Naukowcy wciąż starają się zrozumieć zawiłe szczegóły złożonych cząsteczek białkowych, które umożliwiają przeprowadzenie niezbędnych procesów biologicznych. Cząsteczki te, znane jako enzymy, działają jako katalizatory wielu reakcji biologicznych. Bez enzymów większość z tych reakcji nie zachodziłaby wystarczająco szybko, aby podtrzymać życie. Enzymy są zaprojektowane do działania w określonym środowisku. Nadmierne ciepło, wraz z różnymi innymi warunkami, może poważnie zaburzyć aktywność enzymów.
Reakcje życia
Reakcje biologiczne dostarczają energii i wyspecjalizowanych cząsteczek, które podtrzymują życie organizmu. Jednak wszystkie reakcje nie mogą zajść, dopóki pewna ilość energii nie pobudzi cząsteczek reagentów. Ta energia jest znana jako energia aktywacji reakcji. Energia dostępna w środowiskach biologicznych często jest niewystarczająca do stymulowania odpowiedniej liczby reakcji, ale enzymy kompensują tę niedobór. Zmieniając sposób, w jaki cząsteczki reagentów oddziałują ze sobą, enzymy obniżają energię aktywacji i umożliwiają znacznie szybsze zachodzenie reakcji.
Zmienione przez ciepło
Enzymy to wyspecjalizowane cząsteczki białka, co oznacza, że mają wspólną podstawową strukturę białka: określone typy aminokwasów połączone ze sobą w określonej sekwencji. Enzymy na ogół mają złożone trójwymiarowe struktury, które określają ich szczegółowe cechy funkcjonalne. Jeśli ta struktura się zmieni, enzym staje się mniej skuteczny w swojej roli obniżania energii aktywacji. Jednym z powszechnych źródeł zmian strukturalnych jest ciepło. Ciepłe temperatury mają tendencję do zwiększania aktywności enzymatycznej poprzez zwiększenie energii kinetycznej związanej z przypadkową cząsteczką ruchu, ale gdy temperatura staje się nadmierna, enzymy ulegają zniszczeniu strukturalnemu, co hamuje enzymatyczne czynność.
Cząsteczki w ruchu
Zakłócenie starannie zaprojektowanej struktury enzymu jest znane jako denaturacja. Ten proces jest często pożądany: na przykład niektóre białka spożywcze są łatwiejsze do strawienia po ich denaturacji podczas gotowania. Wysoka temperatura jest częstą przyczyną denaturacji. Wraz ze wzrostem temperatury przypadkowy ruch cząsteczek staje się bardziej energetyczny. W końcu ruch cząsteczek staje się tak energetyczny, że cząsteczki rozrywają wiązania między licznymi aminokwasami, które określają naturalną strukturę enzymu. Enzym nie ulega zniszczeniu, ale jego podstawowe cechy strukturalne uległy zmianie. W złożonych białkach, takich jak enzymy, denaturacja jest prawie zawsze nieodwracalna.
Enzym bez substratu
Nienaruszona cząsteczka reagenta lub substrat, który przyłącza się do enzymu na początku reakcji enzymatycznej, jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania enzymu. Denaturacja substratu powoduje zmiany strukturalne, które utrudniają lub uniemożliwiają dopasowanie się do wysoce specyficznej struktury enzymu. Enzymy są wysoce specyficzne, co oznacza, że ich skomplikowana struktura zapewnia, że mogą łączyć się tylko z jednym typem cząsteczki lub z grupą blisko spokrewnionych cząsteczek.