Enzimi su presudni za cijeli život jer kataliziraju kemijske reakcije koje bi se inače odvijale presporo da bi podržale život. Važno je da brzine kojima enzimi mogu katalizirati svoje ciljane reakcije i sposobnost enzima da održavaju svoju strukturu jako ovise o temperaturi. Kao rezultat, smrzavanje i ključanje mogu imati značajne učinke na aktivnost enzima.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Vrenjem se enzimi razgrađuju pa više ne funkcioniraju. Ispod smrzavanja, kristalizacija sprječava funkcioniranje enzima.
Molekularno gibanje i uloga temperature
Da bi se shvatilo kako smrzavanje utječe na aktivnost enzima, prvo je potrebno razumjeti učinak temperature na molekule koje su supstrati za enzimsku katalizu. Unutar stanica molekule supstrata su u stalnom slučajnom kretanju, poznatom kao Brownovo gibanje, kao rezultat sudara između molekula supstrata i pojedinih molekula vode. Kako se temperatura povećava, povećava se i brzina ovog slučajnog molekularnog gibanja budući da molekule imaju više vibracijske energije pri višim temperaturama. Brže kretanje povećava učestalost slučajnih sudara između molekula i enzima, što je važno za enzimsku aktivnost jer enzimi ovise o molekulama supstrata koji se sudaraju u njih prije nego što reakcija može nastaju.
Učinak smrzavanja na aktivnost enzima
Na vrlo hladnim temperaturama dominira suprotan učinak - molekule se sporije kreću, smanjujući učestalost sudara enzima i supstrata i time smanjujući aktivnost enzima. Na mjestu smrzavanja molekularno gibanje drastično se smanjuje kako dolazi do stvaranja krute tvari i molekule se zaključavaju u krute kristalne formacije. Unutar ovih čvrstih kristala molekule imaju daleko manje slobode kretanja u usporedbi s istim molekulama u tekućem rasporedu. Kao rezultat, sudari enzima i supstrata izuzetno su rijetki kada se dogodi smrzavanje i aktivnost enzima je gotovo nula ispod smrzavanja.
Struktura enzima
Iako povećanje temperature rezultira većom stopom aktivnosti enzima, postoji gornja temperaturna granica na kojoj enzimi mogu nastaviti funkcionirati. Da bi se razumjelo zašto je to slučaj, mora se razmotriti struktura i funkcija enzima. Enzimi su proteini koji se sastoje od pojedinačnih aminokiselina koji su međusobno povezani u trodimenzionalnu strukturu kemijskim vezama između aminokiselina. Ova trodimenzionalna struktura presudna je za aktivnost enzima, jer su enzimi strukturirani tako da tvore fizičku "prilagodbu" oko svojih supstrata.
Vrenje i denaturacija
Na temperaturama oko vrenja, kemijske veze koje drže zajedno strukturu enzima počinju se raspadati. Rezultirajući gubitak trodimenzionalne strukture uzrokuje da enzimi više ne odgovaraju njihovim ciljnim molekulama supstrata i enzimi u potpunosti prestaju funkcionirati. Ovaj gubitak strukture, poznat kao denaturacija, nepovratan je - kad se enzimi toliko zagriju da se kemijske veze koje ih drže zajedno se raspadaju, neće se spontano ponovno stvoriti ako temperature smanjenje. To je za razliku od smrzavanja, koje ne utječe na strukturu enzima - ako se temperature povećaju nakon zamrzavanja, aktivnost enzima će se obnoviti.