Fermentai yra labai svarbūs visam gyvenimui, nes jie katalizuoja chemines reakcijas, kurios kitu atveju vyktų per lėtai, kad palaikytų gyvybę. Svarbu tai, kad fermentų gebėjimas katalizuoti tikslines reakcijas ir fermentų gebėjimas išlaikyti savo struktūrą labai priklauso nuo temperatūros. Dėl to užšaldymas ir virinimas gali turėti didelį poveikį fermentų aktyvumui.
TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)
Verdant suskaidomi fermentai, todėl jie nebeveikia. Žemiau užšalimo metu kristalizacija neleidžia fermentams veikti.
Molekulinis judėjimas ir temperatūros vaidmuo
Norint suprasti, kaip šaldymas veikia fermentų aktyvumą, pirmiausia reikia suprasti temperatūros poveikį molekulėms, kurios yra fermentų katalizės substratai. Ląstelėse substrato molekulės yra nuolatinio atsitiktinio judėjimo, žinomo kaip Brauno judėjimas, susidūrimo tarp substrato molekulių ir atskirų vandens molekulių, rezultatas. Didėjant temperatūrai, šio atsitiktinio molekulinio judėjimo greitis taip pat didėja, nes molekulės turi daugiau vibracijos energijos esant aukštesnei temperatūrai. Spartesnis judėjimas padidina atsitiktinių susidūrimų tarp molekulių ir fermentų dažnį, o tai yra svarbu fermentų aktyvumui, nes fermentai priklauso nuo jų substrato molekulių susidūrimo, kol reakcija neįmanoma atsirasti.
Užšalimo poveikis fermentų veiklai
Esant labai šaltai temperatūrai, dominuoja priešingas poveikis - molekulės juda lėčiau, todėl sumažėja fermentų ir substratų susidūrimų dažnis, todėl sumažėja fermentų aktyvumas. Užšalimo vietoje molekulinis judėjimas smarkiai sumažėja, kai vyksta kietųjų medžiagų susidarymas ir molekulės yra užrakintos į standžius kristalinius darinius. Šiuose kietuosiuose kristaluose molekulės turi daug mažiau judėjimo laisvės, palyginti su tomis pačiomis molekulėmis, esančiomis skysčio pavidalu. Todėl užšalus fermentų ir substratų susidūrimai yra labai reti, o fermentų aktyvumas yra beveik nulis žemiau užšalimo.
Fermentų struktūra
Nors dėl temperatūros kilimo padidėja fermentų aktyvumas, yra viršutinė temperatūros riba, prie kurios fermentai gali toliau veikti. Norint suprasti, kodėl taip yra, reikia atsižvelgti į fermentų struktūrą ir funkciją. Fermentai yra baltymai, sudaryti iš atskirų aminorūgščių, laikomų trimatėje struktūroje cheminėmis jungtimis tarp aminorūgščių. Ši trimatė struktūra yra labai svarbi fermentų aktyvumui, nes fermentai yra struktūrizuoti taip, kad aplink jų substratus susidarytų fizinis „tinkamumas“.
Virinimas ir denatūravimas
Esant maždaug virimo temperatūrai, pradeda nutrūkti fermentų struktūrą laikančios cheminės jungtys. Dėl to prarandama trimatė struktūra, fermentai nebetelpa savo tikslinėms substrato molekulėms, o fermentai visiškai nustoja veikti. Šis struktūros praradimas, žinomas kaip denatūracija, yra negrįžtamas - kai fermentai yra tiek kaitinami, kad cheminės jungtys, laikančios jas kartu, suyra, jos savaime nebesusidarys, jei temperatūra mažinti. Tai nepanašu į užšalimą, kuris neturi įtakos fermentų struktūrai - jei temperatūra užšaldžius padidėja, fermentų aktyvumas bus atstatytas.