ადამიანის სხეულს ბიოქიმიურ ქარხანას უწოდებენ მიზეზის გამო. ყოველივე ამის შემდეგ, ყოველ წუთში მასში მიმდინარეობს ჟანგვის, გაყოფის, შემცირების და სხვა რეაქციების ათასობით, ათეულობით და ასობით ათასი პროცესი. რა საშუალებას აძლევს მათ, რომ მიედინონ ასეთი უზარმაზარი სიჩქარით, რაც უზრუნველყოფს ყველა უჯრედს ენერგიით, კვებით და ჟანგბადით?
კატალიზატორების კონცეფცია
როგორც არაორგანულ, ისე ორგანულ ქიმიაში ფართოდ გამოიყენება სპეციალური ნივთიერებები, რომლებსაც შეუძლიათ ქიმიური რეაქციების რამდენიმე ათასი, ზოგჯერ კი მილიონჯერ დაჩქარება. ამ ნაერთების სახელია "კატალიზატორები". არაორგანულ ქიმიაში ეს არის ლითონის ოქსიდები, პლატინი, ვერცხლი, ნიკელი და სხვა.
მათი ძირითადი მოქმედება არის რეაქციის მონაწილეებთან დროებითი კომპლექსების წარმოქმნა, აქტივაციის ენერგიის შემცირებით პროცესი რამდენჯერმე უფრო სწრაფად მიმდინარეობს. ამის შემდეგ კომპლექსი იშლება და კატალიზატორი შეიძლება ამოღებულ იქნას სფეროდან იმავე რაოდენობრივი და ხარისხობრივი შემადგენლობით, როგორც პროცესის დაწყებამდე.
არსებობს ორი ტიპის კატალიზური რეაქცია:
- ერთგვაროვანი - ამაჩქარებელი და მონაწილეები ერთშისაერთო მდგომარეობა;
- ჰეტეროგენული - ამაჩქარებელი და მონაწილეები სხვადასხვა მდგომარეობებში, არსებობს ფაზის საზღვარი.
გარდა ამისა, არსებობს ნაერთები, რომლებიც მოქმედებით საპირისპიროა - ინჰიბიტორები. ისინი მიზნად ისახავს საჭირო რეაქციების შენელებას. მაგალითად, ისინი საშუალებას გაძლევთ შეამციროთ კოროზიის წარმოქმნის დრო.
ბიოლოგიური კატალიზატორები არსებითად განსხვავდება არაორგანულისგან და მათი თვისებები გარკვეულწილად სპეციფიკურია. ამრიგად, კატალიზი ცოცხალ სისტემებში განსხვავებულია.
ფერმენტები - რა არის ეს?
დადასტურდა, რომ თუ აღნიშნული პროცესების დამაჩქარებელი სპეციალური ნივთიერებების მოქმედება ცოცხალი სისტემების შიგნით არ განხორციელებულიყო, მაშინ კუჭში ჩვეულებრივი ვაშლი დაახლოებით ორი დღის განმავლობაში შეიწოვება. ამ დროის განმავლობაში დაშლის და დაშლის პროდუქტებით ინტოქსიკაციის პროცესები იწყებოდა. თუმცა ეს ასე არ ხდება და ნაყოფი სრულად მუშავდება საათნახევარში. ამას ახორციელებენ ბიოლოგიური კატალიზატორები, რომლებიც დიდი რაოდენობითაა წარმოდგენილი თითოეული ორგანიზმის შემადგენლობაში. მაგრამ რა არის ისინი და რა არის ასეთი ქმედების საფუძველი?
ცილოვანი ბუნების ბიოლოგიური კატალიზატორები ფერმენტებია. მათი საფუძველია რთული სტრუქტურული ორგანიზაცია მთელი რიგი სპეციფიკური თვისებებით. მარტივად რომ ვთქვათ, ეს არის უნიკალური ცილები, რომლებსაც შეუძლიათ შეამცირონ ცოცხალ ორგანიზმებში მიმდინარე პროცესების აქტივაციის ენერგია და განახორციელონ ისინი ჩვეულ მნიშვნელობებზე რამდენიმე მილიონჯერ მეტი სიჩქარით.
