katalüüs

katalüüs vastab keemiliste ja bioloogiliste reaktsioonide jaoks vajaliku aktiveerimisenergia vähenemisele. Vajaliku energiakoguse katalüütiline vähendamine on võimalik tänu katalüsaatorile, mis vastab bioloogia ensüümile. Ensümaatiliste haiguste korral saab ensüümide katalüütilisi omadusi vähendada või isegi kaotada.

Mis on katalüüs?

Ensüümidel on inimkehas erilised ülesanded. Nii erinevad kui üksikute ensüümide funktsioonid võivad olla, on neil põhimõtteliselt kõigil sama ülesanne ja neil on selle ülesande täitmiseks sarnased omadused. Kõigi ensüümide peamine ülesanne on katalüüs. Seetõttu väidab biokeemia, et neil on katalüütilised omadused.

Sõna otseses tõlkes tähendab katalüüs "lahustumist". Katalüüsi keskmes on aktiveerimise energia. Sellisena kirjeldab keemia energiakogust, mis on reaktsioonisüsteemis absoluutselt vajalik mõlema reaktsioonipartneri keemiliseks reaktsiooniks. Katalüsaatoreid kasutatakse aktiveerimisenergia vähendamiseks ja seega võimaldavad mõlemad reagendid reageerida reaktsioonisüsteemis isegi madala energiatarbega. Bioloogilistes reaktsioonisüsteemides vähendavad katalüütiliste omadustega ensüümid teatud keemilise reaktsiooni aktiveerimisenergiat ja toimivad vastavalt keemiliste katalüsaatoritena.

Katalüüsi kontekstis suureneb ühelt poolt eduka reaktsiooniprotsessi tõenäosus ja teisest küljest suureneb mõnikord ka reaktsiooni kiirus. Keemilise tasakaalu muutust katalüüsi tingimustes ei toimu.

Keemia eristab homogeenset katalüüsi heterogeensest katalüüsist. Biokatalüüs ei vasta ühele ega teisele vormile. See on iseseisev katalüüsi vorm.

Funktsioon ja ülesanne

Biokatalüüs tähendab keemiliste reaktsioonide juhtimist, rakendamist või kiirendamist bioloogilises keskkonnas. Ensüümid toimivad selles protsessis bioloogiliste katalüsaatoritena. Iga ensüüm koosneb suuresti valkudest, millest mõned on seotud kaasfaktoriga. Peaaegu kõigis elusorganismide biokeemilistes reaktsioonides on ensümaatiline katalüsaator.

Biokatalüüsi rakendatakse biotehnoloogias eraldatud või elusate ensüümide abil. Biokatalüüsi näite võib leida õlletehastest, kus biokatalüütilisi protsesse rakendatakse bakterite, seente või pärmi abil. Ravimitööstus kasutab biokatalüüsi, et saavutada muidu teostamatuid reaktsioone.

Inimese kehas toimub pidevalt katalüüs, mille käigus ensüümid kiirendavad teatud reaktsioone. Ensüümid on olulised näiteks organismide metabolismil ja kontrollivad suures osas metaboolsete protsesside biokeemilisi reaktsioone. Nad kontrollivad näiteks seedimist, kuid osalevad ka DNA transkriptsioonis ja replikatsioonis polümeraaside kujul.

Enamik biokeemilistest reaktsioonidest toimuks ensüümideta elusorganismis ebaoluliselt aeglaselt. Ensüümid kiirendavad keemilise tasakaalu saavutamist, muutmata samas tasakaalus midagi.

Ensüümil on katalüütiline aktiivsus, kuna see võib keemilistes reaktsioonides aktiveerimise energiat alandada. See energia vastab energiahulgale, mida tuleb reaktsiooni käivitamiseks eelnevalt kasutada. Reaktsiooni ajal muutub substraat energeetiliselt ebasoodsateks siirdeseisunditeks. Aktiveerimisenergia sunnib substraadi üleminekuasendisse. Ensüümide katalüütiline toime sekkub reaktsiooni selles punktis, stabiliseerides substraadi ülemineku olekut mittekovalentsete interaktsioonide kaudu. Sel viisil kulub substraadi üleminekuks olekusse oluliselt vähem energiat. Seetõttu muundub substraat kiiremini reaktsiooni lõppsaaduseks. Nende katalüütiliste funktsioonide korral peetakse ensüüme iga biokeemilise reaktsiooni saaduse tee nivelleerivaks elemendiks.

Haigused ja tervisehäired

Kui ensüümid muteeruvad või muul põhjusel ei täida enam oma katalüütilist rolli, on sellel ulatuslikud tagajärjed tervisele. Ainevahetushaiguste haigusrühm hõlmab mitmesuguseid häireid keskmise operatsiooni metabolismi piirkonnast. Sellised häired on kas kaasasündinud või omandatud.

Ainevahetushaiguste ulatus ja levik on väga erinev. Ka kliiniliselt avalduvad nad väga heterogeenselt. Seotud tervisehäireks on näiteks laialt levinud haigus - suhkurtõbi. Sellesse haiguste rühma kuuluvad aga ka palju haruldasemad pärilikud haigused, millel on letaalne kulg. Osteopeenia ja sellest tulenev osteoporoos on leitavad ka metaboolsetest haigustest.

Enamik kaasasündinud haigusi, mis pärinevad metaboolsete haiguste ülemrühmast, vastavad erinevate ensüümide geneetilistele puudustele. Sõltuvalt asjassepuutuvast ensüümist, selle katalüütilisest funktsioonist ja reaktsioonisaadusest, ensüümidefektid või ensüümi puudused võivad näiteks põhjustada elundite tõrkeid.

Gaucheri tõbi on suhteliselt haruldane ja pärilik metaboolne haigus. Selle haiguse kontekstis on mõjutatud ensüüm glükotserebrosidaas või glükotserebrosidaas. See ensüüm lagundab terves organismis rakumembraani vananenud komponente. Gaucheri tõvest on selles olulises ensüümis puudus. Kui ensüüm ei näita piisavat aktiivsust, tuleb membraani komponentide sadestumine lüsosoomidesse. Gaucheri tõve taustal on seni dokumenteeritud enam kui 200 ensüümi mutatsiooni. Ensümaatilise jääkaktiivsuse määr sõltub kodeeriva geeni mutatsioonist konkreetsel juhul. Haigus võib näiteks põhjustada ensüümi täieliku ebaõnnestumise. Siiski on mõeldav ka ensümaatilise aktiivsuse funktsionaalselt nõrk vähenemine. Enamikul haigusega patsientidest ilmnevad nii siseorganite kui ka närvisüsteemi ilmingud.