Žmogaus kūnas ne veltui vadinamas biocheminiu fabriku. Juk kas minutę joje vyksta tūkstančiai, dešimtys ir šimtai tūkstančių oksidacijos, skilimo, redukcijos ir kitų reakcijų. Kas leidžia jiems tekėti tokiu milžinišku greičiu, aprūpinant kiekvieną ląstelę energija, mityba ir deguonimi?
Katalizatorių koncepcija
Tiek neorganinėje, tiek organinėje chemijoje plačiai naudojamos specialios medžiagos, kurios chemines reakcijas gali pagreitinti kelis tūkstančius, o kartais ir milijonus kartų. Šių junginių pavadinimas yra „katalizatoriai“. Neorganinėje chemijoje tai yra metalų oksidai, platina, sidabras, nikelis ir kt.
Pagrindinis jų veiksmas – laikinų kompleksų su reakcijos dalyviais susidarymas, sumažinus aktyvacijos energiją, procesas vyksta kelis kartus greičiau. Po to kompleksas suyra, o katalizatorius gali būti pašalintas iš sferos tokios pat kiekybinės ir kokybinės sudėties, kaip ir prieš proceso pradžią.
Yra dviejų tipų katalizinės reakcijos:
- homogeniškas – akceleratorius ir dalyviai vienamebendra būsena;
- nevienodas - greitintuvas ir dalyviai skirtingose būsenose, yra fazių riba.
Be to, yra junginių, kurių veikimas yra priešingas – inhibitorių. Jomis siekiama sulėtinti reikiamas reakcijas. Taigi, pavyzdžiui, jie leidžia sumažinti korozijos susidarymo laiką.
Biologiniai katalizatoriai iš esmės skiriasi nuo neorganinių, o jų savybės yra šiek tiek specifinės. Todėl katalizė gyvose sistemose skiriasi.
Fermentai – kas tai?
Įrodyta, kad jei specialių medžiagų, greitinančių nurodytus procesus, veikimas nebūtų vykdomas gyvų sistemų viduje, tada paprastas obuolys skrandyje būtų virškinamas apie dvi paras. Tokiam laikui prasidėtų skilimo ir apsinuodijimo skilimo produktais procesai. Tačiau taip neatsitinka, o vaisiai visiškai apdorojami per pusantros valandos. Tai atlieka biologiniai katalizatoriai, kurių kiekvieno organizmo sudėtyje yra dideli kiekiai. Bet kas tai yra ir kuo grindžiamas toks veiksmas?
Biologiniai b altymų prigimties katalizatoriai yra fermentai. Jų pagrindas yra sudėtinga struktūrinė organizacija, turinti daugybę specifinių savybių. Paprasčiau tariant, tai yra unikalūs b altymai, galintys sumažinti gyvuose organizmuose vykstančių procesų aktyvacijos energiją ir atlikti juos greičiu, kelis milijonus kartų viršijančiu įprastas reikšmes.
Yra daug tokių molekulių pavyzdžių:
- katalazė;
- amilazė;
- oksireduktazė;
- gliukozės oksidazė;
- lipazė;
- invertase;
- lizocimas;
- proteazė ir kt.
Taigi galime daryti išvadą: fermentai yra b altyminio pobūdžio biologiniai katalizatoriai, kurie veikia kaip stiprūs greitintuvai, leidžiantys labai dideliu greičiu vykdyti tūkstančius procesų gyvuose organizmuose. Virškinimas, oksidacija, atstatymas priklauso nuo jų veikimo.
Neorganinių ir b altyminių katalizatorių panašumai
Fermentai, kaip biologiniai katalizatoriai, turi daug savybių, panašių į neorganinius. Tai apima:
- Pagreitinkite tik termodinamiškai įmanomas reakcijas.
- Neturėkite įtakos cheminės pusiausvyros poslinkiui pusiausvyros sistemose, bet vienodai paspartinkite ir pirmyn, ir atgal vykstančius procesus.
- Todėl reakcijos sferoje lieka tik produktai, tarp jų nėra katalizatoriaus.
Tačiau, be panašumų, yra ir išskirtinių fermentų bruožų.
Skirtumai pagal prigimtį
Biologiniai katalizatoriai turi keletą specifinių savybių:
- Didelis selektyvumo laipsnis. Tai yra, vienas b altymas gali suaktyvinti tik tam tikrą reakciją arba grupę panašių. Dažniausiai veikia schema „fermentas – vieno proceso substratas“.
