Enzymy to katalizatory biologiczne. Oznacza to, że są to białka wytwarzane w żywych organizmach, które wspomagają reakcje chemiczne. Bez enzymów reakcje chemiczne w twoim ciele nie przebiegałyby wystarczająco szybko, aby utrzymać cię przy życiu. Każdy enzym ma optymalne warunki pracy – środowisko, które pozwala im pracować z maksymalną wydajnością. Jednym z najważniejszych parametrów środowiskowych wpływających na aktywność enzymu jest pH, przy czym każdy enzym ma unikalną wartość optymalną.
Energia aktywacji
Enzymy działają poprzez obniżenie energia aktywacji reakcji chemicznej. Możesz myśleć o reakcji chemicznej jak o włożeniu torebki z fasolą do wiadra, z tą różnicą, że pomiędzy torebką a wiadrem jest ściana o długości 10 stóp. Możesz wspiąć się po ścianie i włożyć worek do wiadra, ale gdybyś miał pomoc enzymu, ściana miałaby tylko 2 stopy wysokości zamiast 10, 100 lub 1000. Ostateczny wynik jest taki sam bez względu na wysokość ściany, ale jeśli ściana jest niska, będziesz mógł włożyć do wiader o wiele więcej worków z fasolą. To samo z enzymami: końcowy produkt chemiczny jest taki sam z enzymem lub bez enzymu, ale jeśli enzym jest obecny, zajdzie o wiele więcej reakcji.
pH
Myślimy o pH jako o mierze kwasowości, którą jest. Ocet jest lekko kwaśny, więc ma pH około 4, podczas gdy soda oczyszczona jest zasadowa i ma pH około 8. Neutralny roztwór – ani kwaśny, ani zasadowy – ma pH 7.
Na poziomie molekularnym pH może być jednak nieco inne. Niskie pH oznacza, że w roztworze jest dużo dodatkowych protonów, podczas gdy wysokie pH oznacza, że jest dużo jonów wodorotlenowych – tlenu i wodoru razem. Przy niskim pH dodatnie ładunki protonów w roztworze będą przyciągane do obszarów z ujemnym ładunkiem i będą się przyczepiać. Przy wysokim pH jony OH, które są ujemne, będą szukać ładunku dodatniego i zatrzasnąć się.
Enzymy
Enzymy to skomplikowane białka, które łączą atomy lub cząsteczki składowe we właściwy sposób, aby obniżyć energię aktywacji. Są w stanie to zrobić dzięki temu, jak są ukształtowane. Kształt białka zależy częściowo od przyciągania elektrostatycznego między jego różnymi częściami. Na przykład, niektóre części mają lekko ujemny ładunek, a niektóre lekko dodatni, więc te regiony białka są zgięte ku sobie.
W roztworach o niskim pH dodatkowe ładunki dodatnie łączą się z ujemnymi regionami białek. W roztworach o wysokim pH dodatkowe ładunki ujemne przyczepiają się do dodatnich regionów białka. Kiedy się zatrzasną, przyciąganie elektrostatyczne jest eliminowane, a białko zmienia kształt. Ponieważ aktywność enzymu zależy od jego kształtu, zwolni, a następnie przestanie działać, gdy pH stanie się zbyt niskie lub zbyt wysokie.
Aktywność enzymatyczna a pH
W regionach o różnym pH działają różne enzymy. Na przykład enzymy żołądkowe działają najlepiej przy niskim pH około 2. Ale niezależnie od konkretnej wartości pH, przy której enzym działa najlepiej, aktywność enzymu jest niska przy najniższym pH i wzrasta do maksimum przy optymalnej wartości pH. Szybkość reakcji zmniejsza się następnie wraz ze wzrostem pH. W wąskim zakresie wokół optimum, enzym może odzyskać swoją aktywność, jeśli pH zostanie przywrócone do optimum. Ale poza tym zakresem kształt enzymu będzie tak zniekształcony, że nie będzie mógł wrócić do normy.