Katalīze atbilst aktivācijas enerģijas pazemināšanai, kas nepieciešama ķīmiskajām un bioloģiskajām reakcijām. Nepieciešamā enerģijas daudzuma katalītisko pazemināšanu nodrošina katalizators, kas bioloģijā atbilst fermentam. Fermentatīvo slimību gadījumā fermenti var samazināt vai pat atcelt.
Kas ir katalīze?
Nepieciešamās enerģijas daudzuma katalītisku samazināšanu nodrošina katalizators, kas bioloģijā atbilst fermentam. Attēlā parādīts a lentes modelis lipāze. Fermenti ir īpašas lomas cilvēka ķermenī. Tikpat atšķirīga kā indivīda funkcija fermenti var šķist, ka visiem viņiem principā ir viens un tas pats uzdevums, un šī uzdevuma izpildei ir līdzīgas īpašības. Visu enzīmu galvenais uzdevums ir katalīze. Tāpēc bioķīmija tiem piešķir katalītiskās īpašības. Burtiski tulkojot, katalīze nozīmē “izšķīšanu”. Pie sirds katalīzes ir aktivācijas enerģija. Kā tāda ķīmija attiecas uz enerģijas daudzumu, kas ir absolūti nepieciešams reakcijas sistēmā abu reakcijas partneru ķīmiskajai reakcijai. Katalizatorus izmanto, lai samazinātu aktivācijas enerģiju un tādējādi ļautu abiem reakcijas partneriem reaģēt reakcijas sistēmā pat ar zemu enerģiju. Bioloģisko reakciju sistēmās fermenti ar katalītiskām īpašībām tādējādi samazina noteiktas ķīmiskās reakcijas aktivācijas enerģiju un attiecīgi darbojas kā ķīmiskie katalizatori. Katalīzes kontekstā, no vienas puses, veiksmīgas reakcijas procesa varbūtība palielinās, un, no otras puses, reizēm palielinās arī reakcijas ātrums. Ķīmiskā līdzsvara izmaiņas katalīzes gaitā nenotiek. 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 vadīšanai, pārveidošanai vai paātrināšanai bioloģiskajā vidē. Fermenti šajā procesā darbojas kā bioloģiskie katalizatori. Katrs ferments lielā mērā sastāv no proteīni, no kuriem daži ir saistīti ar kofaktoru. Gandrīz visām dzīvo organismu bioķīmiskajām reakcijām ir fermentatīvs katalizators. Biokatalīzi biotehnoloģijā īsteno, izmantojot izolētus vai dzīvus fermentus. Biokatalīzes piemēru var atrast alus darītavās, kur biokatalizācijas procesi tiek īstenoti, izmantojot baktērijas, sēnītes vai raugi. Farmācijas nozare izmanto biokatalīzi, lai realizētu citādi neiespējamas reakcijas. Cilvēka ķermenī pastāvīgi notiek katalizatori, kuros fermenti paātrina noteiktas reakcijas. Fermenti, piemēram, attiecas uz organismu metabolismu un metabolisma procesos lielā mērā kontrolē bioķīmiskās reakcijas. Viņi kontrolē, piemēram, gremošanu, bet ir iesaistīti arī DNS transkripcijā un replikācijā polimerāžu veidā. Lielākā daļa visu bioķīmisko reakciju notiek dzīvā organismā bez fermentiem nenozīmīgi lēni. Fermenti paātrina ķīmiskā līdzsvara sasniegšanu, neko nemainot par līdzsvaru. Fermentam ir katalītiska aktivitāte, jo tas var pazemināt aktivācijas enerģiju ķīmiskajās reakcijās. Šī enerģija atbilst enerģijas daudzumam, kas iepriekš jāpielieto, lai sāktu reakciju. Reakcijas laikā substrāts pāriet uz enerģētiski nelabvēlīgiem pārejas stāvokļiem. Aktivizācijas enerģija piespiež substrātu pārejas stāvoklī. Šajā reakcijas brīdī iejaucas enzīmu katalītiskā darbība, stabilizējot substrāta pārejas stāvokli, izmantojot nekovalentus mijiedarbība. Tādā veidā substrāta pārveidošanai pārejas stāvoklī ir nepieciešams ievērojami mazāks enerģijas daudzums. Šī iemesla dēļ substrāts pārvēršas par reakcijas gala produktu ar lielāku ātrumu. Izmantojot šīs katalītiskās funkcijas, fermenti tiek uzskatīti par jebkura bioķīmiskās reakcijas produkta devējiem.
Slimības un traucējumi
Ja fermenti mutē vai citu iemeslu dēļ nespēj pienācīgi pildīt savu katalītisko lomu, plaši veselība noteiktās sekas. Metabolisko slimību slimību grupā ietilpst dažādi traucējumi starpposma darbības vielmaiņas jomā. Šādi traucējumi ir vai nu iedzimti, vai iegūti. Metabolisma slimības ir ļoti atšķirīgas pēc to apjoma un izplatības. Tās klīniski izpaužas arī ļoti neviendabīgā veidā. Viens no šādiem traucējumiem ir plaši izplatīta parastā slimība diabēts mellitus. Tomēr šajā slimību grupā ietilpst arī daudz retākas iedzimtas slimības ar letālu gaitu. Osteopēnija un no tā izrietošā osteoporoze ir attiecināmi arī uz vielmaiņas traucējumiem. Lielākā daļa iedzimto slimību no augstākas metabolisko slimību grupas atbilst dažādu enzīmu ģenētiski noteiktiem enzīmu defektiem. Atkarībā no ietekmētā enzīma, tā katalītiskās funkcijas un reakcijas produkta, fermentu defekti vai fermentu trūkumi, piemēram, var izraisīt orgānu mazspēju. Salīdzinoši reti sastopami un iedzimti vielmaiņas traucējumi ir Gošē slimība. Šajā slimībā iesaistītais ferments ir glikocerebrozidāze vai glikocerebrozidāze. Veselā organismā šis ferments noārda novecojušos šūnu membrānu. uz Gošē slimība, ir šī svarīgā enzīma deficīts. Ja enzīms neuzrāda pietiekamu aktivitāti, notiek membrānas komponentu nogulsnēšanās lizosomās. Gadā ir dokumentētas vairāk nekā 200 fermenta mutācijas Gošē slimība līdz šim. Atlikušās fermentatīvās aktivitātes pakāpe ir atkarīga no kodējošās mutācijas gēns katrā atsevišķā gadījumā. Piemēram, slimība var pilnībā zaudēt fermenta darbību. Tomēr ir iedomājama arī funkcionāli vāja fermentatīvās aktivitātes samazināšanās. Lielākajai daļai slimības pacientu ir izpausmes attiecībā pret iekšējie orgāni kā arī attiecībā uz nervu sistēmas.