ასეთი მოლეკულების მრავალი მაგალითი არსებობს:
- კატალაზა;
- ამილაზა;
- ოქსირედუქტაზა;
- გლუკოზის ოქსიდაზა;
- ლიპაზა;
- invertase;
- ლიზოზიმი;
- პროტეაზა და სხვა.
შეიძლება დავასკვნათ: ფერმენტები წარმოადგენენ ცილოვანი ბუნების ბიოლოგიურ კატალიზატორებს, რომლებიც მოქმედებენ როგორც ძლიერი ამაჩქარებლები, რაც საშუალებას აძლევს ცოცხალ ორგანიზმებში ათასობით პროცესი განხორციელდეს ძალიან მაღალი სიჩქარით. საჭმლის მონელება, დაჟანგვა, აღდგენა ეფუძნება მათ მოქმედებას.
არაორგანული და ცილოვანი კატალიზატორების მსგავსება
ფერმენტებს, როგორც ბიოლოგიურ კატალიზატორებს, აქვთ არაორგანული თვისებების მსგავსი არაორგანული თვისებები. ეს მოიცავს შემდეგს:
- დააჩქარეთ მხოლოდ თერმოდინამიკურად შესაძლო რეაქციები.
- არ იმოქმედოთ წონასწორობის სისტემებში ქიმიური წონასწორობის ცვლილებაზე, მაგრამ თანაბრად აჩქარებს როგორც წინა, ისე საპირისპირო პროცესებს.
- შედეგად, რეაქციის სფეროში რჩება მხოლოდ პროდუქტები, მათ შორის კატალიზატორი არ არის.
თუმცა, გარდა მსგავსებისა, არსებობს ფერმენტების გამორჩეული თვისებებიც.
განსხვავებები ბუნების მიხედვით
ბიოლოგიურ კატალიზატორებს აქვთ რამდენიმე სპეციფიკური თვისება:
- შერჩევითობის მაღალი ხარისხი. ანუ ერთ პროტეინს შეუძლია გაააქტიუროს მხოლოდ გარკვეული რეაქცია ან მსგავსი ჯგუფი. ყველაზე ხშირად მუშაობს „ფერმენტი - ერთი პროცესის სუბსტრატი“სქემა.
- ძალიან მაღალი ხარისხის აქტივობა, რადგან ცილების ზოგიერთ სახეობას შეუძლია მილიონჯერ დააჩქაროს რეაქციები.
- ფერმენტები დიდად არის დამოკიდებულიგარემო პირობებიდან. ისინი აქტიურია მხოლოდ გარკვეული ტემპერატურის დიაპაზონში. გარემოს pH ასევე ძლიერ გავლენას ახდენს. არსებობს მრუდი, რომელიც აჩვენებს მინიმალურ, მაქსიმალურ და ოპტიმალურ მნიშვნელობებს თითოეული ფერმენტისთვის.
- არსებობს სპეციალური ნაერთები, სახელწოდებით ეფექტორები, რომლებსაც შეუძლიათ დათრგუნონ ბიოლოგიური კატალიზატორების ბუნება ან, პირიქით, დადებითად იმოქმედონ მათზე.
- სუბსტრატი, რომელზეც ფერმენტი მუშაობს, უნდა იყოს მკაცრად სპეციფიკური. არსებობს თეორია, რომელსაც ეწოდება გასაღები და საკეტი. იგი აღწერს სუბსტრატზე ფერმენტის მოქმედების მექანიზმს. კატალიზატორი, გასაღების მსგავსად, ჩასმულია სუბსტრატში თავისი აქტიური ადგილით და იწყება რეაქცია.
- პროცესის შემდეგ ფერმენტი ნაწილობრივ ან მთლიანად განადგურებულია.
ამგვარად, აშკარაა, რომ ცილის კატალიზატორების მნიშვნელობა ძალიან მაღალია ცოცხალი ორგანიზმებისთვის. თუმცა მათი მოქმედება გარკვეულ წესებს ექვემდებარება და შემოიფარგლება გარემო პირობებით.
