktanten), skal omdannes til molekyler af stofferne A og B (produkterne). I en given population af molekyler af stoffet AB ved en specifik temperatur, har nogle molekyler relativt lidt energi; størstedelen af populationen af stoffet, besidder en gennemsnitlig mængde energi; en lille del af populationen af stoffet besidder høj energi. Hvis kun molekylerne af AB med et højt energiniveau er i stand til at reagere og omdannes til molekylerne A og B, vil kun en relativt lille mængde molekyler besidde nok energi til at reagere i en kollision. Kollisionens nødvendige energi til en kemisk reaktion, kaldes dens aktiveringsenergi, der er den mængde energi der kræves for at forstyrre den stabile elektronkonfiguration af ethvert specifikt molekyle, således at elektronerne kan omarrangeres.
Reaktionshastigheden – hyppigheden af kollisoner der indeholder tilstrækkelig med energi til at fremkalde en reaktion – afhænger af antallet af reaktantmolekyler ved eller over aktiveringsenergi-niveauet. En måde at øge reaktionshastigheden for et stof, er ved at hæve temperaturen. Ved at få molekylerne til at bevæge sig hurtigere, øger varme både hyppigheden af kollisioner og antallet af molekyler, der når aktiveringsenerginiveauet. Antallet af kollisioner øges også når trykket øges eller når reaktanterne er mere koncentreret (fordi afstanden mellem molekylerne derved bliver reduceret). I levende systemer, kan enzymer øge reaktionshastigheden uden at hæve temperaturen.
4.2.2 Enzymer og kemiske reaktioner
Stoffer, der kan øge reaktionshastigheden for kemiske reaktioner, uden selv at blive permanent ændret, kaldes katalysatorer. I levende celler, tjener enzymer som biologiske katalysatorer. Som katalysatorer, virker hvert enzym på et specifikt stof, kaldet enzymets substrat (eller substrater, når der er to eller flere reaktanter) og hvert enzym katalyserer kun en reaktion. For eksempel er saccharose (almindeligt sukker) substratet for enzymet sucrase, som katalyserer hydrolysen af saccharose til glucose og fructose.

Som katalysator, accelererer enzymer typisk kemiske reaktioner, ved at sænke deres aktiveringsenergi, se figur 4.2.2.1. Enzymet øger derfor reaktionshastigheden, ved at øge antallet af AB molekyler, der har tilstrækkelig med energi til at nå aktiveringsenerginiveauet. Den generelle rækkefølge af begivenheder i enzymaktivitet kan ses på næste side. Se også figur 4.2.2.2a.

