Wszystkie enzymy mają określony zakres pH, w którym działają najlepiej. Enzym to białko złożone z cząsteczek zwanych aminokwasami, a te aminokwasy mają regiony wrażliwe na pH. Skala pH określa, jak kwaśny lub zasadowy jest roztwór, przy czym niskie pH jest kwaśne, a wysokie – zasadowe. Ludzki żołądek ma pH 2, a enzymy działające w żołądku są przystosowane do funkcjonowania na tym poziomie pH.
Żołądek ma niskie pH
Kiedy spożywamy jedzenie i picie, wraz z nimi pojawiają się bakterie. Nasze ciała są w stanie chronić się przed infekcją, zabijając bakterie w żołądku. Przy pH 2 soki żołądkowe są wystarczająco kwaśne, aby zabić bakterie, które spożywamy. Komórki wyściełające żołądek - zwane komórkami okładzinowymi - wydzielają kwas solny lub HCl, który nadaje sokom żołądkowym niskie pH. HCl nie trawi pożywienia, ale zabija bakterie, pomaga rozkładać tkankę łączną w mięsie i aktywuje pepsynę, enzym trawienny żołądka.
Pepsyna trawi białko
Główne komórki, które również wyścielają żołądek, produkują proenzym zwany pepsynogenem. Kiedy pepsynogen wchodzi w kontakt z kwaśnym środowiskiem żołądka, katalizuje reakcję aktywującą się i staje się aktywnym enzymem zwanym pepsyną. Pepsyna to proteaza lub enzym, który rozbija wiązania chemiczne w białku. Pepsyna wykorzystuje grupę kwasu karboksylowego na jednym ze swoich aminokwasów do zerwania wiązania chemicznego między azotem a tlenem w białkach znajdujących się w żywności.
Pepsyna działa w pH 2
Powodem, dla którego pepsyna działa najlepiej przy pH 2, jest to, że grupa kwasu karboksylowego na aminokwasie w miejscu aktywnym enzymu musi być w stanie protonowanym, co oznacza, że jest związana z atomem wodoru. Przy niskim pH grupa kwasu karboksylowego ulega protonowaniu, co pozwala jej katalizować reakcję chemiczną rozrywania wiązań chemicznych. Przy wartościach pH wyższych niż 2 kwas karboksylowy ulega deprotonowaniu i tym samym nie może uczestniczyć w reakcjach chemicznych. Pepsyna jest najbardziej aktywna przy pH 2, przy czym jej aktywność spada przy wyższym pH i całkowicie spada przy pH 6,5 lub wyższym. Ogólnie rzecz biorąc, aktywność enzymu jest wrażliwa na pH, ponieważ grupa katalityczna enzymu – w przypadku pepsyny kwas karboksylowy grupa - będzie albo protonowana, albo deprotonowana, a ten stan określa, czy może uczestniczyć w substancji chemicznej reakcja.
Pepsyna nieaktywna przy wyższym pH
Po strawieniu w żołądku pokarm przechodzi przez zwieracz odźwiernika do dwunastnicy jelita cienkiego, gdzie pH jest znacznie wyższe. Pepsyna staje się nieaktywna w tym środowisku, ponieważ stężenie atomów wodoru jest niższe. Wodór w kwasie karboksylowym pepsyny w miejscu aktywnym enzymu jest następnie usuwany, a enzym staje się nieaktywny. Reakcja chemiczna katalizowana przez pepsynę zależy od obecności protonowanego kwasu karboksylowego, więc aktywność enzymu w dużym stopniu zależy od pH roztworu, w którym się znajduje. Niskie pH prowadzi do wysokiej aktywności, a wysokie pH daje niewielką lub żadną aktywność.