სკოლაში კატალიზის შესწავლა
სასკოლო სასწავლო გეგმის ფარგლებში კატალიზატორებს სწავლობენ როგორც ქიმიაში, ასევე ბიოლოგიაში. ქიმიის გაკვეთილებზე მათ სწავლობენ ნივთიერებების კუთხით, რომლებიც შესაძლებელს ხდის სამრეწველო სინთეზების განხორციელებას და სხვადასხვა პროდუქტის დიდი რაოდენობით მიღებას. ბიოლოგიის გაკვეთილებზე განიხილება ბიოლოგიური კატალიზატორები. მე-9 კლასი მოიცავს მოლეკულური ბიოლოგიის და ბიოქიმიის საფუძვლების შესწავლას. ამიტომ, განათლების ამ ეტაპზე მოსწავლეები იღებენ საბაზისო ცოდნას ფერმენტების, როგორც აქტიური ნივთიერებების შესახებცოცხალი არსებების ორგანიზმები.
გაკვეთილებზე ტარდება ექსპერიმენტები, რომლებიც ადასტურებენ ამ ნივთიერებების ქიმიურ აქტივობას გარკვეულ ტემპერატურულ დიაპაზონში და გარემოს pH-ში:
- შესწავლა წყალბადის ზეჟანგის, როგორც კატალიზატორის ზემოქმედების შესახებ უმი და მოხარშულ სტაფილოზე;
- ეფექტი ხორცზე (მოხარშული და უმი), კარტოფილზე და სხვა პროდუქტებზე.
ფერმენტები ადამიანის ორგანიზმში
ყველა სკოლის მოსწავლემ, რომელიც არის საკმარისად განათლებული და რომელმაც გადალახა საშუალო განათლების ზღვარი, იცის რა ჰქვია ბიოლოგიურ კატალიზატორებს. ორგანიზმში არსებულ ფერმენტებს აქვთ მკაცრად სპეციფიკური სპეციალობა. ამიტომ, თითოეული პროცესისთვის შეგიძლიათ დაასახელოთ თქვენი კატალიზური ნივთიერება.
ასე რომ, სხეულის ყველა ფერმენტი შეიძლება დაიყოს რამდენიმე ჯგუფად:
- ოქსიდორედუქტაზები, როგორიცაა კატალაზა ან ალკოჰოლის დეჰიდროგენაზა;
- ტრანსფერაზები - კენაზა;
- ჰიდროლაზები, რომლებიც მნიშვნელოვანია საჭმლის მონელებისთვის: პეპსინი, ამილაზა, ლიპოპროტეინ ლიპაზა, ესტერაზა და სხვა;
- ლიგაზები, მაგ., დნმ პოლიმერაზა;
- იზომერაზა;
- lyases.
ვინაიდან ყველა ეს ნაერთი ცილოვანი ხასიათისაა, ისევე როგორც შემადგენლობაში შემავალი ვიტამინების კომპლექსი, სხეულის ტემპერატურის მატება სავსეა სტრუქტურის დენატურაციით და, შესაბამისად, ყველა ბიოქიმიური რეაქციის შეწყვეტით. ამ შემთხვევაში ორგანიზმი სიკვდილთან ახლოსაა. ამიტომ, სხეულის მაღალი ტემპერატურა აუცილებლად იკლებს ავადმყოფობის დროს.
პროტეინის კატალიზატორების გამოყენება ინდუსტრიაში
ხშირად ფერმენტები გამოიყენება სხვადასხვა ინდუსტრიაშიინდუსტრია:
- ქიმიური;
- ტექსტილი;
- საჭმელი.
მაღაზიების თაროებზე შეგიძლიათ იხილოთ საწმენდი საშუალებები და ფერმენტების შემცველი სარეცხი ფხვნილები - ეს არის ფერმენტები, რომლებიც აუმჯობესებენ ტანსაცმლის რეცხვის ხარისხს.
რისთვის არის ბიოლოგიური კატალიზატორები?
ძნელია მათი მნიშვნელობის გადაჭარბება. ყოველივე ამის შემდეგ, ისინი არა მხოლოდ აძლევენ ცოცხალ ორგანიზმებს საშუალებას იცხოვრონ, სუნთქონ, ჭამონ, განახორციელონ მეტაბოლური პროცესები, არამედ გვაძლევენ შესაძლებლობას გავანადგუროთ სამრეწველო ნარჩენები, მივიღოთ მედიკამენტები, დავიცვათ და დავიცვათ ჩვენი ჯანმრთელობა და გარემო.
