Az emberi testet okkal nevezik biokémiai gyárnak. Hiszen percenként ezer, tíz és százezer oxidációs, hasadási, redukciós és egyéb reakció megy végbe benne. Mi teszi lehetővé, hogy ilyen óriási sebességgel áramoljanak, és minden sejtet energiával, tápanyaggal és oxigénnel látnak el?
A katalizátorok fogalma
Mind a szervetlen, mind a szerves kémiában széles körben használnak olyan speciális anyagokat, amelyek több ezerszeres, néha milliószoros gyorsításra képesek a kémiai reakciókat. Ezeknek a vegyületeknek a neve "katalizátor". A szervetlen kémiában ezek fém-oxidok, platina, ezüst, nikkel és mások.
Fő tevékenységük ideiglenes komplexek kialakítása a reakció résztvevőivel, az aktiválási energia csökkentésével a folyamat többszörösen gyorsabban megy végbe. Ezt követően a komplex lebomlik, és a katalizátor ugyanolyan mennyiségi és minőségi összetételben távolítható el a gömbből, mint a folyamat megkezdése előtt.
Kétféle katalitikus reakció létezik:
- homogén - gyorsító és résztvevők egybenösszesített állapot;
- heterogén - gyorsító és résztvevők különböző állapotokban, van fázishatár.
Ezen kívül vannak olyan vegyületek, amelyek hatásukban ellentétesek – inhibitorok. Céljuk a szükséges reakciók lelassítása. Így például lehetővé teszik a korrózióképződés időtartamának csökkentését.
A biológiai katalizátorok eredendően különböznek a szervetlenektől, és tulajdonságaik némileg specifikusak. Ezért a katalízis az élő rendszerekben eltérő.
Enzimek – mi ez?
Bebizonyosodott, hogy ha a jelzett folyamatokat felgyorsító speciális anyagok hatását nem az élő rendszerekben hajtanák végre, akkor egy közönséges alma a gyomorban körülbelül két napig emészthető lenne. Ennyi ideig beindulnak a bomlási folyamatok és a bomlástermékekkel való mérgezés. Ez azonban nem történik meg, és a gyümölcs másfél óra alatt teljesen feldolgozódik. Ezt biológiai katalizátorok végzik, amelyek nagy mennyiségben vannak jelen az egyes szervezetek összetételében. De mik ezek, és mi az alapja egy ilyen akciónak?
A fehérjetermészetű biológiai katalizátorok az enzimek. Alapjuk egy összetett szerkezeti szervezet, amely számos sajátos tulajdonsággal rendelkezik. Egyszerűen fogalmazva, ezek olyan egyedi fehérjék, amelyek csökkenthetik az élő szervezetekben zajló folyamatok aktiválási energiáját, és azokat a szokásos értékeket több milliószoros sebességgel hajtják végre.
Sok példa van ilyen molekulákra:
- kataláz;
- amiláz;
- oxireduktáz;
- glükóz-oxidáz;
- lipáz;
- invertase;
- lizozim;
- proteáz és mások.
Így levonhatjuk a következtetést: az enzimek fehérje természetű biológiai katalizátorok, amelyek erős gyorsítóként működnek, lehetővé téve az élő szervezetekben folyamatok ezrei nagyon nagy sebességű végrehajtását. Az emésztés, az oxidáció, a helyreállítás ezek hatásán alapul.
A szervetlen és fehérje katalizátorok hasonlóságai
Az enzimek biológiai katalizátorként számos, a szervetlenekhez hasonló tulajdonsággal rendelkeznek. Ide tartoznak a következők:
- Csak a termodinamikailag lehetséges reakciókat gyorsítsa fel.
- Ne befolyásolja a kémiai egyensúly eltolódását az egyensúlyi rendszerekben, hanem egyformán gyorsítsa fel az előre és a fordított folyamatokat.
- Ennek eredményeként csak termékek maradnak a reakciószférában, a katalizátor nincs köztük.
A hasonlóságok mellett azonban az enzimeknek sajátos jellemzői is vannak.
Természet szerinti különbségek
A biológiai katalizátoroknak számos sajátos tulajdonsága van:
- Magas fokú szelektivitás. Vagyis egy fehérje csak egy bizonyos reakciót vagy hasonlók csoportját képes aktiválni. Leggyakrabban az "enzim - egy folyamat szubsztrátja" séma működik.
