Inhalt
- TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
- Molekulare Bewegung und die Rolle der Temperatur
- Einfluss des Einfrierens auf die Enzymaktivität
- Enzymstruktur
- Kochen und Denaturierung
Enzyme sind lebenswichtig, weil sie chemische Reaktionen katalysieren, die sonst zu langsam ablaufen würden, um das Leben zu unterstützen. Wichtig ist, dass die Geschwindigkeit, mit der Enzyme ihre Zielreaktionen katalysieren können, und die Fähigkeit von Enzymen, ihre Struktur aufrechtzuerhalten, stark von der Temperatur abhängen. Das Einfrieren und Kochen kann daher erhebliche Auswirkungen auf die Enzymaktivität haben.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Durch Kochen werden Enzyme abgebaut, sodass sie nicht mehr funktionieren. Unter dem Gefrierpunkt verhindert die Kristallisation die Funktion von Enzymen.
Molekulare Bewegung und die Rolle der Temperatur
Um zu verstehen, wie Gefrieren die Enzymaktivität beeinflusst, muss zunächst der Einfluss der Temperatur auf die Moleküle untersucht werden, die die Substrate für die Enzymkatalyse darstellen. In Zellen sind Substratmoleküle aufgrund von Kollisionen zwischen Substratmolekülen und einzelnen Wassermolekülen in ständiger zufälliger Bewegung, der sogenannten Brownschen Bewegung. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Geschwindigkeit dieser zufälligen Molekülbewegung zu, da Moleküle bei höheren Temperaturen mehr Schwingungsenergie haben. Die schnellere Bewegung erhöht die Häufigkeit von zufälligen Kollisionen zwischen Molekülen und Enzymen, was für die Enzymaktivität wichtig ist, da Enzyme davon abhängen, dass ihre Substratmoleküle in sie kollidieren, bevor eine Reaktion stattfinden kann.
Einfluss des Einfrierens auf die Enzymaktivität
Bei sehr kalten Temperaturen dominiert der gegenteilige Effekt: Moleküle bewegen sich langsamer, was die Häufigkeit von Enzym-Substrat-Kollisionen und damit die Enzymaktivität verringert. Zum Zeitpunkt des Gefrierens nimmt die molekulare Bewegung drastisch ab, wenn eine feste Bildung auftritt und Moleküle in starren kristallinen Formationen eingeschlossen sind. Innerhalb dieser festen Kristalle haben Moleküle eine weitaus geringere Bewegungsfreiheit als dieselben Moleküle in einer flüssigen Anordnung. Infolgedessen sind Kollisionen zwischen Enzym und Substrat äußerst selten, sobald ein Einfrieren auftritt und die Enzymaktivität unter dem Einfrieren nahezu Null ist.
Enzymstruktur
Obwohl eine Erhöhung der Temperatur zu höheren Raten der Enzymaktivität führt, gibt es eine obere Temperaturgrenze, bei der Enzyme weiterhin funktionieren können. Um zu verstehen, warum dies der Fall ist, müssen Struktur und Funktion von Enzymen berücksichtigt werden. Enzyme sind Proteine, die aus einzelnen Aminosäuren bestehen, die durch chemische Bindungen zwischen Aminosäuren in einer dreidimensionalen Struktur zusammengehalten werden. Diese dreidimensionale Struktur ist entscheidend für die Enzymaktivität, da Enzyme so strukturiert sind, dass sie eine physikalische "Passung" um ihre Substrate bilden.
Kochen und Denaturierung
Bei Temperaturen um das Kochen beginnen die chemischen Bindungen, die die Struktur von Enzymen zusammenhalten, zusammenzubrechen. Der daraus resultierende Verlust der dreidimensionalen Struktur führt dazu, dass Enzyme nicht mehr in ihre Zielsubstratmoleküle passen und die Funktion von Enzymen vollständig eingestellt wird. Dieser als Denaturierung bezeichnete Strukturverlust ist irreversibel. Wenn Enzyme so stark erhitzt werden, dass die chemischen Bindungen, die sie zusammenhalten, zusammenbrechen, bilden sie sich bei sinkenden Temperaturen nicht spontan wieder. Dies ist anders als beim Einfrieren, das die Enzymstruktur nicht beeinflusst. Wenn die Temperaturen nach dem Einfrieren erhöht werden, wird die Enzymaktivität wiederhergestellt.