מהן ההשפעות של הרתיחה והקפאה על פעילות האנזים?

אנזימים הם קריטיים לכל החיים מכיוון שהם מזרזים תגובות כימיות שאחרת היו מתרחשות לאט מדי כדי לתמוך בחיים. חשוב לציין, הקצב שבו אנזימים מסוגלים לזרז את תגובות היעד שלהם ואת יכולתם של אנזימים לשמור על מבנהם תלויים מאוד בטמפרטורה. כתוצאה מכך, להקפאה ולהרתחה יכולות להיות השפעות משמעותיות על פעילות האנזים.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

רתיחה מפרקת אנזימים כך שהם כבר לא מתפקדים. מתחת להקפאה, התגבשות מונעת מתפקוד של אנזימים.

על מנת להבין כיצד הקפאה משפיעה על פעילות האנזים, ראשית יש להבין את השפעת הטמפרטורה על המולקולות המהוות מצעים לזרז אנזים. בתוך התאים מולקולות המצע הן בתנועה אקראית מתמדת, המכונה תנועה בראונית, כתוצאה מהתנגשויות בין מולקולות המצע לבין מולקולות מים בודדות. ככל שהטמפרטורה עולה, המהירות של תנועה מולקולרית אקראית זו עולה גם מכיוון שלמולקולות יש יותר אנרגיה רטטית בטמפרטורות גבוהות יותר. התנועה המהירה יותר מגדילה את תדירות ההתנגשויות האקראיות בין מולקולות ואנזימים, וזה חשוב לפעילות האנזים מכיוון שאנזימים תלויים במולקולות המצע שלהם שמתנגשות בהם לפני שתגובה יכולה מתרחש.

בטמפרטורות קרות מאוד, ההשפעה ההפוכה שולטת - מולקולות נעות לאט יותר, מפחיתות את תדירות ההתנגשויות באנזים-מצע ולכן מקטינות את פעילות האנזים. בנקודת הקפאה, התנועה המולקולרית פוחתת בצורה דרסטית ככל שמתרחשת היווצרות מוצקה ומולקולות ננעלות בתצורות גבישיות קשיחות. בתוך גבישים מוצקים אלה, למולקולות יש הרבה פחות חופש תנועה בהשוואה לאותן מולקולות בסידור נוזלי. כתוצאה מכך, התנגשויות של מצעי אנזים הן נדירות ביותר ברגע שהקפאה מתרחשת ופעילות האנזים היא כמעט אפס מתחת לקפוא.

למרות שעליית הטמפרטורה מביאה לשיעורים גבוהים יותר של פעילות האנזים, קיימת מגבלת טמפרטורה עליונה בה אנזימים יכולים להמשיך ולתפקד. על מנת להבין מדוע זה המקרה, יש לבחון את מבנה האנזימים ותפקודם. אנזימים הם חלבונים, המורכבים מחומצות אמינו בודדות המוחזקות יחד במבנה תלת מימדי על ידי קשרים כימיים בין חומצות אמינו. מבנה תלת מימדי זה קריטי לפעילות האנזים, מכיוון שאנזימים בנויים כך שהם "מתאימים" פיזית סביב מצעיהם.

בטמפרטורות סביב הרתיחה, הקשרים הכימיים המחזיקים את מבנה האנזימים מתחילים להתפרק. האובדן הנובע מכך של מבנה תלת מימדי גורם לכך שאנזימים כבר אינם מתאימים למולקולות המצע היעד שלהם, ואנזימים לחלוטין מפסיקים לתפקד. אובדן המבנה הזה, המכונה דנטורציה, הוא בלתי הפיך - ברגע שאנזימים מחוממים עד כדי כך קשרים כימיים המחזיקים אותם יחד מתפרקים, הם לא ייווצרו שוב באופן ספונטני אם הטמפרטורות לְהַקְטִין. זאת בשונה מהקפאה, שאינה משפיעה על מבנה האנזים - אם הטמפרטורות יעלו לאחר ההקפאה, פעילות האנזים תוחזר.