Viele biochemische Reaktionen in lebenden Zellen können in beide Richtungen gehen. Beispielsweise synthetisieren und katabolisieren Zellen von Säugetieren Glucose. Die Häufigkeit des Auftretens dieser Reaktionen muss reguliert werden, um Energieverschwendung während des vergeblichen Zyklus zu verhindern. Dieser Zyklus führt entgegengesetzte Reaktionen mit sehr hohen Geschwindigkeiten ohne einen Nettosubstratfluss in irgendeine Richtung durch. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt die Entropie bei bevorzugten Reaktionen zu. Entropie ist eine Energie, die verschwendet wird und nicht zur Arbeit verwendet werden kann.
Enzyme sind wichtig für jede physikalische und chemische Veränderung in Zellen. Daher trägt die Regulierung der katalytischen Aktivität dazu bei, angeborene Fehler zu verstehen und die Homöostase zu erhalten.
Die Regulierung der Wirkungen von Enzymen kann erreicht werden durch:
- Unterteilung. Verschiedene Enzyme mit unterschiedlichen Aufgaben können in bestimmten Kompartimenten lokalisiert werden. Dies garantiert eine metabolische Effizienz sowie eine Vereinfachung der Regulierung. Beispielsweise haben Chloroplasten photosynthetische Enzyme, Lysosomen hydrolytische Enzyme und Mitochondrien Enzyme für den Energiestoffwechsel, die oxidative Phosphorylierung und den TCA-Zyklus.
- Kovalente Modifikation. Dies ist auch als enzymatische Umwandlung bekannt. Die Mehrzahl der Enzyme wird durch Zugabe eines Phosphats (Phosphorylierung), Entfernung von Phosphat (Dephosphorylierung), Zugabe von AMP (Adenylylierung) oder andere kovalente Modifikationen reguliert. Kovalente Modifikationen verursachen Änderungen in der tertiären Enzymstruktur, die ihre katalytische Aktivität ändern.
- Partielle Proteolyse. Dies bezieht sich auf eine irreversible kovalente Modifikation, bei der Zymogene oder inaktive Proenzyme durch Hydrolyse einer oder mehrerer Peptidbindungen aktiviert werden. Beispielsweise vermeidet die Aktivierung von Proteasen (Proteinverdauungsenzymen) nur im Verdauungsbereich die Proteolyse von Zellbestandteilen. Auf die gleiche Weise werden Blutgerinnungsfaktoren nur an den Stellen eines Schnitts aktiviert, um interne Gerinnsel zu verhindern.
- Kontrolle der Enzymkonzentration. Die Konzentration eines bestimmten Enzyms in einer Zelle hängt von der Geschwindigkeit seines Abbaus und seiner Synthese ab. Die Syntheserate von Enzymen wird durch Induktion sowie Repression des Gens reguliert. Mit wenigen Ausnahmen nehmen die enzymatischen Reaktionsgeschwindigkeiten mit zunehmender Enzymkonzentration zu.
- Die Konzentration des Substrats. Die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion nimmt normalerweise mit zunehmender Substratkonzentration bis zu einem bestimmten Maximum zu.
- Die Konzentration des Endprodukts. Wenn sich die Endprodukte einer Reaktion ansammeln, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ab. In einigen Fällen verbindet sich das Endprodukt mit dem Enzym, wodurch die Geschwindigkeit weiter verringert wird.
- Temperatur. Die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen wird stark von der Temperatur beeinflusst. Im Allgemeinen nimmt die anfängliche Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion mit steigender Temperatur zu, bis ein bestimmtes Optimum erreicht ist. Oberhalb der optimalen Temperatur beginnt die Zerstörung des Enzyms, wodurch die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion verringert wird.
- pH des Mediums. Die Konzentration von Wasserstoffionen im Medium beeinflusst die Aktivität von Enzymen. Die Enzymaktivität ist bei einem bestimmten pH-Wert maximal und nimmt auf beiden Seiten dieses Wertes schnell ab.
- Flüssigkeitszufuhr. Die Wirkung einer erhöhten Hydratation auf die Aktivität von Enzymen des Pflanzengewebes wird hauptsächlich während der Samenkeimung gezeigt. Da während der Keimung Wasser aufgenommen wird, nimmt die Enzymaktivität zu.
- Aktivatoren. Aktivatoren beziehen sich auf spezifische Verbindungen, die die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion beschleunigen. Einige Aktivatoren erhöhen die Aktivität fast aller enzymatischen Reaktionen wie Salze von Erdalkalimetallen wie Chlorionen, Kobalt, Nickel, Mangan und Magnesium.
