Was ist katalytische Aktivität?
Die katalytische Aktivität ist die Steigerung der Geschwindigkeit und Energie einer chemischen Reaktion durch eine Substanz, die sich in der Reaktion selbst nicht ändert. In biologischen Systemen wird es von Enzymen ausgeführt, die für normale Lebensprozesse unerlässlich sind. Durch die Verringerung der zur Initiierung einer Reaktion erforderlichen Energie erhöhen enzymatische Pfade die Geschwindigkeit, mit der Zellen wesentliche chemische Funktionen ausführen. Die Katalyse wird durch regulierende Enzyme gesteuert. Einige davon betreffen Änderungen der Enzymstruktur, während andere die zelluläre Umgebung verändern, in der die katalytische Aktivität stattfindet.
In der allgemeinen Chemie ist katalytische Aktivität oder Katalyse jede Änderung - Zunahme oder Abnahme - der Reaktionsgeschwindigkeit durch ein Mittel, das durch den Prozess nicht chemisch verändert wird. In der Industrie kann dies eine beliebige Anzahl von Wirkstoffen bedeuten, die zur Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit und -ausbeute verwendet werden. In der Biochemie bezieht sich die katalytische Aktivität jedoch auf die Arbeit von Enzymen, den Proteinen, die in allen Organismen vorkommen, die die meisten Zellfunktionen, einschließlich des Stoffwechsels, vermitteln. Nur wenige biologische Prozesse würden mit einer Geschwindigkeit ablaufen, die ausreicht, um Leben ohne enzymatische Katalyse zu erhalten.
Einige Reaktionen würden ohne die katalytische Aktivität von Enzymen überhaupt nicht ablaufen. Normalerweise haben viele Moleküle eine Energiebarriere, um miteinander zu reagieren. Diese als Aktivierungsenergie bezeichnete Grenze muss überschritten werden, damit chemische Reaktionen ablaufen können.
In einigen Fällen bedeutet ein hoher Schwellenwert für die Aktivierungsenergie, dass die Reaktanten wahrscheinlich nicht oder nur langsam von selbst reagieren. Wenn Enzyme vorübergehend an einen oder mehrere Reaktanten binden, wird die erforderliche Aktivierungsenergie verringert und die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt. Enzyme können auch die Aktivierung anderer Enzyme hemmen und den Prozess verlangsamen.
Enzymatische Aktivität führt häufig zu mehrstufigen biochemischen Reaktionen, die jeweils auf einem anderen Katalysator beruhen und vom Produkt des vorherigen Schritts abhängen. Physikalisch findet die katalytische Aktivität vieler verschiedener Enzyme in derselben Zellorganelle statt, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt wird. Änderungen des pH-Werts und der Temperatur können bis zu einem gewissen Punkt synergetisch wirken, um die Geschwindigkeit der Katalyse zu erhöhen. Temperaturen jenseits eines bestimmten Bereichs können die Struktur der Proteine eines Enzyms schädigen und dessen Aktivität beeinträchtigen.
In biologischen Systemen wird die katalytische Aktivität durch verschiedene Mechanismen reguliert. Enzyme werden normalerweise aus inaktiven Vorläuferproteinen hergestellt und diese werden nur durch die Einwirkung eines anderen Enzyms oder einer Umweltveränderung, wie Bewegung von der Innenseite der Zelle nach außen, aktiv. Die Rückkopplungshemmung verringert die Katalyse, wenn sich das Produkt eines oder mehrerer enzymatischer Pfade in der Zelle ansammelt und die weitere Freisetzung oder Herstellung des Enzyms blockiert, das die anfängliche Reaktion katalysiert. In ähnlicher Weise erhöhen verringerte Mengen der Reaktionsprodukte die Produktion des Enzyms.