Katalyse komt overeen met het verlagen van de activeringsenergie die nodig is voor chemische en biologische reacties. Katalytische verlaging van de benodigde hoeveelheid energie wordt mogelijk gemaakt door een katalysator, die in de biologie overeenkomt met een enzym. Bij enzymatische ziekten zijn de katalytische eigenschappen van enzymen kan worden verminderd of zelfs afgeschaft.
Wat is katalyse?
Katalytische reductie van de benodigde hoeveelheid energie wordt mogelijk gemaakt door een katalysator, die in de biologie overeenkomt met een enzym. Figuur toont lintmodel van een lipase. Enzymen hebben specifieke rollen in het menselijk lichaam. Net zo verschillend als de functie van het individu enzymen lijkt misschien, ze hebben in principe allemaal dezelfde taak en brengen vergelijkbare eigenschappen met zich mee om deze taak te vervullen. De belangrijkste taak van alle enzymen is katalyse. Dit is de reden waarom de biochemie er katalytische eigenschappen aan toekent. Letterlijk vertaald betekent katalyse "ontbinding". Bij de hart- van katalyse is de activeringsenergie. Als zodanig verwijst chemie naar de hoeveelheid energie die absoluut nodig is in een reactiesysteem voor de chemische reactie van beide reactiepartners. Katalysatoren worden gebruikt om de activeringsenergie te verminderen en zo beide reactiepartners zelfs bij lage energieën een reactie in het reactiesysteem te laten ondergaan. In biologische reactiesystemen verlagen enzymen met katalytische eigenschappen dus de activeringsenergie van een bepaalde chemische reactie en werken ze dienovereenkomstig als chemische katalysatoren. In de context van katalyse neemt enerzijds de kans op een succesvol reactieproces toe en anderzijds neemt de reactiesnelheid soms ook toe. Een verschuiving in het chemisch evenwicht treedt niet op tijdens de katalyse. Chemie onderscheidt homogene katalyse van heterogene katalyse. Biokatalyse komt niet overeen met de ene of de andere vorm. Het is een onafhankelijke vorm van katalyse.
Functie en taak
Biokatalyse komt overeen met de begeleiding, conversie of versnelling van chemische reacties in de biologische omgeving. Enzymen fungeren als biologische katalysatoren in dit proces. Elk enzym is grotendeels samengesteld uit eiwitten, waarvan sommige zijn geassocieerd met een cofactor. Bijna alle biochemische reacties in levende organismen hebben een enzymatische katalysator. Biokatalyse wordt in de biotechnologie geïmplementeerd door middel van geïsoleerde of levende enzymen. Een voorbeeld van biokatalyse is te vinden in bierbrouwerijen, waar biokatalytische processen worden geïmplementeerd met behulp van bacteriën, schimmels of gisten. De farmaceutische industrie gebruikt biokatalyse om anderszins onpraktische reacties te realiseren. In het menselijk lichaam vinden constant katalysatoren plaats waarbij enzymen bepaalde reacties versnellen. Enzymen zijn bijvoorbeeld relevant voor het metabolisme van organismen en sturen biochemische reacties in metabolische processen grotendeels aan. Ze regelen bijvoorbeeld de spijsvertering, maar zijn ook betrokken bij de transcriptie en replicatie van DNA in de vorm van polymerasen. Het merendeel van alle biochemische reacties zou met verwaarloosbaar lage snelheden plaatsvinden in een levend organisme zonder enzymen. Enzymen versnellen het bereiken van chemisch evenwicht zonder iets aan het evenwicht te veranderen. Een enzym heeft katalytische activiteit omdat het de activeringsenergie bij chemische reacties kan verlagen. Deze energie komt overeen met de hoeveelheid energie die vooraf moet worden toegepast om een reactie op gang te brengen. Tijdens de reactie verandert het substraat in energetisch ongunstige overgangstoestanden. De activeringsenergie dwingt het substraat in zijn overgangstoestand. De katalytische werking van enzymen grijpt op dit punt in de reactie in door de overgangstoestand van het substraat te stabiliseren via niet-covalente interacties Op deze manier is aanzienlijk minder energie nodig om een substraat om te zetten naar de overgangstoestand. Om deze reden wordt het substraat met een hogere snelheid omgezet in het eindproduct van de reactie. Met deze katalytische functies worden enzymen beschouwd als de gevende elementen voor elk biochemisch reactieproduct.
Ziekten en aandoeningen
Wanneer enzymen muteren of hun katalytische rol om andere redenen niet adequaat vervullen, uitgebreid volksgezondheid De ziektegroep van stofwisselingsziekten omvat verschillende aandoeningen op het gebied van het intermediaire werkende metabolisme. Dergelijke aandoeningen zijn ofwel aangeboren of verworven. Stofwisselingsziekten lopen sterk uiteen in omvang en prevalentie. Ze manifesteren zich ook klinisch op een zeer heterogene manier. Een van die aandoeningen is de wijdverspreide veel voorkomende ziekte suikerziekte mellitus. Tot deze groep ziekten behoren echter ook veel zeldzamere erfelijke ziekten met een dodelijk verloop. Osteopenie en de daaruit voortvloeiende osteoporose zijn ook toe te schrijven aan stofwisselingsstoornissen. De meeste aangeboren ziekten uit de bovenliggende groep van stofwisselingsziekten komen overeen met genetisch bepaalde enzymdefecten van verschillende enzymen. Afhankelijk van het aangetaste enzym, zijn katalytische functie en zijn reactieproduct, kunnen enzymatische defecten of enzymdeficiënties er bijvoorbeeld voor zorgen dat organen falen. Een relatief zeldzame en aangeboren stofwisselingsziekte is de ziekte van Gaucher. Het enzym dat bij deze ziekte betrokken is, is glucocerebrosidase of glucocerebrosidase. In een gezond organisme breekt dit enzym verouderde componenten van de celmembraan. in Ziekte van Gaucher, is er een tekort aan dit belangrijke enzym. Als het enzym niet voldoende activiteit vertoont, vindt afzetting van membraancomponenten in de lysosomen plaats. Er zijn meer dan 200 mutaties van het enzym gedocumenteerd Ziekte van Gaucher tot op heden. De mate van resterende enzymatische activiteit hangt af van de mutatie van de codering gen in elk afzonderlijk geval. De ziekte kan bijvoorbeeld een volledig functieverlies van het enzym veroorzaken. Een functioneel zwakke vermindering van enzymatische activiteit is echter ook denkbaar. De meeste patiënten van de ziekte vertonen manifestaties met betrekking tot de interne organen evenals met betrekking tot de zenuwstelsel.
