Τα ένζυμα είναι κρίσιμα για όλη τη ζωή επειδή καταλύουν χημικές αντιδράσεις που διαφορετικά θα γίνονταν πολύ αργά για να στηρίξουν τη ζωή. Είναι σημαντικό ότι οι ρυθμοί με τους οποίους τα ένζυμα είναι ικανά να καταλύσουν τις στοχευόμενες αντιδράσεις τους και η ικανότητα των ενζύμων να διατηρήσουν τη δομή τους εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, η κατάψυξη και ο βρασμός μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη δραστηριότητα των ενζύμων.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Ο βρασμός διαλύει τα ένζυμα, ώστε να μην λειτουργούν πλέον. Κάτω από την κατάψυξη, η κρυστάλλωση εμποδίζει τη λειτουργία των ενζύμων.
Μοριακή κίνηση και ο ρόλος της θερμοκρασίας
Για να κατανοήσουμε πώς η κατάψυξη επηρεάζει τη δραστηριότητα των ενζύμων, είναι πρώτα απαραίτητο να κατανοήσουμε την επίδραση της θερμοκρασίας στα μόρια που είναι τα υποστρώματα για την ενζυμική κατάλυση. Μέσα στα κύτταρα, τα μόρια υποστρώματος βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση, γνωστά ως κίνηση Brownian, ως αποτέλεσμα συγκρούσεων μεταξύ μορίων υποστρώματος και μεμονωμένων μορίων νερού. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται επίσης η ταχύτητα αυτής της τυχαίας μοριακής κίνησης, καθώς τα μόρια έχουν περισσότερη δόνηση σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η πιο γρήγορη κίνηση αυξάνει τη συχνότητα των τυχαίων συγκρούσεων μεταξύ μορίων και ενζύμων, κάτι που είναι σημαντικό για την ενζυμική δραστηριότητα αφού τα ένζυμα εξαρτώνται από τα μόρια του υποστρώματος που συγκρούονται σε αυτά πριν από την αντίδραση συμβούν.
Επίδραση της κατάψυξης στη δραστηριότητα του ενζύμου
Σε πολύ κρύες θερμοκρασίες, κυριαρχεί το αντίθετο αποτέλεσμα - τα μόρια κινούνται πιο αργά, μειώνοντας τη συχνότητα των συγκρούσεων ενζύμου-υποστρώματος και συνεπώς μειώνοντας τη δραστηριότητα των ενζύμων. Στο σημείο της κατάψυξης, η μοριακή κίνηση μειώνεται δραστικά καθώς συμβαίνει σχηματισμός στερεού και τα μόρια ασφαλίζονται σε άκαμπτους κρυσταλλικούς σχηματισμούς. Μέσα σε αυτούς τους στερεούς κρυστάλλους, τα μόρια έχουν πολύ λιγότερη ελευθερία κίνησης σε σύγκριση με τα ίδια μόρια σε μια διάταξη υγρού. Ως αποτέλεσμα, οι συγκρούσεις ενζύμου-υποστρώματος είναι εξαιρετικά σπάνιες μετά την κατάψυξη και η ενζυμική δραστηριότητα είναι σχεδόν μηδενική κάτω από την κατάψυξη.
Δομή ενζύμου
Αν και η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε υψηλότερα ποσοστά ενζυματικής δραστηριότητας, υπάρχει ένα ανώτερο όριο θερμοκρασίας στο οποίο τα ένζυμα μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν. Για να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει αυτό, πρέπει να ληφθεί υπόψη η δομή και η λειτουργία των ενζύμων. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες, αποτελούμενες από μεμονωμένα αμινοξέα που συγκρατούνται σε τρισδιάστατη δομή με χημικούς δεσμούς μεταξύ αμινοξέων. Αυτή η τρισδιάστατη δομή είναι κρίσιμη για τη δραστηριότητα των ενζύμων, καθώς τα ένζυμα είναι δομημένα ώστε να σχηματίζουν μια φυσική "εφαρμογή" γύρω από τα υποστρώματά τους.
Βράσιμο και μετουσίωση
Σε θερμοκρασίες γύρω από το βρασμό, οι χημικοί δεσμοί που συγκρατούν τη δομή των ενζύμων αρχίζουν να διαλύονται. Η προκύπτουσα απώλεια της τρισδιάστατης δομής προκαλεί στα ένζυμα να μην ταιριάζουν πλέον με τα μόρια του υποστρώματος-στόχου τους και τα ένζυμα σταματούν εντελώς να λειτουργούν. Αυτή η απώλεια δομής, γνωστή ως μετουσίωση, είναι μη αναστρέψιμη - όταν τα ένζυμα θερμαίνονται τόσο πολύ ώστε το χημικοί δεσμοί που τους συγκρατούν, καταρρέουν, δεν σχηματίζονται ξανά αυτόματα αν οι θερμοκρασίες μείωση. Αυτό σε αντίθεση με την κατάψυξη, η οποία δεν επηρεάζει τη δομή των ενζύμων - εάν οι θερμοκρασίες αυξηθούν μετά την κατάψυξη, η ενζυματική δραστηριότητα θα αποκατασταθεί.