- Substratets overflade får kontakt med en specifik region af enzymmolekylet, kaldet aktiv stedet.
- Et midlertidigt mellemprodukt dannes, kaldet et enzym-substrat kompleks. Enzymet orienterer substratet til en position, der øger sandsynligheden for reaktion, der gør at kollisionerne er mere effektive.
- Substratmolekylet bliver ændret som følge af reorganisering af eksisterende atomer, nedbrydningen af substratmolekylet, eller i kombination med andre substratmolekyler.
- De ændrede substratmolekyler – produkterne fra reaktionen – frigives fra enzymmolekylet, fordi de ikke længere passer i aktiv stedet på enzymet.
- Det uændrede enzym er nu klar til at reagere med andre substratmolekyler.
Et enzyms evne til at accelerere en reaktion, uden at der er behov for en stigning i temperaturen, er af afgørende betydning for levende systemer, fordi en betydelig temperaturstigning ville ødelægge de cellulære proteiner. Den vigtige funktion af enzymer, er derfor at fremskynde biokemiske reaktioner, ved en temperatur, der er forenelig med den normale funktion af cellen.
4.2.3 Enzymspecificitet og -effektivitet
Enzymer har specificitet for bestemte substrater. For eksempel kan et specifikt enzym kun hydrolysere en peptidbinding mellem to specifikke aminosyrer. Andre enzymer kan hydrolysere stivelse, men ikke cellulose; selvom stivelse og cellulose begge er polysaccharider bestående af glucoseunderenheder, er underenhederne orienteret forskelligt i de to polysaccharider. Hver af de tusinder af kendte enzymer har denne specificitet, fordi den tredimensionelle form at de specifikke aminosyrer i aktiv stedet passer til substratet på samme måde som en nøgle passer til sin lås. Se figur 4.2.2.2b. Den unikke konfiguration af hvert enzym, gør det muligt at ”finde” det rigtige substrat blandt de forskellige molekyler i en celle. Men aktiv stedet og substratet er fleksible og de ændrer form når de mødes for at passe sammen mere stramt. Substratet er sædvanligvis meget mindre end enzymet og relativt få aminosyrer udgør aktiv stedet. En bestemt forbindelse, kan være substrat for flere forskellige enzymer, der katalyserer forskellige reaktioner, så skæbnen for en forbindelse, afhænger af det enzym, der virker på det. Mindst fire forskellige enzymer kan virke på glucose-6-phosphat, et vigtigt molekyle i cellens stofskifte og hver reaktion giver forskellige produkter.
Enzymer er yderst effektive. Under optimale betingelser, kan de katalysere reaktioner på rater op til 108 til 1010 gange højere (op til 10 milliarder gange) end sammenlignelige reaktioner uden enzymer. Omsætningstallet (det maksimale antal substratmolekyler et enzymmolekyle kan konvertere til produkter hvert sekund) er generelt mellem 1 og 10.000 og kan være så højt som 500.000. For eksempel har DNA polymerase I, der deltager i syntesen af DNA, omsætningstallet 15, hvorimod enzymet lactatdehydrogenase, der fjerne hydrogenatomer fra mælkesyre, har omsætningstallet 1.000. Mange enzymer findes i cellen i både aktive og inaktive former. Den hastighed, hvormed enzymer kan skifte mellem disse to former, bestemmes af det cellulære miljø.
4.2.4 Navngivning af enzymer
Navnene på enzymer ender som regel på –ase. Alle enzymer kan grupperes i seks klasser, alt efter typen af kemisk reaktion de katalyserer (Se tabel 4.2.4.1). Enzymer inden for hver af de store klasser, er navngives efter de mere specifikke typer af reaktioner de fremmer. For eksempel klassen kaldes oxidoreduktaser der er involveret i reaktioner med oxidation-reduktion. Enzymer i oxidorekduktase klassen, der fjerner hydrogen (H) fra et substrat kaldes dehydrogenaser; dem der tilføjer elektroner til molekylært oxygen (O2) kaldes oxidaser. Som det beskrives senere, har dehydrogenaser og oxidaser endnu mere specifikke navne, som for eksempel laktatdehydrogenase og cytocromoxidase, afhængigt af hvilke specifikke substrater de reagerer med.
4.2.5 Enzymkomponenter
Selvom nogle enzymer helt består af proteiner, består de fleste af både en proteindel, kaldet apoenzym, og en ikke-proteindel, kaldet en cofaktor. Ioner af jern, zink, magnesium eller calcium er eksempler på cofaktorer. Apoenzymer er inaktive for sig selv; de skal aktiveres af cofaktorer. Sammen danner apoenzymet og cofaktoren et holoenzym, eller et helt aktivt enzym, se figur 4.5.2.1. Hvis cofaktoren fjernes, vil enzymet ikke virke.

Cofaktorer kan hjælpe med at katalysere en reaktion, ved dannelsen af en bro mellem et enzym og dets substrat. For eksempel magnesium (Mg2+), der kræves af mange phosphoryleringsenzymer (enzymer der overfører en phosphatgruppe fra ATP til et andet substrat). Mg2+ kan danne en forbindelse mellem enzymet og ATP molekylet. De fleste sporstoffer der kræves af levende celler, bruges sandsynligvis på sådanne måder til at aktivere cellulære enzymer.
Coenzymer, kan bistå enzymet ved at acceptere atomer fjernet fra substratet eller ved at donere atomer der kræves af substratet. Nogle coenzymer fungerer som elektronbærere, ved at fjerne elektroner fra substratet og donere dem til andre molekyler i efterfølgende reaktioner. Mange coenzymer er afledt af vitaminer, se tabel 4.5.2.1. To af de vigtigste coenzymer i cellulær metabolisme er nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) og nikotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP+). Begge forbindelser indeholder derivater af B-vitaminet niacin (nikotinsyre) og begge fungerer som elektronbærere. Mens NAD+ primært er involveret i kataboliske reaktioner (energigivende), er NADP+ primært involveret i anabolske reaktioner (energikrævende). Flavin-coenzymerne, som for eksempel flavinmononukleotid (FMN) og flavinadenindinukleotid (FAD), indeholder derivater af B-vitaminet riboflavin og er også elektronbærere. Et andet vigtigt coenzym, coenzym A (CoA), indeholder et derivat af pantothensyre, et andet B-vitamin. Dette coenzym spiller en vigtig rolle i syntesen og nedbrydningen af fedtstoffer og i en række oxiderende reaktioner, der kaldes Krebs’ cyklus. Vi vil komme nærmere ind på alle disse coenzymer senere i denne del.
4.2.6 Faktorer der påvirker enzymatisk aktivitet
Enzymer er underlagt forskellige cellulære kontroller. De to primære typer er kontrolleb af ensymsyntese og kontrollen af enzymaktiviteten (hvor meget enzym der er til stede versus hvor aktivt det er).
Adskillige faktorer påvirker aktiviteten af et enzym. Blandt de mere vigtige er temperatur, pH, substratkoncentrationen og tilstedeværelsen eller fraværet af inhibitorer.
Temperatur
Hastigheden af de fleste kemiske reaktioner, øges når temperaturen stiger. Molekyler bevæger sig langsommere ved lavere temperaturer end ved højere temperaturer og har så måske ikke nok energi til at forårsage en kemisk reaktion. For enzymatiske reaktioner gælder det, at øgning af temperaturen over et vist niveau (den optimale temperatur) drastisk nedsætter reaktionshastigheden. Se figur 4.2.6.1a. Den optimale temperatur for de fleste sygdomsfremkaldende bakterier i den menneskelige krop er mellem 35 ºC og 40 ºC. Reaktions-hastigheden falder over den optimale temperatur på grund af enzymets denaturering, der er tab af dets tredimensionelle struktur (den tertiære konfiguration), se figur 4.2.6.2. Denaturering af et protein indebærer brud på hydrogenbindinger og andre ikke-kovalente bindinger; et almindeligt eksempel er omdannelsen af ubehandlet æggehvide (et protein kaldet albumin) til en hærdet tilstand ved opvarmning.
Denaturering af et enzym ændrer orienteringen af aminosyrerne i aktiv stedet, hvilket ændrer dets form og forårsager, at enzymet mister sin katalytiske evne. I nogle tilfælde er denaturering helt eller delvist reversibel. Men hvis denatureringen fortsætter, indtil enzymet har mistet sin opløselighed og koagulerer, kan enzymet ikke genvinde sine oprindelige egenskaber. Enzymer kan også denatureres med koncentrerede syrer, baser, tungmetal ioner (som for eksempel bly, arsen eller kviksølv), alkohol og ultraviolet stråling.

