Enzymy mają kluczowe znaczenie dla wszelkiego życia, ponieważ katalizują reakcje chemiczne, które w innym przypadku zachodziłyby zbyt wolno, aby podtrzymać życie. Co ważne, szybkość, z jaką enzymy są w stanie katalizować swoje docelowe reakcje, oraz zdolność enzymów do utrzymywania swojej struktury w dużym stopniu zależy od temperatury. W rezultacie zamrażanie i gotowanie może mieć znaczący wpływ na aktywność enzymów.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Gotowanie rozkłada enzymy, więc nie działają. Krystalizacja poniżej temperatury zamarzania uniemożliwia działanie enzymów.
Ruch molekularny i rola temperatury
Aby zrozumieć, w jaki sposób zamrażanie wpływa na aktywność enzymów, należy najpierw zrozumieć wpływ temperatury na cząsteczki będące substratami katalizy enzymatycznej. Wewnątrz komórek cząsteczki substratu znajdują się w ciągłym, losowym ruchu, znanym jako ruch Browna, w wyniku zderzeń między cząsteczkami substratu i pojedynczymi cząsteczkami wody. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również prędkość tego losowego ruchu molekularnego, ponieważ cząsteczki mają więcej energii wibracyjnej w wyższych temperaturach. Szybszy ruch zwiększa częstotliwość przypadkowych zderzeń między cząsteczkami a enzymami, co jest ważne dla aktywności enzymatycznej, ponieważ enzymy zależą od ich cząsteczek substratu zderzających się z nimi, zanim reakcja może pojawić się.
Wpływ zamrażania na aktywność enzymów
W bardzo niskich temperaturach dominuje odwrotny efekt – cząsteczki poruszają się wolniej, zmniejszając częstotliwość zderzeń enzym-substrat, a tym samym zmniejszając aktywność enzymu. W punkcie zamarzania ruch cząsteczek zmniejsza się drastycznie, gdy zachodzi formacja ciała stałego, a cząsteczki zostają zablokowane w sztywnych formacjach krystalicznych. W tych stałych kryształach molekuły mają znacznie mniejszą swobodę ruchu w porównaniu z tymi samymi molekułami w układzie płynnym. W rezultacie zderzenia enzym-substrat są niezwykle rzadkie po zamrożeniu, a aktywność enzymu jest bliska zeru poniżej zera.
Struktura enzymu
Chociaż wzrost temperatury skutkuje wyższymi szybkościami aktywności enzymów, istnieje górna granica temperatury, w której enzymy mogą nadal działać. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, należy wziąć pod uwagę strukturę i funkcję enzymów. Enzymy to białka składające się z pojedynczych aminokwasów połączonych w trójwymiarową strukturę wiązaniami chemicznymi między aminokwasami. Ta trójwymiarowa struktura ma kluczowe znaczenie dla aktywności enzymów, ponieważ enzymy są tak skonstruowane, że tworzą fizyczne „dopasowanie” wokół swoich substratów.
Wrzenie i denaturacja
W temperaturach zbliżonych do wrzenia wiązania chemiczne, które spajają strukturę enzymów, zaczynają się rozpadać. Wynikająca z tego utrata trójwymiarowej struktury powoduje, że enzymy nie pasują już do docelowych cząsteczek substratu, a enzymy całkowicie przestają działać. Ta utrata struktury, znana jako denaturacja, jest nieodwracalna – po podgrzaniu enzymów tak bardzo, że wiązania chemiczne, które je łączą, rozpadają się, nie utworzą się samoistnie ponownie, jeśli temperatura zmniejszać. W przeciwieństwie do zamrażania, które nie wpływa na strukturę enzymu – jeśli temperatura po zamrożeniu wzrośnie, aktywność enzymu zostanie przywrócona.