Ľudské telo sa z nejakého dôvodu nazýva biochemická továreň. Každú minútu v ňom totiž prebiehajú tisíce, desiatky a státisíce procesov oxidácie, štiepenia, redukcie a iných reakcií. Čo im umožňuje prúdiť takou obrovskou rýchlosťou a poskytovať každej bunke energiu, výživu a kyslík?
Koncept katalyzátorov
V anorganickej aj organickej chémii sa vo veľkej miere používajú špeciálne látky, ktoré dokážu urýchliť chemické reakcie niekoľkotisíckrát a niekedy aj miliónkrát. Názov týchto zlúčenín je "katalyzátory". V anorganickej chémii sú to oxidy kovov, platina, striebro, nikel a iné.
Ich hlavnou činnosťou je vytváranie dočasných komplexov s účastníkmi reakcie, znížením aktivačnej energie sa proces vykonáva niekoľkonásobne rýchlejšie. Potom sa komplex rozkladá a katalyzátor môže byť odstránený z gule v rovnakom kvantitatívnom a kvalitatívnom zložení ako pred začiatkom procesu.
Existujú dva typy katalytických reakcií:
- homogénny - urýchľovač a účastníci v jednomsúhrnný stav;
- heterogénne - urýchľovač a účastníci v rôznych stavoch, existuje fázová hranica.
Okrem toho existujú zlúčeniny s opačným účinkom – inhibítory. Sú zamerané na spomalenie potrebných reakcií. Umožňujú vám napríklad skrátiť čas potrebný na vznik korózie.
Biologické katalyzátory sú vo svojej podstate odlišné od anorganických a ich vlastnosti sú do istej miery špecifické. Preto je katalýza v živých systémoch odlišná.
Enzýmy – čo to je?
Je dokázané, že ak by pôsobenie špeciálnych látok urýchľujúcich naznačené procesy neprebiehalo vo vnútri živých systémov, obyčajné jablko v žalúdku by trávilo asi dva dni. Na taký čas by sa začali procesy rozkladu a intoxikácie produktmi rozkladu. To sa však nestane a ovocie je kompletne spracované za hodinu a pol. Vykonávajú to biologické katalyzátory, ktoré sú vo veľkom množstve prítomné v zložení každého organizmu. Čo to však je a čo je základom takéhoto konania?
Biologické katalyzátory proteínovej povahy sú enzýmy. Ich základom je zložitá štruktúrna organizácia s množstvom špecifických vlastností. Jednoducho povedané, ide o unikátne proteíny, ktoré dokážu znížiť aktivačnú energiu procesov v živých organizmoch a uskutočniť ich rýchlosťou, ktorá niekoľko miliónovkrát prevyšuje obvyklé hodnoty.
Existuje veľa príkladov takýchto molekúl:
- catalase;
- amyláza;
- oxireduktáza;
- glukózooxidáza;
- lipáza;
- invertase;
- lyzozým;
- proteáza a iné.
Môžeme teda skonštatovať: enzýmy sú biologické katalyzátory proteínovej povahy, ktoré pôsobia ako silné urýchľovače umožňujúce prebehnúť v živých organizmoch veľmi vysokou rýchlosťou tisícky procesov. Trávenie, oxidácia, obnova sú založené na ich pôsobení.
Podobnosti anorganických a proteínových katalyzátorov
Enzýmy ako biologické katalyzátory majú množstvo vlastností podobných anorganickým. Patria sem nasledujúce položky:
- Zrýchliť iba termodynamicky možné reakcie.
- Neovplyvňuje posun chemickej rovnováhy v rovnovážnych systémoch, ale rovnako urýchľuje dopredný aj spätný proces.
- V dôsledku toho zostávajú v reakčnej sfére iba produkty, katalyzátor medzi nimi nie je.
Okrem podobností však existujú aj charakteristické črty enzýmov.
Rozdiely podľa povahy
Biologické katalyzátory majú niekoľko špecifických vlastností:
- Vysoký stupeň selektivity. To znamená, že jeden proteín je schopný aktivovať iba určitú reakciu alebo skupinu podobných. Najčastejšie funguje schéma „enzým – substrát jedného procesu“.
