Človeško telo z razlogom imenujemo biokemična tovarna. Konec koncev, vsako minuto v njem poteka na tisoče, desetine in sto tisoče procesov oksidacije, cepljenja, redukcije in drugih reakcij. Kaj jim omogoča, da tečejo s tako izjemno hitrostjo in vsako celico oskrbijo z energijo, hrano in kisikom?
Koncept katalizatorjev
Tako v anorganski kot v organski kemiji se pogosto uporabljajo posebne snovi, ki lahko pospešijo kemične reakcije za nekaj tisoč, včasih pa tudi milijone krat. Ime teh spojin je "katalizatorji". V anorganski kemiji so to kovinski oksidi, platina, srebro, nikelj in drugi.
Njihovo glavno delovanje je tvorba začasnih kompleksov z udeleženci reakcije, z znižanjem aktivacijske energije se proces izvede večkrat hitreje. Po tem se kompleks razgradi in katalizator se lahko odstrani iz krogle v enaki kvantitativni in kvalitativni sestavi kot pred začetkom procesa.
Obstajata dve vrsti katalitičnih reakcij:
- homogen - pospeševalnik in udeleženci v enemagregatno stanje;
- heterogen - pospeševalnik in udeleženci v različnih državah, obstaja fazna meja.
Poleg tega obstajajo spojine, ki imajo nasprotno delovanje - inhibitorji. Namenjeni so upočasnitvi potrebnih reakcij. Tako vam na primer omogočajo, da zmanjšate čas za nastanek korozije.
Biološki katalizatorji se sami po sebi razlikujejo od anorganskih, njihove lastnosti pa so nekoliko specifične. Zato je kataliza v živih sistemih drugačna.
Encimi - kaj je to?
Dokazano je, da če delovanje posebnih snovi, ki pospešujejo navedene procese, ne bi potekalo v živih sistemih, bi se navadno jabolko v želodcu prebavljalo približno dva dni. Za tak čas bi se začeli procesi razgradnje in zastrupitve s produkti razpadanja. Vendar se to ne zgodi in sadje je popolnoma predelano v uri in pol. To izvajajo biološki katalizatorji, ki so v velikih količinah prisotni v sestavi vsakega organizma. Toda kaj so in kaj je osnova za takšno dejanje?
Biološki katalizatorji beljakovinske narave so encimi. Njihova osnova je kompleksna strukturna organizacija s številnimi specifičnimi lastnostmi. Preprosto povedano, to so edinstvene beljakovine, ki lahko zmanjšajo aktivacijsko energijo procesov v živih organizmih in jih izvajajo s hitrostjo, ki za nekaj milijonov krat presega običajne vrednosti.
Obstaja veliko primerov takšnih molekul:
- katalaza;
- amilaza;
- oksireduktaza;
- glukozna oksidaza;
- lipase;
- invertaza;
- lizocim;
- proteaza in drugi.
Tako lahko sklepamo: encimi so biološki katalizatorji beljakovinske narave, ki delujejo kot močni pospeševalci, ki omogočajo, da se na tisoče procesov v živih organizmih izvaja z zelo visoko hitrostjo. Prebava, oksidacija, obnova temeljijo na njihovem delovanju.
Podobnosti anorganskih in beljakovinskih katalizatorjev
Encimi kot biološki katalizatorji imajo številne lastnosti, podobne anorganskim. Ti vključujejo naslednje:
- Pospešite samo termodinamično možne reakcije.
- Ne vpliva na premik kemičnega ravnotežja v ravnotežnih sistemih, ampak enako pospešuje tako naprej kot nazaj proces.
- Zaradi tega v reakcijski sferi ostanejo samo produkti, katalizator ni med njimi.
Vendar pa poleg podobnosti obstajajo tudi posebne značilnosti encimov.
