Il catalisi corrisponde alla riduzione dell'energia di attivazione necessaria per le reazioni chimiche e biologiche. La riduzione catalitica della quantità di energia richiesta è resa possibile da un catalizzatore che in biologia corrisponde a un enzima. Nelle malattie enzimatiche, le proprietà catalitiche degli enzimi possono essere ridotte o addirittura abolite.
Cos'è la catalisi?
Gli enzimi hanno compiti speciali nel corpo umano. Per quanto diverse possano essere le funzioni dei singoli enzimi, fondamentalmente hanno tutti lo stesso compito e hanno proprietà simili per svolgere questo compito. Il compito principale di tutti gli enzimi è la catalisi. Pertanto, la biochimica afferma che hanno proprietà catalitiche.
Tradotto letteralmente, catalisi significa "dissoluzione". Il fulcro della catalisi è l'energia di attivazione. In quanto tale, la chimica descrive la quantità di energia che è assolutamente necessaria in un sistema di reazione per la reazione chimica di entrambi i partner di reazione. I catalizzatori vengono utilizzati per ridurre l'energia di attivazione e quindi consentire a entrambi i reagenti di reagire nel sistema di reazione anche a basse energie. Nei sistemi di reazione biologica, gli enzimi con proprietà catalitiche riducono l'energia di attivazione di una certa reazione chimica e di conseguenza funzionano come catalizzatori chimici.
Nel contesto di una catalisi, da un lato, aumenta la probabilità di un processo di reazione di successo e, dall'altro, la velocità della reazione a volte aumenta. Un cambiamento nell'equilibrio chimico non si verifica nel contesto della catalisi.
La chimica distingue la catalisi omogenea dalla catalisi eterogenea. La biocatalisi non corrisponde né all'una né all'altra forma. È una forma indipendente di catalisi.
Funzione e compito
La biocatalisi corrisponde al controllo, all'attuazione o all'accelerazione delle reazioni chimiche in un ambiente biologico. Gli enzimi agiscono come catalizzatori biologici in questo processo. Ogni enzima è costituito in gran parte da proteine, alcune delle quali sono associate a un cofattore. Quasi tutte le reazioni biochimiche negli organismi viventi hanno un catalizzatore enzimatico.
La biocatalisi è implementata in biotecnologia utilizzando enzimi isolati o vivi. Un esempio di biocatalisi può essere trovato nei birrifici, dove i processi biocatalitici vengono implementati utilizzando batteri, funghi o lievito. L'industria farmaceutica utilizza la biocatalisi per ottenere reazioni altrimenti impraticabili.
Nel corpo umano si verifica costantemente la catalisi, in cui gli enzimi accelerano determinate reazioni. Gli enzimi sono importanti per il metabolismo degli organismi, ad esempio, e controllano ampiamente le reazioni biochimiche nei processi metabolici. Controllano la digestione, ad esempio, ma sono anche coinvolti nella trascrizione e replicazione del DNA sotto forma di polimerasi.
La maggior parte di tutte le reazioni biochimiche si verificherebbe in un organismo vivente senza enzimi a una velocità trascurabile. Gli enzimi accelerano il raggiungimento dell'equilibrio chimico senza modificare nulla nell'equilibrio.
Un enzima ha attività catalitica perché può abbassare l'energia di attivazione nelle reazioni chimiche. Questa energia corrisponde alla quantità di energia che deve essere applicata in anticipo per avviare una reazione. Durante la reazione il substrato cambia in stati di transizione energeticamente sfavorevoli. L'energia di attivazione forza il substrato nel suo stato di transizione. L'effetto catalitico degli enzimi interviene a questo punto nella reazione stabilizzando lo stato di transizione del substrato tramite interazioni non covalenti. In questo modo, è necessaria molta meno energia per convertire un substrato nello stato di transizione. Per questo motivo, il substrato si converte nel prodotto finale della reazione a una velocità maggiore. Con queste funzioni catalitiche, gli enzimi sono considerati gli elementi di livellamento del percorso per ogni prodotto di reazione biochimica.
Malattie e disturbi
Se gli enzimi mutano o non svolgono più adeguatamente il loro ruolo catalitico per altri motivi, le conseguenze sulla salute sono estese. Il gruppo delle malattie metaboliche comprende vari disturbi dell'area del metabolismo operativo intermedio. Tali disturbi sono congeniti o acquisiti.
Le malattie metaboliche variano notevolmente per estensione e diffusione. Anche clinicamente si manifestano in modo molto eterogeneo. Un disturbo correlato è, ad esempio, la diffusa malattia del diabete mellito. Tuttavia, anche malattie ereditarie molto più rare con decorso letale rientrano in questo gruppo di malattie. L'osteopenia e la conseguente osteoporosi possono anche essere ricondotte a malattie metaboliche.
La maggior parte delle malattie congenite del gruppo sovraordinato di malattie metaboliche corrisponde a difetti genetici in vari enzimi. A seconda dell'enzima in questione, la sua funzione catalitica e il suo prodotto di reazione, i difetti enzimatici o le carenze enzimatiche possono, ad esempio, causare guasti agli organi.
La malattia di Gaucher è una malattia metabolica ereditaria relativamente rara. Nel contesto di questa malattia, l'enzima interessato è la glucocerebrosidasi o glucocerebrosidasi. Questo enzima scompone i componenti invecchiati della membrana cellulare in un organismo sano. La malattia di Gaucher è carente di questo importante enzima. Se l'enzima non mostra un'attività sufficiente, si tratta della deposizione di componenti della membrana all'interno dei lisosomi. Finora sono state documentate più di 200 mutazioni dell'enzima nel contesto della malattia di Gaucher. Il grado di attività enzimatica residua dipende dalla mutazione del gene codificante nel singolo caso. La malattia può, ad esempio, causare il completo fallimento dell'enzima. Tuttavia, è anche ipotizzabile una riduzione funzionalmente debole dell'attività enzimatica. La maggior parte dei pazienti con la malattia mostra manifestazioni di entrambi gli organi interni e del sistema nervoso.
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