pH
Typisk har enzymer en optimal pH, ved hvilken de er mest aktive. Over eller under denne pH-værdi, falder enzymaktiviteten, og dermed reaktionshastigheden, se figur 4.2.6.1b. Når H+ koncentrationen i mediet (pH) ændrer sig drastisk, ændres proteinets tredimensionelle struktur. Ekstreme ændringer i pH kan forårsage denaturering. Syrer (og baser) ændrer et proteins tredimensionelle struktur, fordi H+ (og OH–) konkurrerer med hydrogen- og ionbindingerne i et enzym, hvilket resulterer i enzymets denaturering.

Substratkoncentration
Under forhold med høj substratkoncentration, siges et enzym at være i mætning; det betyder, at dens aktiv sted altid er besat af substrat- eller produktmolekyler og det katalyserer en specifik reaktion med den maksimale hastighed. Denne maksimale hastighed, kan kun opnås når koncentrationen af substrat(er) er ekstrem høj. I denne tilstand, vil yderligere tilsætning af substrat ikke påvirke reaktionshastigheden, fordi alle aktiv steder allerede er i brug, se figur 4.2.6.1c. Under normale cellulære betingelser, er enzymer ikke mættet med substrat(er). På ethvert givet tidspunkt, er mange af enzymmolekylerne inaktive, på grund af manglen på substrat; derfor kan substratkoncentrationen ventes at påvirke reaktionshastigheden.
Inhibitorer
En effektiv måde at bekæmpe væksten af bakterier, er at kontrollere eller hæmme deres enzymer. Visse gifte, som for eksempel cyanid, arsen og kviksølv, kombinerer sig med enzymer og forhindrer bakterierne i at fungere. Som følge heraf stoppes cellernes funktion og de dør.
Enzymhæmmere er klassificeret som en ten kompetative eller ikke-kompetative inhibitorer, se figur 4.2.6.3. Kompetative inhibitorer fylder aktiv stedet på enzymer og konkurrerer således med det normale substrat til enzymet. En kompetativ inhibitor kan gøre dette, fordi dens form og kemiske struktur er den samme som i det normalt substrat, se figur 5.2.6.3b. Men i modsætning til substratet, undergår det ikke en reaktion til dannelsen af produkter. Nogle kompetative inhibitorer bindes irreversibelt til aminosyrerne i aktiv stedet, hvilket forhindrer yderligere interaktioner med substratet. Andre bindes reversibelt og skiftevis optager og forlader aktiv stedet; disse forsinker enzymets interaktion med substratet. Forøgelse af substratkoncentrationen kan overvinde reversibel kompetativ inhibering. Som aktiv steder bliver tilgængelige, vil flere substratmolekyler end kompetative inhibitorer være til rådighed til binding til aktiv stedet i enzymet.

