Inimkeha nimetatakse mingil põhjusel biokeemiatehaseks. Igas minutis toimub ju selles tuhandeid, kümneid ja sadu tuhandeid oksüdatsiooni-, lõhenemis-, redutseerimis- ja muid reaktsioone. Mis võimaldab neil nii suure kiirusega voolata, varustades iga rakku energia, toitumise ja hapnikuga?
Katalüsaatorite kontseptsioon
Nii anorgaanilises kui orgaanilises keemias kasutatakse laialdaselt spetsiaalseid aineid, mis võivad keemilisi reaktsioone kiirendada mitu tuhat ja mõnikord miljoneid kordi. Nende ühendite nimi on "katalüsaatorid". Anorgaanilises keemias on need metallioksiidid, plaatina, hõbe, nikkel ja teised.
Nende põhitegevuseks on ajutiste komplekside moodustamine reaktsioonis osalejatega, aktiveerimisenergiat langetades toimub protsess mitu korda kiiremini. Pärast seda kompleks laguneb ja katalüsaatorit saab sfäärist eemaldada samas kvantitatiivses ja kvalitatiivses koostises nagu enne protsessi algust.
Katalüütilisi reaktsioone on kahte tüüpi:
- homogeenne – kiirendi ja osalejad üheskoondolek;
- heterogeenne - kiirendi ja osalejad erinevates olekutes, on faasipiir.
Lisaks on ühendeid, mille toime on vastupidine – inhibiitorid. Nende eesmärk on aeglustada vajalikke reaktsioone. Näiteks võimaldavad need vähendada korrosiooni tekke aega.
Bioloogilised katalüsaatorid erinevad oma olemuselt anorgaanilistest ja nende omadused on mõnevõrra spetsiifilised. Seetõttu on katalüüs elussüsteemides erinev.
Ensüümid – mis see on?
On tõestatud, et kui elussüsteemide sees ei toimuks näidatud protsesse kiirendavate spetsiaalsete ainete toimet, siis seeduks tavaline õun maos umbes kaks päeva. Sellise aja jooksul algaksid lagunemis- ja mürgistusprotsessid lagunemissaadustega. Seda aga ei juhtu ja viljad töödeldakse täielikult pooleteise tunniga. Seda viivad läbi bioloogilised katalüsaatorid, mida leidub iga organismi koostises suurtes kogustes. Aga mis need on ja mis on sellise tegevuse aluseks?
Valguloomulised bioloogilised katalüsaatorid on ensüümid. Nende aluseks on keeruline struktuurne organisatsioon, millel on mitmeid spetsiifilisi omadusi. Lihtsam alt öeldes on need ainulaadsed valgud, mis võivad vähendada elusorganismides toimuvate protsesside aktivatsioonienergiat ja viia neid läbi kiirusega, mis ületab tavaväärtusi mitu miljonit korda.
Selliste molekulide näiteid on palju:
- katalaas;
- amülaas;
- oksireduktaas;
- glükoosioksüdaas;
- lipaas;
- invertase;
- lüsosüüm;
- proteaas ja teised.
Seega võime järeldada: ensüümid on valgulise iseloomuga bioloogilised katalüsaatorid, mis toimivad tugevate kiirendajatena, võimaldades elusorganismides väga suure kiirusega läbi viia tuhandeid protsesse. Seedimine, oksüdatsioon ja taastamine põhinevad nende toimel.
Anorgaaniliste ja proteiinkatalüsaatorite sarnasused
Ensüümidel kui bioloogilistel katalüsaatoritel on mitmeid anorgaanilistega sarnaseid omadusi. Nende hulka kuuluvad järgmised:
- Kiirustage ainult termodünaamiliselt võimalikke reaktsioone.
- Ärge mõjutage keemilise tasakaalu nihkumist tasakaalusüsteemides, vaid kiirendage võrdselt nii edasi- kui ka vastupidiseid protsesse.
- Selle tulemusel jäävad reaktsioonisfääri ainult produktid, katalüsaatorit nende hulgas pole.
Samas on lisaks sarnasustele ka ensüümide eripära.
Erinevused vastav alt loodusele
Bioloogilistel katalüsaatoritel on mitu spetsiifilist omadust:
- Kõrge selektiivsus. See tähendab, et üks valk on võimeline aktiveerima ainult teatud reaktsiooni või sarnaste rühma. Kõige sagedamini töötab skeem "ühe protsessi ensüüm - substraat".
