katalizė atitinka aktyvacijos energijos, reikalingos cheminėms ir biologinėms reakcijoms, sumažėjimą. Katalizuojant reikalingą energijos kiekį sumažinti katalizatorių, kuris biologijoje atitinka fermentą. Sergant fermentinėmis ligomis, katalizinės fermentų savybės gali būti sumažintos ar net panaikintos.
Kas yra katalizė?
Fermentai turi specialias užduotis žmogaus kūne. Kiek skiriasi atskirų fermentų funkcija, jie iš esmės visi turi tą pačią užduotį ir turi panašias savybes šiai užduočiai atlikti. Pagrindinis visų fermentų uždavinys yra katalizė. Todėl biochemija sako, kad jie turi katalizinių savybių.
Pažodžiui verčiant, katalizė reiškia „ištirpimą“. Katalizės centre yra aktyvacijos energija. Chemija apibūdina energijos kiekį, būtiną abiejų reakcijos partnerių cheminei reakcijai reakcijos sistemoje. Katalizatoriai naudojami aktyvacijos energijai sumažinti ir tokiu būdu leidžia abiems reagentams reaguoti reakcijos sistemoje net esant mažai energijai. Biologinių reakcijų sistemose fermentai, turintys katalizinių savybių, sumažina tam tikros cheminės reakcijos aktyvacijos energiją ir atitinkamai veikia kaip cheminiai katalizatoriai.
Vykstant katalizei, viena vertus, padidėja sėkmingo reakcijos proceso tikimybė ir, kita vertus, kartais padidėja reakcijos greitis. Cheminės pusiausvyros poslinkis katalizės metu neįvyksta.
Chemija atskiria homogeninę katalizę nuo nevienalytės. Biokatalizė neatitinka nei vienos, nei kitos formos. Tai yra nepriklausoma katalizės forma.
Funkcija ir užduotis
Biokatalizė reiškia cheminių reakcijų kontrolę, įgyvendinimą ar pagreitinimą biologinėje aplinkoje. Fermentai šiame procese veikia kaip biologiniai katalizatoriai. Kiekvieną fermentą didžiąja dalimi sudaro baltymai, kai kurie iš jų yra susiję su kofermentu. Beveik visos gyvų organizmų biocheminės reakcijos turi fermentinį katalizatorių.
Biokatalizė įgyvendinama biotechnologijose naudojant izoliuotus arba gyvus fermentus. Biokatalizės pavyzdį galima rasti alaus daryklose, kur biokatalitiniai procesai įgyvendinami naudojant bakterijas, grybelius ar mieles. Farmacijos pramonė naudoja biokatalizę, kad būtų įgyvendintos neįmanomos reakcijos.
Žmogaus kūne nuolat vyksta katalizė, kurios metu fermentai pagreitina tam tikras reakcijas. Fermentai yra svarbūs, pavyzdžiui, organizmų metabolizmui, ir didžiąja dalimi kontroliuoja biochemines reakcijas metabolizmo procesuose. Pavyzdžiui, jie kontroliuoja virškinimą, bet taip pat dalyvauja DNR transkripcijoje ir replikacijoje polimerazių pavidalu.
Didžioji dalis visų biocheminių reakcijų įvyktų gyvame organizme be fermentų, stebėtinai lėtai. Fermentai pagreitina cheminės pusiausvyros pasiekimą, nieko nekeisdami pusiausvyroje.
Fermentas turi katalizinį aktyvumą, nes jis gali sumažinti aktyvacijos energiją vykstant cheminėms reakcijoms. Ši energija atitinka energijos kiekį, kuris turi būti panaudotas iš anksto, norint sukelti reakciją. Reakcijos metu substratas pasikeičia į energetiškai nepalankias pereinamąsias būsenas. Aktyvacijos energija verčia substratą pereiti į būseną. Katalizinis fermentų poveikis įsiterpia šioje reakcijos vietoje stabilizuodamas substrato pereinamąją būseną nekovalentinės sąveikos būdu. Tokiu būdu substratui paversti pereinamąja būsena reikia žymiai mažiau energijos. Dėl šios priežasties substratas greičiau virsta galutiniu reakcijos produktu. Esant šioms katalizinėms funkcijoms, fermentai yra laikomi kiekvieno biocheminės reakcijos produkto kelią niveliuojančiais elementais.
Ligos ir negalavimai
Jei fermentai mutavo arba nebeatlieka savo katalizinio vaidmens dėl kitų priežasčių, tai sukelia rimtų padarinių sveikatai. Į medžiagų apykaitos ligų grupę įeina įvairūs sutrikimai iš tarpinio metabolizmo srities. Tokie sutrikimai yra įgimti arba įgyti.
Metabolinių ligų apimtis ir plitimas labai skiriasi. Kliniškai jie pasireiškia labai nevienalytiškai. Susijęs sutrikimas yra, pavyzdžiui, paplitusi liga, cukrinis diabetas. Tačiau į šią ligų grupę patenka ir daug retesnių paveldimų ligų, turinčių mirtiną eigą. Osteopenija ir dėl to atsirandanti osteoporozė taip pat gali būti atsekti medžiagų apykaitos ligomis.
Dauguma įgimtų ligų iš superordinarinės medžiagų apykaitos ligų grupės atitinka genetinius įvairių fermentų defektus. Pavyzdžiui, priklausomai nuo fermento, jo katalizinės funkcijos ir reakcijos produkto, fermentiniai defektai ar fermentų trūkumai gali sukelti organų gedimą.
Gošė liga yra palyginti reta ir paveldima metabolinė liga. Šios ligos kontekste paveiktas fermentas yra gliukocerebrosidazė arba gliukocerebrosidazė. Šis fermentas skaido senus sveiko organizmo ląstelių membranos komponentus. Gošė liga turi šio svarbaus fermento trūkumą. Jei fermentas neparodo pakankamo aktyvumo, jis susijęs su membranų komponentų nusėdimu lizosomose. Gaucherio ligos atveju iki šiol buvo užfiksuota daugiau nei 200 fermento mutacijų. Liekamojo fermento aktyvumo laipsnis priklauso nuo koduojančio geno mutacijos kiekvienu konkrečiu atveju. Dėl šios ligos, pavyzdžiui, fermentas gali visiškai sugesti. Tačiau galimas ir funkciškai silpnas fermentinio aktyvumo sumažėjimas. Daugumai pacientų, sergančių šia liga, pasireiškia tiek vidaus organai, tiek nervų sistema.
