katalīze

katalīze atbilst aktivizācijas enerģijas samazinājumam, kas nepieciešams ķīmiskajām un bioloģiskajām reakcijām. Nepieciešamās enerģijas daudzuma katalītisko samazināšanu nodrošina katalizators, kas atbilst fermentam bioloģijā. Fermentatīvo slimību gadījumā enzīmu katalītiskās īpašības var samazināt vai pat atcelt.

Kas ir katalīze?

Fermentiem cilvēka ķermenī ir īpaši uzdevumi. Cik atšķirīgas var būt atsevišķu enzīmu funkcijas, tiem principā visiem ir viens un tas pats uzdevums, un tiem ir līdzīgas īpašības šī uzdevuma izpildei. Visu fermentu galvenais uzdevums ir katalīze. Tāpēc bioķīmija saka, ka tām ir katalītiskas īpašības.

Burtiski tulkojot, katalīze nozīmē "izšķīšanu". Katalīzes uzmanības centrā ir aktivizācijas enerģija. Ķīmija kā tādu apraksta enerģijas daudzumu, kas ir absolūti nepieciešams reakcijas sistēmā abu reakcijas partneru ķīmiskajai reakcijai. Katalizatori tiek izmantoti, lai samazinātu aktivizācijas enerģiju un tādējādi abiem reaģentiem ļautu reaģēt reakcijas sistēmā pat pie zemas enerģijas. Bioloģisko reakciju sistēmās fermenti ar katalītiskām īpašībām samazina noteiktas ķīmiskās reakcijas aktivizācijas enerģiju un attiecīgi darbojas kā ķīmiski katalizatori.

Katalīzes kontekstā, no vienas puses, veiksmīga reakcijas procesa varbūtība palielinās, un, no otras puses, reakcijas ātrums dažkārt palielinās. Ķīmiskā līdzsvara maiņa nenotiek katalīzes kontekstā.

Ķīmija atšķir homogēnu katalīzi no neviendabīgas katalīzes. Biokatalīze neatbilst ne vienai, ne otrai formai. Tā ir neatkarīga katalīzes forma.

Funkcija un uzdevums

Biokatalīze atbilst ķīmisko reakciju kontrolei, ieviešanai vai paātrināšanai bioloģiskā vidē. Fermenti šajā procesā darbojas kā bioloģiski katalizatori. Katrs ferments galvenokārt sastāv no olbaltumvielām, no kurām dažas ir saistītas ar koeficientu. Gandrīz visās bioķīmiskajās reakcijās dzīvos organismos ir fermentatīvs katalizators.

Biokatalizācija tiek īstenota biotehnoloģijā, izmantojot izolētus vai dzīvus fermentus. Biokatalīzes piemērs atrodams alus darītavās, kur biokatalītiskos procesus īsteno, izmantojot baktērijas, sēnītes vai raugu. Farmaceitiskā rūpniecība izmanto biokatalizāciju, lai panāktu citādi nepraktiskas reakcijas.

Cilvēka ķermenī pastāvīgi notiek katalīze, kurā fermenti paātrina noteiktas reakcijas. Fermenti ir svarīgi, piemēram, organismu metabolismam, un lielā mērā kontrolē bioķīmiskās reakcijas vielmaiņas procesos. Viņi kontrolē, piemēram, gremošanu, bet ir iesaistīti arī DNS transkripcijā un replikācijā polimerāžu veidā.

Lielākā daļa bioķīmisko reakciju notiktu dzīvā organismā bez fermentiem nenozīmīgi lēni. Fermenti paātrina ķīmiskā līdzsvara sasniegšanu, neko nemainot līdzsvarā.

Fermentam ir katalītiska aktivitāte, jo tas var pazemināt aktivizācijas enerģiju ķīmiskās reakcijās. Šī enerģija atbilst enerģijas daudzumam, kas iepriekš jāpielieto, lai sāktu reakciju. Reakcijas laikā substrāts mainās uz enerģētiski nelabvēlīgiem pārejas stāvokļiem. Aktivizācijas enerģija piespiež substrātu tā pārejas stāvoklī. Fermentu katalītiskā iedarbība iejaucas šajā reakcijas brīdī, stabilizējot substrāta pārejas stāvokli ar nekovalentu mijiedarbību. Tādā veidā substrāta pārvēršanai pārejas stāvoklī ir nepieciešams ievērojami mazāk enerģijas. Tāpēc substrāts ātrākā ātrumā pārvēršas reakcijas galaproduktā. Ar šīm katalītiskajām funkcijām fermenti tiek uzskatīti par katra bioķīmiskās reakcijas produkta izlīdzināšanas elementiem.

Slimības un kaites

Ja fermenti mutē vai citu iemeslu dēļ vairs nepietiekami pilda savu katalītisko lomu, tam ir nopietnas sekas veselībai. Metabolisma slimību slimības grupa ietver dažādus traucējumus no starpposma darbības metabolisma zonas. Šādi traucējumi ir vai nu iedzimti, vai iegūti.

Metabolisma slimību lielums un izplatība ir ļoti atšķirīga. Arī klīniski tie izpaužas ļoti neviendabīgi. Saistīti traucējumi ir, piemēram, plaši izplatītā slimība - cukura diabēts. Tomēr šajā slimību grupā ietilpst arī daudz retākas iedzimtas slimības ar letālu gaitu. Osteopēniju un no tās izrietošo osteoporozi var izsekot arī vielmaiņas slimībām.

Lielākā daļa iedzimto slimību no pārmērīgas metabolisma slimību grupas atbilst dažādu enzīmu ģenētiskiem defektiem. Piemēram, atkarībā no attiecīgā fermenta, tā katalītiskās funkcijas un reakcijas produkta, fermentatīvie defekti vai fermentu deficīti var izraisīt orgānu mazspēju.

Gošē slimība ir samērā reta un iedzimta metabolisma slimība. Šīs slimības kontekstā ietekmētais enzīms ir glikocerebrozidāze vai glikocerebrozidāze. Šis ferments veselā organismā sadala novecojušās šūnu membrānas sastāvdaļas. Gošē slimībā trūkst šī svarīgā enzīma. Ja fermentam nav pietiekamas aktivitātes, tas attiecas uz membrānas komponentu nogulsnēšanos lizosomās. Gošē slimības kontekstā līdz šim ir dokumentētas vairāk nekā 200 enzīma mutācijas. Atlikušās fermentatīvās aktivitātes pakāpe ir atkarīga no kodējošā gēna mutācijas katrā atsevišķā gadījumā. Slimība, piemēram, var izraisīt fermenta pilnīgu neveiksmi. Tomēr ir iespējama arī funkcionāli vāja fermentatīvās aktivitātes samazināšanās. Lielākajai daļai šīs slimības pacientu ir gan iekšējo orgānu, gan nervu sistēmas izpausmes.