อะไรคือผลกระทบของการเดือดและการแช่แข็งต่อกิจกรรมของเอนไซม์?

เอนไซม์มีความสำคัญต่อทุกชีวิตเพราะกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีที่อาจจะเกิดขึ้นช้าเกินไปที่จะช่วยชีวิต ที่สำคัญ อัตราที่เอ็นไซม์สามารถกระตุ้นปฏิกิริยาเป้าหมายของพวกมัน และความสามารถของเอ็นไซม์ในการรักษาโครงสร้างของเอนไซม์นั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก เป็นผลให้การแช่แข็งและการเดือดสามารถมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการทำงานของเอนไซม์

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

การต้มจะทำให้เอ็นไซม์สลายตัว จึงไม่สามารถทำงานได้อีกต่อไป ต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง การตกผลึกจะป้องกันไม่ให้เอนไซม์ทำงาน

เพื่อให้เข้าใจว่าการแช่แข็งส่งผลต่อการทำงานของเอนไซม์อย่างไร ก่อนอื่นจำเป็นต้องเข้าใจผลของอุณหภูมิที่มีต่อโมเลกุลซึ่งเป็นสารตั้งต้นสำหรับการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ ภายในเซลล์ โมเลกุลของสารตั้งต้นจะเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน อันเป็นผลมาจากการชนกันระหว่างโมเลกุลของสารตั้งต้นและโมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุล เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแบบสุ่มนี้ก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน เนื่องจากโมเลกุลมีพลังงานสั่นสะเทือนมากกว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น การเคลื่อนไหวที่เร็วขึ้นจะเพิ่มความถี่ของการชนกันแบบสุ่มระหว่างโมเลกุลและเอนไซม์ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับการทำงานของเอนไซม์ เนื่องจากเอนไซม์ขึ้นอยู่กับโมเลกุลของสารตั้งต้นที่ชนกันก่อนที่ปฏิกิริยาจะ col เกิดขึ้น

ที่อุณหภูมิที่เย็นจัด ผลกระทบที่ตรงกันข้ามจะครอบงำ - โมเลกุลเคลื่อนที่ช้ากว่า ลดความถี่ของการชนกันของสารตั้งต้นของเอนไซม์กับสารตั้งต้น และทำให้การทำงานของเอนไซม์ลดลง ที่จุดเยือกแข็ง การเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะลดลงอย่างมากเมื่อเกิดการก่อรูปของของแข็งและโมเลกุลถูกล็อกไว้เป็นผลึกที่แข็งกระด้าง ภายในผลึกที่เป็นของแข็งเหล่านี้ โมเลกุลมีอิสระในการเคลื่อนที่น้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับโมเลกุลเดียวกันในการจัดเรียงของเหลว ด้วยเหตุนี้ การชนกันของสารตั้งต้นของเอนไซม์จึงเกิดขึ้นได้ยากมากเมื่อมีการแช่แข็งและการทำงานของเอนไซม์จะต่ำกว่าจุดเยือกแข็งเกือบเป็นศูนย์

แม้ว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้อัตราการทำงานของเอนไซม์สูงขึ้น แต่ก็มีขีดจำกัดอุณหภูมิบนที่เอนไซม์สามารถทำงานต่อไปได้ เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมถึงเป็นเช่นนี้ จึงต้องพิจารณาโครงสร้างและหน้าที่ของเอนไซม์ เอ็นไซม์คือโปรตีน ซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนแต่ละตัวที่ยึดเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างสามมิติโดยพันธะเคมีระหว่างกรดอะมิโน โครงสร้างสามมิตินี้มีความสำคัญต่อการทำงานของเอ็นไซม์ เนื่องจากเอ็นไซม์มีโครงสร้างเพื่อสร้าง "ความพอดี" ทางกายภาพรอบๆ ซับสเตรตของพวกมัน

ที่อุณหภูมิรอบจุดเดือด พันธะเคมีที่ยึดโครงสร้างของเอนไซม์ไว้ด้วยกันจะเริ่มสลายตัว การสูญเสียโครงสร้างสามมิติที่เป็นผลทำให้เอ็นไซม์ไม่พอดีกับโมเลกุลของซับสเตรตเป้าหมายอีกต่อไป และเอ็นไซม์หยุดทำงานโดยสิ้นเชิง การสูญเสียโครงสร้างที่เรียกว่า denaturation เป็นสิ่งที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ - เมื่อเอนไซม์ได้รับความร้อนมากจน พันธะเคมีที่เกาะติดกันจะแตกตัว จะไม่ก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติหากอุณหภูมิ ลดลง ซึ่งไม่เหมือนกับการแช่แข็งซึ่งไม่ส่งผลต่อโครงสร้างของเอนไซม์ หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นหลังจากการแช่แข็ง กิจกรรมของเอนไซม์จะกลับคืนมา