Kataliza to zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej pod wpływem obecności niewielkiej ilości katalizatora.

Katalizatory to substancje chemiczne, które po dodaniu do układu reakcyjnego przyspieszają (katalizują) reakcję, przy czym się nie zużywają. Należą do nich enzymy.

Kataliza zachodząca z udziałem enzymów jest niezbędna do zachodzenia procesów życiowych.

R1dwDR4i8oHlB1

Zdjęcie przedstawia model trójwymiarowy dehydrogenazy alkoholowej. To białko o charakterystycznej strukturze przestrzennej. Model przedstawia zielone wiązania i czerwone, spiralnie skręcone pierścienie cząsteczkowe. Kierunek wzajemnych wiązań został zaznaczony żółtymi strzałkami. .

Enzymy (inaczej biokatalizatory) to zazwyczaj białka (rzadziej cząsteczki RNA) zdolne do obniżania energii aktywacji, a tym samym przyspieszania przebiegu reakcji chemicznej. Tylko nieliczne z nich są białkami prostymi, zawierającymi w swojej budowie wyłącznie aminokwasy. Większość enzymów to białka złożone.

Związki te charakteryzuje silnie zróżnicowana budowa przestrzenna. Łańcuch polipeptydowy o zdeterminowanej genetycznie sekwencji aminokwasów (strukturze pierwszorzędowej) ulega sfałdowaniu, przybierając unikatową strukturę drugo- i trzeciorzędową. Uporządkowana i charakterystyczna dla danego enzymu budowa przestrzenna (konformacjakonformacjakonformacja) określa rodzaj katalizowanej reakcji chemicznej oraz jej regulację.

Więcej informacji na ten temat znajdziesz w e‑materiale Budowa, działanie i funkcje enzymów.

Enzym łączy się z substratemsubstratsubstratem zgodnie z modelem indukcyjnego dopasowania. W momencie zbliżania się substratu do enzymu następuje zmiana kształtu centrum aktywnegocentrum aktywnecentrum aktywnego, które dopasowuje się do cząsteczki substratu. Dochodzi do przemieszczenia grup funkcyjnych aminokwasów centrum aktywnego w pozycje, w których ich zdolność katalizowania reakcji jest zwiększona. Elastyczność centrum aktywnego pociąga za sobą zmianę konformacji całej cząsteczki enzymu.

Każdy substrat dąży do osiągnięcia stanu, w którym poziom energii swobodnejenergia swobodnaenergii swobodnej cząsteczki będzie jak najniższy. Przeprowadzenie reakcji chemicznej wiąże się z koniecznością aktywacji substratów, czyli dostarczenia cząsteczkom energii – tzw. energii aktywacjienergia aktywacjienergii aktywacji. Dochodzi wówczas do powstania krótkotrwałego stanu przejściowego, w którym reagujące cząsteczki substratów mają wysoki poziom energii swobodnej. W tym nietrwałym stanie przejściowym następuje przekształcenie substratów i powstanie produktówproduktproduktów reakcji.

Energia aktywacji może być dostarczana substratom np. w postaci ciepła – przez podgrzanie środowiska reakcji. Jednak układy biologiczne, takie jak komórki organizmu człowieka, funkcjonują we względnie niskiej temperaturze. Przyspieszenie reakcji chemicznej zachodzącej na terenie komórki poprzez podniesienie temperatury środowiska reakcji jest niemożliwe – doprowadziłoby to do denaturacji białek strukturalnych i w konsekwencji do śmierci organizmu.

Mechanizm działania enzymów opiera się na obniżeniu progu energii aktywacji katalizowanej reakcji, dzięki czemu substraty biorące w niej udział mogą osiągnąć stan przejściowy, a następnie przekształcić się w produkt w temperaturze, która jest optymalna dla organizmu. W obecności enzymów katalizowana reakcja chemiczna może przebiegać od 10Indeks górny 6⁶ do 10Indeks górny 12¹² razy szybciej.

Szybkość procesu enzymatycznego zależy od następujących czynników:

• łatwość tworzenia kompleksu enzymu z substratem (powinowactwo enzymu do substratu);

• stężenie enzymu i substratu;

• temperatura;

• stężenie jonów wodorowych;

• obecność enzymatycznych aktywatorówenzymatyczne aktywatoryenzymatycznych aktywatorów oraz enzymatycznych inhibitorówenzymatyczne inhibitoryenzymatycznych inhibitorów.

Więcej informacji na ten temat znajdziesz w e‑materiale Czynniki wpływające na aktywność enzymów.

Enzymy wykazują swoistość substratową. Niektóre reagują tylko z jednym związkiem (np. dehydrogenaza mleczanowa działa tylko na L‑mleczan, nie utlenia D‑mleczanu), inne są mniej swoiste i działają na określoną grupę związków (np. fosfataza jest swoista wobec substratów mających wiązania estrowe). Swoistość enzymu zależy od budowy substratu. Substrat musi zawierać wiązanie, na które działa dany enzym, oraz grupę funkcyjną (lub grupy funkcyjne) umożliwiającą odpowiednie połączenie się enzymu z substratem i zapoczątkowanie katalizowanej reakcji.

Dodatkowo enzymy wykazują swoistość względem katalizowanej reakcji (tzw. specyficzność kierunkową) – określony enzym katalizuje na ogół pojedynczą reakcję (np. oksydaza cytochromowa, która katalizuje redukcję tlenu cząsteczkowego) lub grupę podobnych przemian chemicznych (np. glukozo‑6-fosforan, który może ulegać różnym przemianom, takim jak: utlenienie, izomeryzacja lub mutarotacja).

Słownik