κατάλυση

ο κατάλυση αντιστοιχεί στη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης που απαιτείται για χημικές και βιολογικές αντιδράσεις. Η καταλυτική μείωση της απαιτούμενης ποσότητας ενέργειας καθίσταται δυνατή από έναν καταλύτη που αντιστοιχεί σε ένα ένζυμο στη βιολογία. Σε ενζυματικές ασθένειες, οι καταλυτικές ιδιότητες των ενζύμων μπορούν να μειωθούν ή ακόμη και να καταργηθούν.

Τι είναι η κατάλυση;

Τα ένζυμα έχουν ειδικές εργασίες στο ανθρώπινο σώμα. Όσο διαφορετική είναι και η λειτουργία των μεμονωμένων ενζύμων, βασικά όλοι έχουν την ίδια εργασία και έχουν παρόμοιες ιδιότητες για την εκπλήρωση αυτής της εργασίας. Ο κύριος στόχος όλων των ενζύμων είναι η κατάλυση. Ως εκ τούτου, η βιοχημεία λέει ότι έχουν καταλυτικές ιδιότητες.

Κυριολεκτικά μεταφρασμένη, η κατάλυση σημαίνει "διάλυση". Το επίκεντρο της κατάλυσης είναι η ενέργεια ενεργοποίησης. Ως τέτοια, η χημεία περιγράφει την ποσότητα ενέργειας που είναι απολύτως απαραίτητη σε ένα σύστημα αντίδρασης για τη χημική αντίδραση και των δύο συνεργατών αντίδρασης. Οι καταλύτες χρησιμοποιούνται για τη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης και έτσι επιτρέπουν και στα δύο αντιδραστήρια να αντιδρούν στο σύστημα αντίδρασης ακόμη και σε χαμηλές ενέργειες. Στα συστήματα βιολογικής αντίδρασης, τα ένζυμα με καταλυτικές ιδιότητες μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης μιας συγκεκριμένης χημικής αντίδρασης και κατά συνέπεια λειτουργούν ως χημικοί καταλύτες.

Στο πλαίσιο μιας κατάλυσης, αφενός, αυξάνεται η πιθανότητα επιτυχούς διαδικασίας αντίδρασης και, αφετέρου, η ταχύτητα της αντίδρασης μερικές φορές αυξάνεται. Δεν υπάρχει αλλαγή στη χημική ισορροπία στο πλαίσιο της κατάλυσης.

Η χημεία διακρίνει την ομοιογενή κατάλυση από την ετερογενή κατάλυση. Η βιοκατάλυση δεν αντιστοιχεί ούτε στη μία ούτε στην άλλη μορφή. Είναι μια ανεξάρτητη μορφή κατάλυσης.

Λειτουργία & εργασία

Η βιοκατάλυση αντιστοιχεί στον έλεγχο, την εφαρμογή ή την επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων σε ένα βιολογικό περιβάλλον. Τα ένζυμα δρουν ως βιολογικοί καταλύτες σε αυτήν τη διαδικασία. Κάθε ένζυμο αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από πρωτεΐνες, μερικές από τις οποίες σχετίζονται με έναν συν-παράγοντα. Σχεδόν όλες οι βιοχημικές αντιδράσεις σε ζώντες οργανισμούς έχουν έναν ενζυματικό καταλύτη.

Η βιοκατάλυση εφαρμόζεται στη βιοτεχνολογία χρησιμοποιώντας απομονωμένα ή ζωντανά ένζυμα. Ένα παράδειγμα βιοκατάλυσης μπορεί να βρεθεί σε ζυθοποιίες μπύρας, όπου οι βιοκαταλυτικές διεργασίες εφαρμόζονται χρησιμοποιώντας βακτήρια, μύκητες ή ζύμες. Η φαρμακευτική βιομηχανία χρησιμοποιεί βιοκατάλυση για να επιτύχει αλλιώς ανέφικτες αντιδράσεις.

Στο ανθρώπινο σώμα, πραγματοποιείται συνεχώς κατάλυση, στην οποία τα ένζυμα επιταχύνουν ορισμένες αντιδράσεις. Τα ένζυμα είναι σχετικά για το μεταβολισμό των οργανισμών, για παράδειγμα, και ελέγχουν σε μεγάλο βαθμό τις βιοχημικές αντιδράσεις στις μεταβολικές διεργασίες. Ελέγχουν την πέψη, για παράδειγμα, αλλά εμπλέκονται επίσης στη μεταγραφή και την αντιγραφή του DNA με τη μορφή πολυμεράσης.

Η πλειονότητα όλων των βιοχημικών αντιδράσεων θα εμφανιζόταν σε έναν ζωντανό οργανισμό χωρίς ένζυμα με αμελητέα αργό ρυθμό. Τα ένζυμα επιταχύνουν την επίτευξη χημικής ισορροπίας χωρίς να αλλάζουν τίποτα στην ισορροπία.

