Vilka är effekterna av kokning och frysning på enzymaktivitet?

Enzymer är kritiska för allt liv eftersom de katalyserar kemiska reaktioner som annars skulle äga rum för långsamt för att stödja livet. Viktigt är att de hastigheter med vilka enzymer kan katalysera sina målreaktioner och förmågan hos enzymer att bibehålla sin struktur är mycket beroende av temperaturen. Som ett resultat kan frysning och kokning ha betydande effekter på enzymaktiviteten.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Kokning bryter ner enzymer så att de inte längre fungerar. Under frysning förhindrar kristallisering enzymer från att fungera.

För att förstå hur frysning påverkar enzymaktivitet är det först nödvändigt att förstå temperaturens effekt på molekylerna som är substraten för enzymkatalys. Inom celler är substratmolekyler i konstant slumpmässig rörelse, känd som Brownian-rörelse, som ett resultat av kollisioner mellan substratmolekyler och enskilda vattenmolekyler. När temperaturen ökar ökar också hastigheten för denna slumpmässiga molekylära rörelse eftersom molekyler har mer vibrationsenergi vid högre temperaturer. Ju snabbare rörelse ökar frekvensen av slumpmässiga kollisioner mellan molekyler och enzymer, vilket är viktigt för enzymaktivitet eftersom enzymer beror på att deras substratmolekyler kolliderar i dem innan en reaktion kan inträffa.

Vid mycket kalla temperaturer dominerar den motsatta effekten - molekyler rör sig långsammare, vilket minskar frekvensen av kollisioner med enzym-substrat och därmed minskar enzymaktiviteten. Vid fryspunkten minskar molekylär rörelse drastiskt när fast bildning inträffar och molekyler låses i styva kristallina formationer. Inom dessa fasta kristaller har molekyler mycket mindre rörelsefrihet jämfört med samma molekyler i ett flytande arrangemang. Som ett resultat är enzymsubstratkollisioner extremt sällsynta när frysning inträffar och enzymaktivitet är nästan noll under frysning.

Även om ökande temperatur resulterar i högre enzymaktivitet, finns det en övre temperaturgräns vid vilken enzymer kan fortsätta att fungera. För att förstå varför så är fallet måste enzymens struktur och funktion beaktas. Enzymer är proteiner, som består av individuella aminosyror som hålls samman i en tredimensionell struktur genom kemiska bindningar mellan aminosyror. Denna tredimensionella struktur är avgörande för enzymaktivitet, eftersom enzymer är strukturerade för att bilda en fysisk "passning" runt deras substrat.

Vid temperaturer runt kokning börjar de kemiska bindningarna som håller samman strukturen hos enzymer brytas ner. Den resulterande förlusten av tredimensionell struktur gör att enzymer inte längre passar sina målsubstratmolekyler och enzymer slutar helt fungera. Denna strukturförlust, känd som denaturering, är irreversibel - när enzymer värms så mycket att kemiska bindningar som håller dem ihop bryts ner, de kommer inte att bildas spontant igen om temperaturen minska. Detta skiljer sig från frysning, vilket inte påverkar enzymstrukturen. Om temperaturen höjs efter frysning kommer enzymaktiviteten att återställas.