- Extrémne vysoký stupeň aktivity, pretože niektoré typy proteínov dokážu miliónkrát urýchliť reakcie.
- Enzýmy sú veľmi závislé odod podmienok prostredia. Sú aktívne len v určitom teplotnom rozsahu. Výrazne ovplyvňuje aj pH média. Existuje krivka zobrazujúca minimálne, maximálne a optimálne hodnoty pre každý enzým.
- Existujú špeciálne zlúčeniny nazývané efektory, ktoré môžu inhibovať povahu biologických katalyzátorov, alebo naopak, majú na ne pozitívny vplyv.
- Substrát, na ktorom enzým pôsobí, musí byť prísne špecifický. Existuje teória nazývaná kľúč a zámok. Popisuje mechanizmus účinku enzýmu na substrát. Katalyzátor, podobne ako kľúč, je vložený do substrátu s jeho aktívnym miestom a reakcia sa začína.
- Po tomto procese je enzým čiastočne alebo úplne zničený.
Je teda zrejmé, že dôležitosť proteínových katalyzátorov je pre živé organizmy mimoriadne vysoká. Ich činnosť však podlieha určitým pravidlám a je obmedzená podmienkami prostredia.
Štúdium katalýzy v škole
V rámci školských osnov sa katalyzátory študujú v chémii aj biológii. Na hodinách chémie sa študujú z hľadiska látok, ktoré umožňujú vykonávať priemyselné syntézy a získavať veľké množstvo rôznych produktov. Na hodinách biológie sa berú do úvahy biologické katalyzátory. 9. ročník zahŕňa štúdium molekulárnej biológie a základov biochémie. Preto práve v tomto stupni vzdelávania žiaci získavajú základné poznatky o enzýmoch ako účinných látkach vorganizmy živých bytostí.
Na lekciách sa vykonávajú experimenty, ktoré potvrdzujú chemickú aktivitu týchto látok v určitých teplotných rozsahoch a pH prostredia:
- štúdia účinku peroxidu vodíka ako katalyzátora na surovú a varenú mrkvu;
- účinok na mäso (varené a surové), zemiaky a iné produkty.
Enzýmy v ľudskom tele
Každý školák, ktorý je dostatočne vzdelaný a prekročil hranicu stredoškolského vzdelania, vie, ako sa nazývajú biologické katalyzátory. Enzýmy v organizme majú prísne špecifickú špecializáciu. Preto môžete pre každý proces pomenovať svoju katalytickú látku.
Všetky enzýmy v tele teda možno rozdeliť do niekoľkých skupín:
- oxidoreduktázy ako kataláza alebo alkoholdehydrogenáza;
- transferázy - kenáza;
- hydrolázy dôležité pre trávenie: pepsín, amyláza, lipoproteínová lipáza, esteráza a iné;
- ligázy, napr. DNA polymeráza;
- izomeráza;
- lyázy.
Pretože všetky tieto zlúčeniny sú bielkovinovej povahy, ako aj komplex vitamínov v kompozícii, zvýšenie telesnej teploty je spojené s denaturáciou štruktúry a v dôsledku toho so zastavením všetkých biochemických reakcií. V tomto prípade je organizmus blízko smrti. Vysoká telesná teplota sa preto počas choroby nevyhnutne znižuje.
Použitie proteínových katalyzátorov v priemysle
Enzýmy sa často používajú v rôznych priemyselných odvetviachpriemysel:
- chemical;
- textile;
- jedlo.
Na pultoch predajní môžete vidieť čistiace prostriedky a pracie prášky s obsahom enzýmov - to sú enzýmy, ktoré zlepšujú kvalitu prania.
Na čo slúžia biologické katalyzátory?
Je ťažké preceňovať ich dôležitosť. Koniec koncov, umožňujú živým organizmom nielen žiť, dýchať, jesť, vykonávať metabolické procesy, ale dávajú nám aj príležitosť ničiť priemyselný odpad, získavať lieky, chrániť a chrániť naše zdravie a životné prostredie.