Ένα ένζυμο έχει καταλυτική δράση επειδή μπορεί να μειώσει την ενέργεια ενεργοποίησης σε χημικές αντιδράσεις. Αυτή η ενέργεια αντιστοιχεί στην ποσότητα ενέργειας που πρέπει να εφαρμοστεί εκ των προτέρων για να ξεκινήσει μια αντίδραση. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης το υπόστρωμα αλλάζει σε ενεργειακά δυσμενείς καταστάσεις μετάβασης. Η ενέργεια ενεργοποίησης αναγκάζει το υπόστρωμα στη μεταβατική του κατάσταση. Η καταλυτική επίδραση των ενζύμων παρεμβαίνει σε αυτό το σημείο της αντίδρασης σταθεροποιώντας την κατάσταση μετάβασης του υποστρώματος μέσω μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. Με αυτόν τον τρόπο, απαιτείται σημαντικά λιγότερη ενέργεια για τη μετατροπή ενός υποστρώματος σε κατάσταση μετάβασης. Εξαιτίας αυτού, το υπόστρωμα μετατρέπεται στο τελικό προϊόν της αντίδρασης με ταχύτερο ρυθμό. Με αυτές τις καταλυτικές λειτουργίες, τα ένζυμα θεωρούνται τα στοιχεία ισοπέδωσης πορείας για κάθε προϊόν βιοχημικής αντίδρασης.

Ασθένειες και παθήσεις

Εάν τα ένζυμα μεταλλάσσονται ή δεν εκτελούν πλέον τον καταλυτικό τους ρόλο επαρκώς για άλλους λόγους, υπάρχουν εκτεταμένες συνέπειες στην υγεία. Η ομάδα ασθενειών των μεταβολικών ασθενειών περιλαμβάνει διάφορες διαταραχές από την περιοχή του ενδιάμεσου λειτουργικού μεταβολισμού. Τέτοιες διαταραχές είναι είτε συγγενείς είτε επίκτητες.

Οι μεταβολικές ασθένειες ποικίλλουν σημαντικά στην έκταση και την εξάπλωσή τους. Κλινικά, επίσης, εκδηλώνονται πολύ ετερογενώς. Μια σχετική διαταραχή είναι, για παράδειγμα, ο διαδεδομένος σακχαρώδης διαβήτης. Ωστόσο, πολύ σπανιότερες κληρονομικές ασθένειες με θανατηφόρο πορεία εμπίπτουν επίσης σε αυτήν την ομάδα ασθενειών. Η οστεοπενία και η προκύπτουσα οστεοπόρωση μπορούν επίσης να εντοπιστούν σε μεταβολικές ασθένειες.

Οι περισσότερες από τις συγγενείς ασθένειες από την υπερκείμενη ομάδα μεταβολικών ασθενειών αντιστοιχούν σε γενετικά ελαττώματα σε διάφορα ένζυμα. Ανάλογα με το σχετικό ένζυμο, η καταλυτική του λειτουργία και το προϊόν αντίδρασης, τα ενζυματικά ελαττώματα ή οι ανεπάρκειες των ενζύμων μπορούν, για παράδειγμα, να προκαλέσουν αστοχία των οργάνων.

Η νόσος του Gaucher είναι μια σχετικά σπάνια και κληρονομική μεταβολική ασθένεια. Στο πλαίσιο αυτής της ασθένειας, το προσβεβλημένο ένζυμο είναι η γλυκοκερεβροσιδάση ή η γλυκοκερεβροσιδάση. Αυτό το ένζυμο διασπά τα παλαιωμένα συστατικά της κυτταρικής μεμβράνης σε έναν υγιή οργανισμό. Η νόσος του Gaucher είναι ανεπαρκής σε αυτό το σημαντικό ένζυμο. Εάν το ένζυμο δεν εμφανίζει επαρκή δραστικότητα, πρόκειται για την εναπόθεση συστατικών μεμβράνης εντός των λυσοσωμάτων. Περισσότερες από 200 μεταλλάξεις του ενζύμου έχουν μέχρι στιγμής τεκμηριωθεί στο πλαίσιο της νόσου του Gaucher. Ο βαθμός της υπολειμματικής ενζυματικής δραστηριότητας εξαρτάται από τη μετάλλαξη του κωδικοποιητικού γονιδίου σε κάθε περίπτωση. Η ασθένεια μπορεί, για παράδειγμα, να προκαλέσει την αποτυχία του ενζύμου. Ωστόσο, μια λειτουργικά ασθενής μείωση της ενζυματικής δραστηριότητας είναι επίσης πιθανή. Οι περισσότεροι ασθενείς με την ασθένεια παρουσιάζουν εκδηλώσεις τόσο των εσωτερικών οργάνων όσο και του νευρικού συστήματος.