מדוע חימום מפריע לפעילות של אנזים?

מדענים עדיין שואפים להבין את הפרטים המורכבים של מולקולות החלבון המורכבות המאפשרות תהליכים ביולוגיים חיוניים. מולקולות אלה, המכונות אנזימים, מתפקדות כזרזים לתגובות ביולוגיות רבות. ללא אנזימים, רוב התגובות הללו לא היו מתרחשות די מהר כדי לקיים את החיים. אנזימים נועדו לפעול בסביבה ספציפית. חום מוגזם, יחד עם מצבים שונים אחרים, עלולים לפגוע קשות בפעילות האנזים.

תגובות ביולוגיות מספקות אנרגיה ומולקולות מיוחדות השומרות על חייו של אורגניזם. אולם כל התגובות אינן יכולות להתרחש עד שכמות מסוימת של אנרגיה מעוררת את מולקולות המגיב. אנרגיה זו ידועה כאנרגיית ההפעלה של התגובה. האנרגיה הזמינה בסביבות ביולוגיות לעיתים אינה מספקת כדי לעורר מספר מספק של תגובות, אך אנזימים מפצים על אי-ספיקה זו. על ידי שינוי האופן שבו מולקולות מגיבות מתקשרות זו עם זו, אנזימים מורידים את אנרגיית ההפעלה ומאפשרים לתגובות להתרחש הרבה יותר מהר.

אנזימים הם מולקולות חלבון מיוחדות, מה שאומר שהן חולקות את המבנה הבסיסי של חלבון: סוגים ספציפיים של חומצות אמינו המקושרות ברצף מסוים. לאנזימים באופן כללי מבנים תלת מימדיים מורכבים הקובעים את מאפייניהם התפקודיים המפורטים. אם מבנה זה משתנה, האנזים הופך פחות יעיל בתפקיד הורדת אנרגיית ההפעלה. מקור נפוץ אחד לשינויים מבניים הוא חום. טמפרטורות חמות נוטות להגביר את הפעילות האנזימטית על ידי הגדלת האנרגיה הקינטית הקשורה למולקולרית אקראית תנועה, אך כאשר הטמפרטורה הופכת מוגזמת, אנזימים חווים הידרדרות מבנית המעכבת אנזימטית פעילות.

שיבוש מבנה האנזים המעוצב בקפידה מכונה דנטורציה. לעתים קרובות תהליך זה רצוי: חלק מחלבוני המזון, למשל, קלים יותר לעיכול לאחר שדנורציה שלהם ביצעה. טמפרטורה גבוהה היא גורם שכיח לדנטורציה. ככל שהטמפרטורה עולה, תנועה מולקולרית אקראית הופכת לאנרגטית יותר. בסופו של דבר, תנועה מולקולרית הופכת להיות כל כך אנרגטית שהמולקולות משבשות את הקשרים בין חומצות האמינו הרבות שקובעות את המבנה הטבעי של האנזים. האנזים לא נהרס, אך המאפיינים המבניים המהותיים שלו שונו. בחלבונים מורכבים כמו אנזימים כמעט תמיד בלתי הפיך דנטורציה.

מולקולת מגיב שלמה, או מצע, הנצמדת לאנזים בתחילת תגובה אנזימטית חיונית לתיקון התפקוד של האנזים. דנטורציה של מצע גורמת לשינויים מבניים המקשים או בלתי אפשרים להשתלב במבנה הספציפי ביותר של האנזים. אנזימים הם מאוד ספציפיים, כלומר המבנים המורכבים שלהם מבטיחים שהם יכולים להיקשר רק לסוג אחד של מולקולה או לקבוצה של מולקולות הקשורות זה לזה.