Razlike glede na naravo
Biološki katalizatorji imajo več posebnih lastnosti:
- Visoka stopnja selektivnosti. To pomeni, da je en protein sposoben aktivirati samo določeno reakcijo ali skupino podobnih. Najpogosteje deluje shema "encim - substrat enega procesa".
- Izjemno visoka stopnja aktivnosti, ker nekatere vrste beljakovin lahko milijonkrat pospešijo reakcije.
- Encimi so zelo odvisni odod okoljskih razmer. Aktivni so le v določenem temperaturnem območju. Močno vpliva tudi pH medija. Obstaja krivulja, ki prikazuje minimalne, največje in optimalne vrednosti za vsak encim.
- Obstajajo posebne spojine, imenovane efektorji, ki lahko zavirajo naravo bioloških katalizatorjev ali, nasprotno, pozitivno vplivajo nanje.
- Substrat, na katerem deluje encim, mora biti strogo specifičen. Obstaja teorija, imenovana ključ in ključavnica. Opisuje mehanizem delovanja encima na substrat. Katalizator je kot ključ vgrajen v substrat s svojim aktivnim mestom in reakcija se začne.
- Po postopku je encim delno ali popolnoma uničen.
Tako je očitno, da je pomen beljakovinskih katalizatorjev izjemno velik za žive organizme. Vendar je njihovo delovanje predmet določenih pravil in je omejeno z okoljskimi pogoji.
Študij katalize v šoli
Kot del šolskega učnega načrta se katalizatorji preučujejo tako v kemiji kot v biologiji. Pri pouku kemije se preučujejo z vidika snovi, ki omogočajo izvajanje industrijskih sintez in pridobivanje velikega števila različnih izdelkov. Pri pouku biologije se upoštevajo biološki katalizatorji. 9. razred vključuje študij molekularne biologije in osnov biokemije. Zato dijaki na tej stopnji izobraževanja pridobijo osnovno znanje o encimih kot aktivnih snoveh vorganizmi živih bitij.
Na pouku se izvajajo eksperimenti, ki potrjujejo kemično aktivnost teh snovi v določenih temperaturnih območjih in pH okolja:
- študija učinka vodikovega peroksida kot katalizatorja na surovo in kuhano korenje;
- učinek na meso (kuhano in surovo), krompir in druge izdelke.
Encimi v človeškem telesu
Vsak šolar, ki je dovolj izobražen in je prestopil mejo srednješolske izobrazbe, ve, kako se imenujejo biološki katalizatorji. Encimi v telesu imajo strogo specifično specializacijo. Zato lahko za vsak proces poimenujete svojo katalitično snov.
Torej lahko vse encime v telesu razdelimo v več skupin:
- oksidoreduktaze, kot sta katalaza ali alkoholna dehidrogenaza;
- transferaze - kenaze;
- hidrolaze, pomembne za prebavo: pepsin, amilaza, lipoprotein lipaza, esteraza in druge;
- ligaze, npr. DNK polimeraza;
- izomeraza;
- lyases.
Ker so vse te spojine beljakovinske narave, pa tudi kompleks vitaminov v sestavi, je zvišanje telesne temperature prežeto z denaturacijo strukture in posledično prenehanjem vseh biokemičnih reakcij. V tem primeru je organizem blizu smrti. Zato se visoka telesna temperatura med boleznijo nujno zniža.
Uporaba beljakovinskih katalizatorjev v industriji
Pogosto se encimi uporabljajo v različnih panogahindustrija:
- kemična;
- tekstil;
- hrana.
Na policah trgovin lahko vidite čistila in pralne praške, ki vsebujejo encime – to so encimi, ki izboljšajo kakovost pranja perila.
Za kaj so biološki katalizatorji?
Njihov pomen je težko preceniti. Navsezadnje ne omogočajo le živim organizmom, da živijo, dihajo, jedo, izvajajo presnovne procese, ampak nam dajejo tudi možnost, da uničimo industrijske odpadke, pridobimo zdravila, zaščitimo in zaščitimo naše zdravje in okolje.
