Γιατί η θέρμανση παρεμβαίνει στη δραστηριότητα ενός ενζύμου;

Οι επιστήμονες προσπαθούν ακόμη να κατανοήσουν τις περίπλοκες λεπτομέρειες των σύνθετων μορίων πρωτεΐνης που επιτρέπουν βασικές βιολογικές διαδικασίες. Αυτά τα μόρια, γνωστά ως ένζυμα, λειτουργούν ως καταλύτες για πολλές βιολογικές αντιδράσεις. Χωρίς ένζυμα, οι περισσότερες από αυτές τις αντιδράσεις δεν θα εμφανίζονταν αρκετά γρήγορα για να διατηρήσουν τη ζωή. Τα ένζυμα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Η υπερβολική θερμότητα, μαζί με διάφορες άλλες καταστάσεις, μπορεί να επηρεάσει σοβαρά τη δραστηριότητα των ενζύμων.

Οι βιολογικές αντιδράσεις παρέχουν την ενέργεια και τα εξειδικευμένα μόρια που διατηρούν τη ζωή ενός οργανισμού. Όλες οι αντιδράσεις, ωστόσο, δεν μπορούν να συμβούν έως ότου μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας διεγείρει τα μόρια του αντιδρώντος. Αυτή η ενέργεια είναι γνωστή ως ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης. Η διαθέσιμη ενέργεια σε βιολογικά περιβάλλοντα είναι συχνά ανεπαρκής για να διεγείρει επαρκή αριθμό αντιδράσεων, αλλά τα ένζυμα αντισταθμίζουν αυτήν την ανεπάρκεια. Με την αλλαγή του τρόπου με τον οποίο τα μόρια αντιδρώντος αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο, τα ένζυμα μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης και επιτρέπουν την εμφάνιση αντιδράσεων πολύ πιο γρήγορα.

Τα ένζυμα είναι εξειδικευμένα μόρια πρωτεΐνης, που σημαίνει ότι μοιράζονται τη βασική δομή μιας πρωτεΐνης: συγκεκριμένους τύπους αμινοξέων που συνδέονται μεταξύ τους σε μια συγκεκριμένη αλληλουχία. Τα ένζυμα γενικά έχουν σύνθετες τρισδιάστατες δομές που καθορίζουν τα λεπτομερή λειτουργικά χαρακτηριστικά τους. Εάν αλλάξει αυτή η δομή, το ένζυμο καθίσταται λιγότερο αποτελεσματικό στο ρόλο του στη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης. Μία κοινή πηγή διαρθρωτικών αλλαγών είναι η θερμότητα. Οι θερμές θερμοκρασίες τείνουν να ενισχύουν την ενζυματική δραστηριότητα αυξάνοντας την κινητική ενέργεια που σχετίζεται με τυχαίο μοριακό κίνηση, αλλά όταν η θερμοκρασία γίνεται υπερβολική, τα ένζυμα βιώνουν δομική επιδείνωση που αναστέλλει την ενζυματική δραστηριότητα.

Η διακοπή της προσεκτικά σχεδιασμένης δομής ενός ενζύμου είναι γνωστή ως μετουσίωση. Αυτή η διαδικασία είναι συχνά επιθυμητή: μερικές πρωτεΐνες τροφίμων, για παράδειγμα, είναι πιο εύπεπτες μετά την μετουσίωση με το μαγείρεμα. Η υψηλή θερμοκρασία είναι μια κοινή αιτία μετουσίωσης. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η τυχαία μοριακή κίνηση γίνεται πιο ενεργητική. Τελικά, η μοριακή κίνηση γίνεται τόσο ενεργητική που τα μόρια διαταράσσουν τους δεσμούς μεταξύ των πολυάριθμων αμινοξέων που καθορίζουν τη φυσική δομή του ενζύμου. Το ένζυμο δεν καταστρέφεται, αλλά έχουν αλλάξει τα βασικά δομικά χαρακτηριστικά του. Σε πολύπλοκες πρωτεΐνες όπως τα ένζυμα, η μετουσίωση είναι σχεδόν πάντα μη αναστρέψιμη.

Ένα άθικτο αντιδραστήριο μόριο, ή υπόστρωμα, που προσκολλάται σε ένα ένζυμο στην αρχή μιας ενζυματικής αντίδρασης είναι απαραίτητο για τη σωστή λειτουργία του ενζύμου. Η μετουσίωση ενός υποστρώματος προκαλεί δομικές αλλαγές που το καθιστούν δύσκολο ή αδύνατο για να ενταχθεί στην ιδιαίτερα ειδική δομή του ενζύμου. Τα ένζυμα είναι ιδιαίτερα συγκεκριμένα, πράγμα που σημαίνει ότι οι περίπλοκες δομές τους διασφαλίζουν ότι μπορούν να προσκολληθούν μόνο σε έναν τύπο μορίου ή σε μια ομάδα στενά συνδεδεμένων μορίων.