katalyysi vastaa kemiallisiin ja biologisiin reaktioihin tarvittavan aktivointienergian vähennystä. Katalyyttinen vähentäminen tarvittavassa energiamäärässä on mahdollista katalyytillä, joka vastaa biologian entsyymiä. Entsymaattisissa sairauksissa entsyymien katalyyttiset ominaisuudet voidaan vähentää tai jopa poistaa.
Mikä on katalyysi?
Entsyymeillä on erityisiä tehtäviä ihmiskehossa. Niin erilaisia kuin yksittäisten entsyymien toiminta voi olla, niillä on käytännössä kaikilla sama tehtävä ja niillä on samanlaiset ominaisuudet tämän tehtävän suorittamiseksi. Kaikkien entsyymien päätehtävä on katalyysi. Siksi biokemia sanoo, että niillä on katalyyttisiä ominaisuuksia.
Kirjaimellisesti käännettynä katalyysi tarkoittaa "liukenemista". Katalyytin painopiste on aktivointienergiassa. Sellaisena kemia kuvaa energian määrää, joka on ehdottoman välttämätöntä reaktiojärjestelmässä molempien reaktiopartnerien kemialliseen reaktioon. Katalyyttejä käytetään vähentämään aktivointienergiaa ja antamaan siten molemmille reagensseille mahdollisuuden reagoida reaktiojärjestelmässä jopa alhaisilla energialähteillä. Biologisissa reaktiojärjestelmissä entsyymit, joilla on katalyyttisiä ominaisuuksia, vähentävät tietyn kemiallisen reaktion aktivointienergiaa ja toimivat vastaavasti kemiallisina katalyytteinä.
Katalyytin yhteydessä toisaalta onnistuneen reaktion todennäköisyys kasvaa ja toisaalta reaktion nopeus kasvaa toisinaan. Kemiallisen tasapainon muutosta ei tapahdu katalyytin yhteydessä.
Kemia erottaa homogeenisen katalyytin heterogeenisestä katalysistä. Biokatalyysi ei vastaa yhtä tai toista muotoa. Se on katalyytin itsenäinen muoto.
Toiminto ja tehtävä
Biokatalyysi vastaa kemiallisten reaktioiden hallintaa, toteutusta tai kiihdytystä biologisessa ympäristössä. Entsyymit toimivat biologisina katalyytteinä tässä prosessissa. Jokainen entsyymi koostuu suurelta osin proteiineista, joista osa on liitetty rinnakkaistekijään. Lähes kaikissa elävien organismien biokemiallisissa reaktioissa on entsymaattinen katalyytti.
Biokatalyysi toteutetaan biotekniikassa käyttämällä eristettyjä tai eläviä entsyymejä. Esimerkki biokatalysoinnista löytyy olutpanimoista, joissa biokatalyyttiset prosessit toteutetaan bakteereita, sieniä tai hiivaa käyttämällä. Lääketeollisuus käyttää biokatalyysiä saavuttaakseen muuten epäkäytännöllisiä reaktioita.
Ihmiskehossa tapahtuu jatkuvasti katalyysi, jossa entsyymit kiihdyttävät tiettyjä reaktioita. Entsyymit ovat merkityksellisiä esimerkiksi organismien aineenvaihdunnassa ja hallitsevat suurelta osin biokemiallisia reaktioita metabolisissa prosesseissa. Ne säätelevät esimerkiksi ruuansulatusta, mutta osallistuvat myös DNA: n transkriptioon ja replikaatioon polymeraasien muodossa.
Suurin osa kaikista biokemiallisista reaktioista tapahtuisi elävässä organismissa ilman entsyymejä merkityksettömästi hitaasti. Entsyymit nopeuttavat kemiallisen tasapainon saavuttamista muuttamatta mitään tasapainossa.
Entsyymillä on katalyyttinen aktiivisuus, koska se voi alentaa aktivointienergiaa kemiallisissa reaktioissa. Tämä energia vastaa määrää energiaa, joka on käytettävä etukäteen reaktion käynnistämiseksi. Reaktion aikana substraatti muuttuu energisesti epäsuotuisiksi siirtymätiloiksi. Aktivointienergia pakottaa substraatin siirtymätilaansa. Entsyymien katalyyttinen vaikutus puuttuu tässä vaiheessa reaktioon stabiloimalla substraatin siirtymätila ei-kovalenttisten vuorovaikutusten kautta. Tällä tavalla substraatin muuttamiseksi siirtymätilaan tarvitaan huomattavasti vähemmän energiaa. Tämän vuoksi substraatti muuttuu reaktion lopputuotteeksi nopeammin. Näillä katalyyttisillä toiminnoilla entsyymejä pidetään polun tasoituselementeinä jokaiselle biokemialliselle reaktiotuotteelle.
Sairaudet ja vaivat
Jos entsyymit muuntuvat tai eivät enää suorita katalyyttistä rooliaan muista syistä, sillä on laajoja terveysvaikutuksia. Metabolisten sairauksien tautiryhmä sisältää erilaisia häiriöitä operatiivisen väliaikaisen metabolian alueelta. Tällaiset häiriöt ovat joko synnynnäisiä tai hankittuja.
Metabolisten sairauksien laajuus ja leviäminen vaihtelevat suuresti. Myös kliinisesti ne ilmenevät hyvin heterogeenisesti. Aiheeseen liittyvä häiriö on esimerkiksi laajalle levinnyt sairaus diabetes mellitus. Tähän sairauksien ryhmään kuuluvat kuitenkin myös paljon harvemmat perinnölliset sairaudet, joilla on tappava kulku. Osteopenia ja siitä johtuva osteoporoosi voidaan myös jäljittää metabolisiin sairauksiin.
Suurin osa synnynnäisistä sairauksista metabolisen sairauksien ylemmän tason ryhmästä vastaa eri entsyymien geneettisiä puutteita. Kyseisestä entsyymistä, sen katalyyttisestä toiminnasta ja reaktiotuotteesta riippuen, entsymaattiset viat tai entsyymipuutokset voivat esimerkiksi aiheuttaa elinten vajaatoiminnan.
Gaucherin tauti on suhteellisen harvinainen ja perinnöllinen metabolinen sairaus. Tämän taudin yhteydessä sairastunut entsyymi on glukoserebrosidaasi tai glukoserebrosidaasi. Tämä entsyymi hajottaa terveen organismin solukalvon vanhat komponentit. Gaucherin taudissa puuttuu tämä tärkeä entsyymi. Jos entsyymi ei osoita riittävää aktiivisuutta, se liittyy membraanikomponenttien laskeutumiseen lysosomeihin. Yli 200 entsyymin mutaatiota on toistaiseksi dokumentoitu Gaucherin taudin yhteydessä. Jäännösentsymaattisen aktiivisuuden aste riippuu koodaavan geenin mutaatiosta yksittäisessä tapauksessa. Tauti voi esimerkiksi aiheuttaa entsyymin täydellisen epäonnistumisen. Entsymaattisen aktiivisuuden funktionaalisesti heikko vähentyminen on kuitenkin myös mahdollista. Useimmilla potilailla, joilla on tauti, ilmenee sekä sisäelimiä että hermostoa.
