Encimi so ključnega pomena za vse življenje, ker katalizirajo kemične reakcije, ki bi sicer potekale prepočasi, da bi podprle življenje. Pomembno je, da so hitrosti, s katerimi lahko encimi katalizirajo svoje ciljne reakcije, in sposobnost encimov, da ohranijo svojo strukturo, zelo odvisni od temperature. Posledično lahko zamrzovanje in vrenje pomembno vplivata na aktivnost encimov.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Vrenje razgrajuje encime, tako da ne delujejo več. Pod lediščem kristalizacija preprečuje delovanje encimov.
Molekularno gibanje in vloga temperature
Da bi razumeli, kako zamrzovanje vpliva na encimsko aktivnost, je najprej treba razumeti vpliv temperature na molekule, ki so substrati za encimsko katalizo. V celicah so molekule substrata v stalnem naključnem gibanju, znanem kot Brownovo gibanje, zaradi trkov med molekulami substrata in posameznimi molekulami vode. S povečevanjem temperature se povečuje tudi hitrost tega naključnega molekularnega gibanja, saj imajo molekule pri višjih temperaturah več vibracijske energije. Hitrejše gibanje poveča pogostost naključnih trkov med molekulami in encimi, kar je pomembno za encimsko aktivnost, saj so encimi odvisni od svojih molekul substrata, ki trčijo vanje, preden reakcija lahko pojavijo.
Vpliv zmrzovanja na encimsko aktivnost
Pri zelo nizkih temperaturah prevladuje nasprotni učinek - molekule se premikajo počasneje, kar zmanjšuje pogostost trkov encimov in substratov in s tem zmanjšuje aktivnost encimov. Na ledišču se molekularno gibanje drastično zmanjša, ko nastane trdna snov in molekule se zaklenejo v toge kristalne tvorbe. Znotraj teh trdnih kristalov imajo molekule veliko manj svobode gibanja v primerjavi z enakimi molekulami v tekočem razporeditvi. Posledično so trki encimov in substratov izjemno redki, ko pride do zmrzovanja in je aktivnost encimov skoraj nič pod lediščem.
Encimska struktura
Čeprav zvišanje temperature povzroči višjo stopnjo aktivnosti encimov, obstaja zgornja temperaturna meja, pri kateri lahko encimi še naprej delujejo. Da bi razumeli, zakaj je temu tako, je treba upoštevati strukturo in delovanje encimov. Encimi so beljakovine, sestavljene iz posameznih aminokislin, ki jih v tridimenzionalni strukturi držijo kemične vezi med aminokislinami. Ta tridimenzionalna struktura je ključnega pomena za encimsko aktivnost, saj so encimi strukturirani tako, da se fizično "prilegajo" okoli svojih substratov.
Vrenje in denaturacija
Pri temperaturah okoli vrelišča se kemične vezi, ki držijo strukturo encimov, začnejo razpadati. Posledična izguba tridimenzionalne strukture povzroči, da encimi ne ustrezajo več ciljnim molekulam substrata in encimi popolnoma prenehajo delovati. Ta izguba strukture, znana kot denaturacija, je nepopravljiva - ko se encimi segrejejo toliko, da se kemične vezi, ki jih držijo skupaj, se razgradijo, če temperature ne bodo spet spontano nastale zmanjšanje. To je v nasprotju z zmrzovanjem, ki ne vpliva na encimsko strukturo - če se temperature po zmrzovanju zvišajo, se aktivnost encimov obnovi.