Entsyymit ovat kriittisiä koko elämälle, koska ne katalysoivat kemiallisia reaktioita, jotka muuten tapahtuisivat liian hitaasti elämän tukemiseksi. Tärkeää on, että nopeudet, joilla entsyymit pystyvät katalysoimaan kohdereaktioitaan, ja entsyymien kyky ylläpitää rakennettaan riippuvat suuresti lämpötilasta. Tämän seurauksena jäädyttämisellä ja kiehumisella voi olla merkittäviä vaikutuksia entsyymiaktiivisuuteen.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Kiehuminen hajottaa entsyymit, joten ne eivät enää toimi. Jäätymisen alapuolella kiteytyminen estää entsyymien toimintaa.
Molekyyliliike ja lämpötilan merkitys
Sen ymmärtämiseksi, miten jäätyminen vaikuttaa entsyymiaktiivisuuteen, on ensin ymmärrettävä lämpötilan vaikutus molekyyleihin, jotka ovat entsyymikatalyytin substraatteja. Soluissa substraattimolekyylit ovat jatkuvassa satunnaisessa liikkeessä, joka tunnetaan nimellä Brownin liike, substraattimolekyylien ja yksittäisten vesimolekyylien törmäysten seurauksena. Lämpötilan kasvaessa myös tämän satunnaisen molekyyliliikkeen nopeus kasvaa, koska molekyyleillä on enemmän tärinäenergiaa korkeammissa lämpötiloissa. Nopeampi liike lisää satunnaisia törmäyksiä molekyylien ja entsyymien välillä, mikä on tärkeää entsyymiaktiivisuudelle, koska entsyymit riippuvat substraattimolekyyleistä, jotka törmäävät niihin ennen kuin reaktio voi esiintyä.
Pakastamisen vaikutus entsyymiaktiivisuuteen
Hyvin kylmissä lämpötiloissa hallitsee päinvastainen vaikutus - molekyylit liikkuvat hitaammin, mikä vähentää entsyymi-substraatti-törmäystiheyttä ja vähentää siten entsyymiaktiivisuutta. Jäätymispisteessä molekyyliliike vähenee voimakkaasti, kun kiinteä aine muodostuu ja molekyylit lukitaan jäykiksi kiteisiksi muodostumiksi. Näissä kiinteissä kiteissä molekyyleillä on paljon vähemmän liikkumisvapautta verrattuna samoihin molekyyleihin nestejärjestelyssä. Tämän seurauksena entsyymisubstraatin törmäykset ovat erittäin harvinaisia jäätymisen tapahtuessa ja entsyymiaktiivisuus on lähes nolla jäätymisen alapuolella.
Entsyymin rakenne
Vaikka lämpötilan nousu johtaa korkeampiin entsyymiaktiivisuuteen, on ylempi lämpötilaraja, jolla entsyymit voivat jatkaa toimintaansa. Entsyymien rakennetta ja toimintaa on tarkasteltava, miksi näin on. Entsyymit ovat proteiineja, jotka koostuvat yksittäisistä aminohapoista, joita aminohappojen väliset kemialliset sidokset pitävät yhdessä kolmiulotteisessa rakenteessa. Tämä kolmiulotteinen rakenne on kriittinen entsyymiaktiivisuuden kannalta, koska entsyymit on rakennettu muodostamaan fyysinen "sovitus" substraattiensa ympärille.
Kiehuminen ja denaturointi
Kiehumisympäristön lämpötilassa kemialliset sidokset, jotka pitävät yhdessä entsyymien rakennetta, alkavat hajota. Tuloksena oleva kolmiulotteisen rakenteen menetys saa entsyymit enää sopimaan kohdesubstraattimolekyyleihinsä, ja entsyymit lakkaavat toimimasta kokonaan. Tämä rakenteen menetys, joka tunnetaan denaturoitumisena, on peruuttamaton - kun entsyymejä kuumennetaan niin paljon, että kemialliset sidokset, jotka pitävät niitä yhdessä, hajoavat, ne eivät muodosta itsestään uudelleen, jos lämpötilat lasku. Tämä on toisin kuin jäätyminen, joka ei vaikuta entsyymirakenteeseen - jos lämpötilaa nostetaan jäätymisen jälkeen, entsyymiaktiivisuus palautuu.