- Eriti kõrge aktiivsus, sest teatud tüüpi valgud võivad reaktsioone miljoneid kordi kiirendada.
- Ensüümid sõltuvad suurestikeskkonnatingimustest. Need on aktiivsed ainult teatud temperatuurivahemikus. Tugev alt mõjutab ka söötme pH. Seal on kõver, mis näitab iga ensüümi minimaalset, maksimaalset ja optimaalset väärtust.
- On olemas spetsiaalsed ühendid, mida nimetatakse efektoriteks, mis võivad pärssida bioloogiliste katalüsaatorite olemust või, vastupidi, avaldada neile positiivset mõju.
- Substraat, millel ensüüm töötab, peab olema rangelt spetsiifiline. On olemas teooria, mida nimetatakse võtmeks ja lukuks. See kirjeldab ensüümi toimemehhanismi substraadil. Katalüsaator, nagu võti, on oma aktiivse saidiga substraadi sisse lülitatud ja reaktsioon algab.
- Pärast protsessi hävib ensüüm osaliselt või täielikult.
Seega on ilmne, et valgukatalüsaatorite tähtsus elusorganismide jaoks on ülim alt suur. Kuid nende tegevusele kehtivad teatud reeglid ja seda piiravad keskkonnatingimused.
Katalüüsi õppimine koolis
Kooli õppekava raames õpitakse katalüsaatoreid nii keemias kui ka bioloogias. Keemiatundides uuritakse neid ainete vaatenurgast, mis võimaldavad läbi viia tööstuslikke sünteese ja saada suurt hulka erinevaid tooteid. Bioloogiatundides peetakse silmas just bioloogilisi katalüsaatoreid. 9. klassis õpitakse molekulaarbioloogiat ja biokeemia aluseid. Seetõttu saavad õpilased just selles õppeastmes põhiteadmised ensüümide kui toimeainete kohtaelusolendite organismid.
Tundides viiakse läbi katseid, mis kinnitavad nende ainete keemilist aktiivsust teatud temperatuurivahemikes ja keskkonna pH-s:
- uuring vesinikperoksiidi kui katalüsaatori mõju kohta tooretele ja keedetud porganditele;
- mõju lihale (keedetud ja toorelt), kartulile ja teistele toodetele.
Ensüümid inimkehas
Iga piisav alt haritud ja keskhariduse piiri ületanud koolilaps teab, mida nimetatakse bioloogilisteks katalüsaatoriteks. Ensüümid kehas on rangelt spetsiifilise spetsialiseerumisega. Seetõttu saate iga protsessi jaoks anda oma katalüütilisele ainele nime.
Seega võib kõik keha ensüümid jagada mitmeks rühmaks:
- oksidoreduktaasid nagu katalaas või alkoholdehüdrogenaas;
- transferaasid - kenase;
- seedimiseks olulised hüdrolaasid: pepsiin, amülaas, lipoproteiini lipaas, esteraas ja teised;
- ligaasid, nt DNA polümeraas;
- isomeraas;
- lyases.
Kuna kõik need ühendid on valgulised, aga ka koostises on vitamiinide kompleks, on kehatemperatuuri tõus täis struktuuri denatureerumist ja sellest tulenev alt kõigi biokeemiliste reaktsioonide peatumist. Sel juhul on organism surma lähedal. Seetõttu langeb kõrge kehatemperatuur haiguse ajal tingimata.
Valgukatalüsaatorite kasutamine tööstuses
Tihti kasutatakse ensüüme erinevates tööstusharudestööstus:
- keemiline;
- tekstiil;
- toit.
Kaupluste riiulitel on näha ensüüme sisaldavaid puhastusvahendeid ja pesupulbreid - need on ensüümid, mis parandavad pesu kvaliteeti.
Mille jaoks on bioloogilised katalüsaatorid?
Nende tähtsust on raske üle hinnata. Lõppude lõpuks ei võimalda need mitte ainult elusorganismidel elada, hingata, süüa, läbi viia ainevahetusprotsesse, vaid annavad meile ka võimaluse hävitada tööstusjäätmeid, hankida ravimeid, kaitsta ja kaitsta meie tervist ja keskkonda.