- Ypatingai didelis aktyvumo laipsnis, nes kai kurių tipų b altymai gali milijonus kartų pagreitinti reakcijas.
- Fermentai labai priklauso nuonuo aplinkos sąlygų. Jie aktyvūs tik tam tikrame temperatūros diapazone. Taip pat stipriai įtakoja terpės pH. Yra kreivė, rodanti minimalias, didžiausias ir optimalias kiekvieno fermento vertes.
- Yra specialių junginių, vadinamų efektoriais, kurie gali slopinti biologinių katalizatorių prigimtį arba, atvirkščiai, daryti jiems teigiamą poveikį.
- Substratas, ant kurio veikia fermentas, turi būti griežtai specifinis. Yra teorija, vadinama raktu ir spyna. Jame aprašomas fermento veikimo mechanizmas substrate. Katalizatorius, kaip raktas, įterpiamas į substratą su jo aktyvia vieta ir prasideda reakcija.
- Po proceso fermentas iš dalies arba visiškai sunaikinamas.
Taigi akivaizdu, kad b altymų katalizatorių svarba gyviems organizmams yra itin didelė. Tačiau jų veiksmams taikomos tam tikros taisyklės ir juos riboja aplinkos sąlygos.
Katalizės studijos mokykloje
Katalizatoriai yra mokyklinės programos dalis ir chemijos, ir biologijos srityse. Chemijos pamokose jie tiriami medžiagų, kurios leidžia atlikti pramonines sintezes ir gauti daugybę įvairių produktų, požiūriu. Biologijos pamokose kalbama apie biologinius katalizatorius. 9 klasė apima molekulinės biologijos ir biochemijos pagrindų studijas. Todėl būtent šiame ugdymo etape mokiniai įgyja pagrindinių žinių apie fermentus kaip veikliąsias medžiagasgyvų būtybių organizmai.
Pamokų metu atliekami eksperimentai, patvirtinantys šių medžiagų cheminį aktyvumą tam tikruose temperatūros intervaluose ir aplinkos pH:
- vandenilio peroksido, kaip katalizatoriaus, poveikio žalioms ir virtoms morkoms tyrimas;
- poveikis mėsai (virtai ir žaliai), bulvėms ir kitiems produktams.
Fermentai žmogaus organizme
Kiekvienas pakankamai išsilavinęs ir vidurinio išsilavinimo ribą peržengęs moksleivis žino, kaip vadinami biologiniai katalizatoriai. Fermentai organizme turi griežtai specifinę specializaciją. Todėl kiekvienam procesui galite pavadinti katalizinę medžiagą.
Taigi, visus organizmo fermentus galima suskirstyti į kelias grupes:
- oksidoreduktazės, pvz., katalazė arba alkoholio dehidrogenazė;
- transferazės - kenase;
- virškinimui svarbios hidrolazės: pepsinas, amilazė, lipoproteinų lipazė, esterazė ir kitos;
- ligazės, pvz., DNR polimerazė;
- izomerazė;
- lyases.
Kadangi visi šie junginiai yra b altyminio pobūdžio, taip pat sudėtyje yra vitaminų komplekso, kūno temperatūros padidėjimas yra kupinas struktūros denatūravimo, taigi ir visų biocheminių reakcijų nutraukimo. Šiuo atveju organizmas yra arti mirties. Todėl sergant aukšta kūno temperatūra būtinai nukrenta.
B altymų katalizatorių naudojimas pramonėje
Dažnai fermentai naudojami įvairiose pramonės šakosepramonė:
- cheminė;
- tekstilė;
- maistas.
Parduotuvių lentynose galite pamatyti valymo priemones ir skalbimo miltelius, kuriuose yra fermentų – tai fermentai, gerinantys drabužių skalbimo kokybę.
Kam skirti biologiniai katalizatoriai?
Sunku pervertinti jų svarbą. Juk jie ne tik leidžia gyviems organizmams gyventi, kvėpuoti, maitintis, vykdyti medžiagų apykaitos procesus, bet ir suteikia galimybę sunaikinti pramonines atliekas, gauti vaistų, saugoti ir saugoti savo sveikatą bei aplinką.