- Rendkívül magas fokú aktivitás, mivel bizonyos típusú fehérjék milliószorosára képesek felgyorsítani a reakciókat.
- Az enzimek nagymértékben függenek akörnyezeti feltételektől. Csak egy bizonyos hőmérsékleti tartományban aktívak. A közeg pH-ja is erősen befolyásolja. Van egy görbe, amely az egyes enzimek minimális, maximális és optimális értékét mutatja.
- Léteznek speciális vegyületek, az úgynevezett effektorok, amelyek gátolhatják a biológiai katalizátorok természetét, vagy éppen ellenkezőleg, pozitív hatást gyakorolhatnak rájuk.
- A szubsztrátnak, amelyen az enzim működik, szigorúan specifikusnak kell lennie. Van egy elmélet, a kulcs és a zár. Leírja az enzim hatásmechanizmusát a szubsztrátumon. A katalizátor, mint egy kulcs, beágyazódik a hordozóba az aktív helyével, és a reakció megindul.
- A folyamat után az enzim részben vagy teljesen megsemmisül.
Így nyilvánvaló, hogy a fehérjekatalizátorok jelentősége rendkívül nagy az élő szervezetek számára. Tevékenységükre azonban bizonyos szabályok vonatkoznak, és a környezeti feltételek korlátozzák.
Katalízis tanulás az iskolában
Az iskolai tanterv részeként a katalizátorokat kémiából és biológiából egyaránt tanulmányozzák. A kémia órákon olyan anyagok szempontjából tanulmányozzák őket, amelyek lehetővé teszik az ipari szintézisek elvégzését és számos különféle termék előállítását. A biológia órákon a biológiai katalizátorokat veszik figyelembe. A 9. évfolyam a molekuláris biológia és a biokémia alapjainak tanulmányozását foglalja magában. Ezért az oktatás ezen szakaszában sajátítják el a tanulók az enzimekről, mint hatóanyagokról az alapvető ismereteketélőlények szervezetei.
Az órákon olyan kísérleteket végeznek, amelyek megerősítik ezen anyagok kémiai aktivitását bizonyos hőmérsékleti tartományokban és a környezet pH-értékében:
- a hidrogén-peroxid mint katalizátor hatásának vizsgálata nyers és főtt sárgarépára;
- húsra (főtt és nyersen), burgonyára és egyéb termékekre gyakorolt hatás.
Enzimek az emberi szervezetben
Minden kellően képzett iskolás, aki átlépte a középfokú végzettséget, tudja, mit neveznek biológiai katalizátoroknak. A szervezetben lévő enzimek szigorúan meghatározott specializációval rendelkeznek. Ezért minden folyamathoz megnevezheti a katalitikus anyagot.
Tehát a szervezet összes enzime több csoportra osztható:
- oxidoreduktázok, például kataláz vagy alkohol-dehidrogenáz;
- transzferázok - kenase;
- emésztés szempontjából fontos hidrolázok: pepszin, amiláz, lipoprotein lipáz, észteráz és mások;
- ligázok, például DNS-polimeráz;
- izomeráz;
- lyases.
Mivel ezek a vegyületek fehérje jellegűek, valamint vitaminkomplexet tartalmaznak, a testhőmérséklet emelkedése tele van a szerkezet denaturálásával, következésképpen az összes biokémiai reakció leállásával. Ebben az esetben a szervezet közel áll a halálhoz. Ezért a magas testhőmérséklet szükségszerűen csökken a betegség során.
Fehérje-katalizátorok használata az iparban
Gyakran enzimeket használnak különböző iparágakbaniparág:
- vegyi;
- textil;
- étel.
Az üzletek polcain enzimeket tartalmazó tisztítószerek és mosóporok láthatók – ezek olyan enzimek, amelyek javítják a ruhamosás minőségét.
Mire valók a biológiai katalizátorok?
Nehéz túlbecsülni fontosságukat. Hiszen nemcsak élni, lélegezni, táplálkozni, anyagcsere-folyamatokat lefolytatni az élő szervezeteket, hanem lehetőséget adnak az ipari hulladék elpusztítására, gyógyszerek beszerzésére, egészségünk és környezetünk védelmére.
