Kataliza odgovara smanjenju aktivacijske energije potrebne za kemijske i biološke reakcije. Katalitičko smanjenje potrebne količine energije omogućuje katalizator, koji u biologiji odgovara enzimu. U enzimskim bolestima katalitička svojstva enzimi može se smanjiti ili čak ukinuti.
Što je kataliza?
Katalitičko smanjenje potrebne količine energije omogućuje katalizator, koji u biologiji odgovara enzimu. Slika prikazuje model vrpce a lipaza. Enzimi imaju specifične uloge u ljudskom tijelu. Jednako različita od funkcije pojedinca enzimi može se činiti, svi oni u osnovi imaju isti zadatak i donose slična svojstva da ga ispune. Glavna zadaća svih enzima je kataliza. Zbog toga im biokemija pripisuje katalitička svojstva. U doslovnom prijevodu, kataliza znači "otapanje". Na srce katalize je energija aktivacije. Kao takva, kemija se odnosi na količinu energije koja je apsolutno potrebna u reakcijskom sustavu za kemijsku reakciju oba reakcijska partnera. Katalizatori se koriste za smanjenje energije aktivacije i tako omogućavaju oba reakcijska partnera da prođu reakciju u reakcijskom sustavu čak i pri niskim energijama. U biološkim reakcijskim sustavima enzimi s katalitičkim svojstvima smanjuju energiju aktiviranja određene kemijske reakcije i djeluju u skladu s tim kao kemijski katalizatori. U kontekstu katalize, s jedne se strane povećava vjerojatnost uspješnog reakcijskog procesa, a s druge strane ponekad se povećava i brzina reakcije. Tijekom katalize ne dolazi do pomaka u kemijskoj ravnoteži. Kemija razlikuje homogenu katalizu od heterogene. Biokataliza ne odgovara ni jednom ni drugom obliku. To je neovisni oblik katalize.
Funkcija i zadatak
Biokataliza odgovara usmjeravanju, pretvaranju ili ubrzanju kemijskih reakcija u biološkom okolišu. Enzimi djeluju kao biološki katalizatori u ovom procesu. Svaki enzim uglavnom se sastoji od proteini, od kojih su neki povezani s kofaktorom. Gotovo sve biokemijske reakcije u živim organizmima imaju enzimski katalizator. Biokataliza se u biotehnologiji provodi pomoću izoliranih ili živih enzima. Primjer biokatalize možemo pronaći u pivskim pivovarama, gdje se biokatalitički procesi provode pomoću bakterija, gljivice ili kvasci. Farmaceutska industrija koristi biokatalizu kako bi ostvarila inače neizvedive reakcije. U ljudskom tijelu neprestano se odvijaju katalizatori u kojima enzimi ubrzavaju određene reakcije. Enzimi su, na primjer, relevantni za metabolizam organizama i u velikoj mjeri kontroliraju biokemijske reakcije u metaboličkim procesima. Oni, na primjer, kontroliraju probavu, ali su također uključeni u transkripciju i replikaciju DNA u obliku polimeraza. Većina svih biokemijskih reakcija dogodila bi se zanemarivo sporim brzinama u živom organizmu bez enzima. Enzimi ubrzavaju postizanje kemijske ravnoteže ne mijenjajući ništa o ravnoteži. Enzim ima katalitičku aktivnost jer može smanjiti energiju aktivacije u kemijskim reakcijama. Ova energija odgovara količini energije koja se mora primijeniti unaprijed da bi se pokrenula reakcija. Tijekom reakcije supstrat se mijenja u energetski nepovoljna prijelazna stanja. Energija aktivacije tjera supstrat u njegovo prijelazno stanje. Katalitičko djelovanje enzima intervenira u ovom trenutku reakcije stabiliziranjem prijelaznog stanja supstrata putem nekovalentnog interakcije. Na taj je način potrebno znatno manje energije za pretvaranje podloge u prijelazno stanje. Iz tog razloga supstrat se brže pretvara u konačni produkt reakcije. S ovim katalitičkim funkcijama, enzimi se smatraju elementima koji daju bilo koji produkt biokemijske reakcije.
Bolesti i poremećaji
Kada enzimi mutiraju ili ne uspiju adekvatno izvršiti svoju katalitičku ulogu iz drugih razloga, opsežno zdravlje posljedice postavljene. Skupina bolesti metaboličkih bolesti uključuje razne poremećaje iz područja intermedijarnog operativnog metabolizma. Takvi su poremećaji urođeni ili stečeni. Metaboličke bolesti se vrlo razlikuju u svojoj mjeri i prevalenciji. Oni se također klinički manifestiraju na vrlo heterogen način. Jedan od takvih poremećaja je raširena česta bolest dijabetes melitus. Međutim, u ovu skupinu bolesti ubrajaju se i mnogo rjeđe nasljedne bolesti sa smrtonosnim tijekom. Osteopenija i nastali osteoporoza također se mogu pripisati metaboličkim poremećajima. Većina urođenih bolesti iz nadređene skupine metaboličkih bolesti odgovara genetski određenim enzimskim defektima različitih enzima. Ovisno o enzimu na koji utječe, njegovoj katalitičkoj funkciji i produktu reakcije, enzimski defekti ili nedostaci enzima mogu, na primjer, uzrokovati otkazivanje organa. Relativno rijedak i urođeni metabolički poremećaj je Gaucherova bolest. Enzim uključen u ovu bolest je glukocerebrosidaza ili glukocerebrosidaza. U zdravom organizmu ovaj enzim razgrađuje ostarjele komponente stanična membrana, u Gaucherova bolest, postoji manjak ovog važnog enzima. Ako enzim ne pokazuje dovoljnu aktivnost, dolazi do taloženja komponenata membrane unutar lizosoma. Tijekom godine dokumentirano je više od 200 mutacija enzima Gaucherova bolest do danas. Stupanj rezidualne enzimske aktivnosti ovisi o mutaciji kodiranja gen u svakom pojedinačnom slučaju. Na primjer, bolest može prouzročiti potpuni gubitak funkcije enzima. Međutim, moguće je i funkcionalno slabo smanjenje enzimske aktivnosti. Većina bolesnika s bolešću pokazuje manifestacije s obzirom na unutarnji organi kao i s obzirom na živčani sustav.