Et godt eksempel på en kompetativ inhibitor er sulfanilamid (et potent antibakterielt lægemiddel), som hæmmer enzymet hvis normale substrat er para-aminobenzoesyre:
Para-aminobenzoesyre er et vigtigt næringsstof der bruges af mange bakterier i syntesen af folinsyre, et vitamin der fungerer som et coenzym. Når sulfanilamid gives til bakterier, vil det enzym der normalt omdanner para-aminobenzoesyre til folinsyre, i stedet binde sig til sulfanilamid. Folinsyre kan herved ikke syntetiseres og bakterierne kan ikke vokse. Fordi humane celler ikke bruger para-aminobenzoesyre til at danne folinsyre, kan sulfanilamid dræbe bakterier, men skader ikke menneskeceller.
Ikke-kompetative inhibitorer konkurrerer ikke med substratet til enzymets aktiv sted; det sted, som de interagerer med, er en anden del af enzymet, se figur 4.2.6.3c. I denne proces, kaldet allosterisk inhibering, binder inhibitoren sig til et sted end substratets bindingssted på enzymet, kaldet de allosteriske sted. Denne binding, får det aktive enzym til at ændre form, hvilket gør det ikke-funktionelt. Som følge heraf reduceres enzymets aktivitet. Denne effekt kan være enten reversibel eller irreversibel, afhængig af om aktiv stedet kan vende tilbage til sin oprindelige form. I nogle tilfælde kan allosteriske interaktioner aktivere et enzym i stedet for at hæmme det. En anden type af ikke-kompetativ inhibering, kan operere på enzymer, der kræver metalioner til deres aktivitet. Visse kemikalier kan binde eller opholde metalionaktivatorerne og dermed forhindre en enzymatisk reaktion. Cyanid kan binde jern i jernholdige enzymer og fluor kan binde calcium eller magnesium. Stoffer som cyanid og fluorid kaldes undertiden enzymgiftstoffer, fordi de permanent inaktiverer enzymer.
4.2.7 Feedback inhibering
Ikke-kompetative eller allosteriske inhibitorer spiller en rolle i en type biokemisk kontrol, kaldet feedback inhibering eller slutproduktinhibering. Denne kontrolmekanisme, stopper cellen i at fremstille mere af et stof, end den har brug for og dermed hindrer spil af kemiske forbindelser. I nogle metaboliske reaktioner, kræves adskillige trind til syntese af en bestemt kemisk forbindelse, der kaldes slutproduktet. Processen svarer til et samlebånd, hvor hvert trin katalyseres af et separat enzym, se figur 4.2.7.1. I mange metaboliske reaktionsveje, kan slutproduktet allosterisk inhibere aktiviteten af enzymerne tidligere i forløbet.
Feedback inhibering virker generelt på det første enzym i en metabolisk reaktionsvej (svarende til at stoppe samlebåndsarbejdet ved at stoppe den første arbejder). Fordi enzymet inhiberes, kan produktet af den første enzymatiske reaktion i reaktionsvejen ikke syntetiseres og herved standes den anden reaktion i reaktionsvejen også. Selv om kun det første enzym i reaktionsvejen stoppes, lukkes hele reaktionsvejen ned og produktionen af nye slutprodukter standses. Ved at inhibere det første trin i reaktionsvejen, hindres metaboliske mellemprodukter også i at ophobe sig i cellen. Som cellen anvender det eksisterende slutprodukt, vil det første enzyms allosteriske sted blive hyppigere ubundet og reaktionsvejen kan genoptage sin aktivitet.
Bakterien E. coli kan anvendes til at påvise feedback inhibering ved syntese af aminosyren isoleucin, som er nødvendig for cellevækst. I dennes metaboliske reaktionsvej, omdannes aminosyren threonin enzymatisk, til isoleucin i frem trin. Hvis der tilsættes isoleucin til vækstmediet for E. coli, hæmmer det, det første enzym i reaktionsvejen og bakterien stoppe syntese af isoleucin. Denne tilstand opretholdes, indtil forsyningen af isoleucin er opbrugt. Denne type feedback inhibering er også involveret i regulering af cellernes produktion af andre aminosyrer, såvel som vitaminer, puriner og pyrimidiner.

4.2.8 Ribozymer
Før 1982, blev det antaget at kun proteinmolekyler havde enzymatisk aktivitet. Så opdagede forskere der arbejdede med mikroorganismer, en unik type RNA, kaldet et ribozym. Ligesom proteinenzymer, fungerer ribozymer som katalysatorer, har aktiv steder der bindes til substrater og som ikke forbruges i en kemisk reaktion. Ribozymer klipper og sammensvejser RNA og er involveret i proteinsyntesen der sker i ribosomer.