Cilvēka ķermeni nez kāpēc sauc par bioķīmisko rūpnīcu. Galu galā ik minūti tajā notiek tūkstošiem, desmitiem un simtiem tūkstošu oksidācijas, šķelšanās, reducēšanas un citu reakciju procesu. Kas ļauj tām plūst ar tik milzīgu ātrumu, nodrošinot katru šūnu ar enerģiju, uzturu un skābekli?
Katalizatoru jēdziens
Gan neorganiskajā, gan organiskajā ķīmijā plaši tiek izmantotas īpašas vielas, kas var paātrināt ķīmiskās reakcijas vairākus tūkstošus un dažreiz miljoniem reižu. Šo savienojumu nosaukums ir "katalizatori". Neorganiskajā ķīmijā tie ir metālu oksīdi, platīns, sudrabs, niķelis un citi.
To galvenā darbība ir īslaicīgu kompleksu veidošanās ar reakcijas dalībniekiem, pazeminot aktivācijas enerģiju, process norit vairākas reizes ātrāk. Pēc tam komplekss sadalās, un katalizatoru var izņemt no sfēras tādā pašā kvantitatīvajā un kvalitatīvajā sastāvā kā pirms procesa sākuma.
Ir divu veidu katalītiskās reakcijas:
- viendabīgs - akselerators un dalībnieki vienākopējais stāvoklis;
- heterogēns - paātrinātājs un dalībnieki dažādos stāvokļos, ir fāzes robeža.
Turklāt ir savienojumi, kuru darbība ir pretēja – inhibitori. To mērķis ir palēnināt nepieciešamās reakcijas. Tā, piemēram, tie ļauj samazināt korozijas veidošanās laiku.
Bioloģiskie katalizatori pēc būtības atšķiras no neorganiskajiem, un to īpašības ir zināmā mērā specifiskas. Tāpēc dzīvās sistēmās katalīze ir atšķirīga.
Fermenti - kas tas ir?
Ir pierādīts, ka, ja dzīvās sistēmās netiktu veikta īpašu vielu darbība, kas paātrina norādītos procesus, tad parasts ābols kuņģī tiktu sagremots apmēram divas dienas. Uz šādu laiku sāktos sadalīšanās un saindēšanās ar sabrukšanas produktiem procesi. Tomēr tas nenotiek, un augļi tiek pilnībā apstrādāti pusotras stundas laikā. To veic bioloģiskie katalizatori, kas lielos daudzumos ir katra organisma sastāvā. Bet kas tie ir un kas ir šādas rīcības pamatā?
Proteīnu dabas bioloģiskie katalizatori ir fermenti. To pamatā ir sarežģīta strukturāla organizācija ar vairākām specifiskām īpašībām. Vienkārši sakot, tās ir unikālas olb altumvielas, kas spēj samazināt dzīvajos organismos notiekošo procesu aktivācijas enerģiju un veikt tos ar ātrumu, kas vairākus miljonus reižu pārsniedz parastās vērtības.
Ir daudz šādu molekulu piemēru:
- katalāze;
- amilāze;
- oksireduktāze;
- glikozes oksidāze;
- lipāze;
- invertase;
- lizocīms;
- proteāze un citi.
Tādējādi varam secināt: fermenti ir bioloģiski proteīna rakstura katalizatori, kas darbojas kā spēcīgi paātrinātāji, ļaujot ļoti lielā ātrumā veikt tūkstošiem procesu dzīvajos organismos. Sagremošana, oksidēšana un atjaunošana ir balstīta uz to darbību.
Neorganisko un proteīnu katalizatoru līdzības
Fermentiem kā bioloģiskiem katalizatoriem ir vairākas īpašības, kas līdzīgas neorganiskiem. Tajos ietilpst:
- Paātriniet tikai termodinamiski iespējamās reakcijas.
- Neietekmē ķīmiskā līdzsvara nobīdi līdzsvara sistēmās, bet vienlīdz paātriniet gan uz priekšu, gan apgriezto procesu.
- Tā rezultātā reakcijas sfērā paliek tikai produkti, katalizators nav starp tiem.
Tomēr papildus līdzībām enzīmiem ir arī atšķirīgas iezīmes.
Atšķirības pēc dabas
Bioloģiskajiem katalizatoriem ir vairākas specifiskas īpašības:
- Augsta selektivitātes pakāpe. Tas ir, viens proteīns spēj aktivizēt tikai noteiktu reakciju vai līdzīgu grupu. Visbiežāk darbojas shēma "viena procesa enzīms - substrāts".
- Īpaši augsta aktivitātes pakāpe, jo daži proteīnu veidi var miljoniem reižu paātrināt reakcijas.
- Fermenti ir ļoti atkarīgi nono vides apstākļiem. Tie ir aktīvi tikai noteiktā temperatūras diapazonā. Spēcīgi ietekmē arī barotnes pH. Ir līkne, kas parāda katra fermenta minimālās, maksimālās un optimālās vērtības.
- Ir īpaši savienojumi, ko sauc par efektoriem, kas var kavēt bioloģisko katalizatoru dabu vai, gluži pretēji, tos pozitīvi ietekmēt.
- Substrātam, uz kura darbojas ferments, jābūt stingri specifiskam. Pastāv teorija, ko sauc par atslēgu un slēdzeni. Tas apraksta fermenta darbības mehānismu uz substrāta. Katalizators, tāpat kā atslēga, ir iestrādāts substrātā ar tā aktīvo vietu, un reakcija sākas.
- Pēc procesa ferments tiek daļēji vai pilnībā iznīcināts.
Tādējādi ir acīmredzams, ka olb altumvielu katalizatoru nozīme dzīviem organismiem ir ārkārtīgi liela. Tomēr uz viņu rīcību attiecas noteikti noteikumi, un to ierobežo vides apstākļi.
Katalīzes mācības skolā
Skolas mācību programmas ietvaros katalizatori tiek pētīti gan ķīmijā, gan bioloģijā. Ķīmijas stundās tās tiek pētītas no vielu viedokļa, kas ļauj veikt rūpnieciskās sintēzes un iegūt lielu skaitu dažādu produktu. Bioloģijas stundās tiek aplūkoti bioloģiskie katalizatori. 9. klasē tiek apgūta molekulārā bioloģija un bioķīmijas pamati. Tāpēc tieši šajā izglītības posmā skolēni iegūst pamatzināšanas par fermentiem kā aktīvajām vielāmdzīvo būtņu organismi.
Nodarbībās tiek veikti eksperimenti, kas apliecina šo vielu ķīmisko aktivitāti noteiktos temperatūras diapazonos un vides pH:
- pētījums par ūdeņraža peroksīda kā katalizatora ietekmi uz neapstrādātiem un vārītiem burkāniem;
- ietekme uz gaļu (vārītu un neapstrādātu), kartupeļiem un citiem produktiem.
Fermenti cilvēka organismā
Katrs skolēns, kurš ir pietiekami izglītots un šķērsojis vidējās izglītības robežu, zina, kā sauc bioloģiskos katalizatorus. Fermentiem organismā ir stingri noteikta specializācija. Tāpēc katram procesam varat nosaukt savu katalītisko vielu.
Tātad visus organisma fermentus var iedalīt vairākās grupās:
- oksidoreduktāzes, piemēram, katalāze vai alkohola dehidrogenāze;
- transferāzes - kenase;
- gremošanai svarīgas hidrolāzes: pepsīns, amilāze, lipoproteīna lipāze, esterāze un citas;
- ligāzes, piemēram, DNS polimerāze;
- izomerāze;
- lyases.
Tā kā visiem šiem savienojumiem ir proteīna raksturs, kā arī sastāvā ir vitamīnu komplekss, ķermeņa temperatūras paaugstināšanās ir saistīta ar struktūras denaturāciju un līdz ar to visu bioķīmisko reakciju pārtraukšanu. Šajā gadījumā organisms ir tuvu nāvei. Tāpēc augsta ķermeņa temperatūra slimības laikā noteikti tiek pazemināta.
Proteīnu katalizatoru izmantošana rūpniecībā
Bieži fermentus izmanto dažādās nozarēsnozare:
- ķīmiska;
- tekstils;
- ēdiens.
Veikalu plauktos var redzēt fermentus saturošus tīrīšanas līdzekļus un veļas pulverus - tie ir fermenti, kas uzlabo veļas mazgāšanas kvalitāti.
Kam domāti bioloģiskie katalizatori?
To nozīmi ir grūti pārvērtēt. Galu galā tie ne tikai ļauj dzīviem organismiem dzīvot, elpot, ēst, veikt vielmaiņas procesus, bet arī dod mums iespēju iznīcināt rūpnieciskos atkritumus, iegūt zāles, aizsargāt un aizsargāt mūsu veselību un vidi.
