Адам ағзасын биохимиялық фабрика деп атайтыны белгілі. Өйткені, онда әр минут сайын мыңдаған, ондаған және жүздеген мың тотығу, бөліну, тотықсыздану және басқа да реакциялар жүреді. Олардың әрбір жасушаны энергиямен, қоректенумен және оттегімен қамтамасыз ететін осындай орасан жылдамдықпен ағуына не мүмкіндік береді?
Катализаторлар түсінігі
Бейорганикалық және органикалық химияда химиялық реакцияларды бірнеше мың, кейде миллиондаған есе жылдамдата алатын арнайы заттар кеңінен қолданылады. Бұл қосылыстардың атауы «катализаторлар». Бейорганикалық химияда бұл металл оксидтері, платина, күміс, никель және т.б.
Олардың негізгі әрекеті реакцияға қатысушылармен уақытша комплекстер түзу, активтену энергиясын төмендету арқылы процесс бірнеше есе жылдамырақ жүзеге асады. Осыдан кейін кешен ыдырайды, катализаторды сферадан процесс басталғанға дейінгідей сандық және сапалық құрамда шығаруға болады.
Катализдік реакциялардың екі түрі бар:
- біртекті - акселератор мен қатысушылар біріндежиынтық күй;
- гетерогенді - әр түрлі штаттардағы үдеткіш және қатысушылар, фазалық шекара бар.
Сонымен қатар, әрекеті бойынша қарама-қарсы қосылыстар – ингибиторлар бар. Олар қажетті реакцияларды бәсеңдетуге бағытталған. Мәселен, олар коррозияның пайда болу уақытын азайтуға мүмкіндік береді.
Биологиялық катализаторлар бейорганикалық катализаторлардан табиғи түрде ерекшеленеді және олардың қасиеттері біршама ерекше. Сондықтан тірі жүйелерде катализ әртүрлі.
Ферменттер - бұл не?
Көрсетілген процестерді жеделдететін арнайы заттардың әрекеті тірі жүйелердің ішінде жүзеге асырылмаса, асқазандағы кәдімгі алма шамамен екі күн бойы қорытылатыны дәлелденді. Осындай уақыт ішінде ыдырау және ыдырау өнімдерімен улану процестері басталады. Дегенмен, бұл болмайды, ал жемістер бір жарым сағат ішінде толығымен өңделеді. Мұны әр ағзаның құрамында көп мөлшерде болатын биологиялық катализаторлар жүзеге асырады. Бірақ олар не және мұндай әрекеттің негізі неде?
Белок табиғатының биологиялық катализаторлары ферменттер. Олардың негізі бірқатар нақты қасиеттері бар күрделі құрылымдық ұйым болып табылады. Қарапайым тілмен айтқанда, бұл тірі ағзалардағы процестердің белсендіру энергиясын азайтып, оларды әдеттегі мәндерден бірнеше миллион есе асатын жылдамдықпен жүзеге асыра алатын бірегей ақуыздар.
Мұндай молекулалардың көптеген мысалдары бар:
- каталаза;
- амилаза;
- оксиредуктаза;
- глюкозаоксидаза;
- липаза;
- инвертаза;
- лизоцима;
- протеаза және басқалар.
Осылайша, мынадай қорытынды жасауға болады: ферменттер тірі ағзалардағы мыңдаған процестерді өте жоғары жылдамдықпен жүргізуге мүмкіндік беретін күшті үдеткіштер қызметін атқаратын ақуыздық табиғаттың биологиялық катализаторлары. Ас қорыту, тотығу, қалпына келтіру олардың әрекетіне негізделген.
Бейорганикалық және ақуыз катализаторларының ұқсастықтары
Ферменттер биологиялық катализатор ретінде бейорганикалыққа ұқсас бірқатар қасиеттерге ие. Оларға мыналар кіреді:
- Тек термодинамикалық мүмкін болатын реакцияларды тездетіңіз.
- Тепе-теңдік жүйелеріндегі химиялық тепе-теңдіктің ығысуына әсер етпеңіз, бірақ тура және кері процестерді бірдей жылдамдатады.
- Нәтижесінде реакция сферасында өнімдер ғана қалады, катализатор олардың арасында емес.
Алайда, ұқсастықтардан басқа, ферменттердің ерекше белгілері де бар.
Табиғатқа байланысты айырмашылықтар
Биологиялық катализаторлардың бірнеше ерекшелігі бар:
- Таңдаудың жоғары дәрежесі. Яғни, бір ақуыз белгілі бір реакцияны немесе ұқсас реакцияларды ғана белсендіруге қабілетті. Көбінесе «фермент – бір процестің субстраты» схемасы жұмыс істейді.
- Белгіліліктің өте жоғары дәрежесі, себебі белоктардың кейбір түрлері реакцияларды миллиондаған есе жылдамдата алады.
- Ферменттер өте тәуелдіқоршаған орта жағдайларынан. Олар белгілі бір температура диапазонында ғана белсенді. Ортаның рН-ы да қатты әсер етеді. Әрбір фермент үшін минималды, максималды және оңтайлы мәндерді көрсететін қисық бар.
- Биологиялық катализаторлардың табиғатын тежейтін немесе керісінше оларға оң әсер ететін эффекторлар деп аталатын арнайы қосылыстар бар.
- Фермент жұмыс істейтін субстрат қатаң түрде ерекше болуы керек. Кілт пен құлып деген теория бар. Ол ферменттің субстратқа әсер ету механизмін сипаттайды. Катализатор кілт сияқты субстратқа өзінің белсенді орнымен ендірілген және реакция басталады.
- Процесстен кейін фермент ішінара немесе толық жойылады.
Осылайша, ақуыз катализаторларының тірі организмдер үшін маңызы өте жоғары екені анық. Дегенмен, олардың әрекеті белгілі бір ережелерге бағынады және қоршаған орта жағдайларымен шектеледі.
Мектепте катализді оқу
Мектеп бағдарламасының бөлігі ретінде катализаторлар химияда да, биологияда да оқытылады. Химия сабақтарында олар өнеркәсіптік синтездерді жүргізуге және әртүрлі өнімдердің көп мөлшерін алуға мүмкіндік беретін заттар тұрғысынан зерттеледі. Биология сабақтарында биологиялық катализаторлар қарастырылады. 9-сыныпта молекулалық биология және биохимия негіздері оқылады. Сондықтан студенттер белсенді зат ретіндегі ферменттер туралы негізгі білімді білім берудің осы кезеңінде аладытірі организмдер.
Сабақтарда осы заттардың белгілі бір температура диапазонында және қоршаған ортаның рН-ында химиялық белсенділігін растайтын тәжірибелер жүргізіледі:
- сутегі асқын тотығының шикі және қайнатылған сәбізге катализатор ретінде әсерін зерттеу;
- етке (пісірілген және шикі), картопқа және басқа өнімдерге әсері.
Адам ағзасындағы ферменттер
Білімі жеткілікті, орта білім беру жолын кесіп өткен әрбір мектеп оқушысы биологиялық катализаторлар қалай аталатынын біледі. Ағзадағы ферменттердің қатаң арнайы мамандануы бар. Сондықтан әрбір процесс үшін каталитикалық затыңызды атай аласыз.
Демек, ағзаның барлық ферменттерін бірнеше топқа бөлуге болады:
- оксидоредуктазалар, мысалы каталаза немесе спирт дегидрогеназа;
- трансферазалар - кеназа;
- ас қорыту үшін маңызды гидролазалар: пепсин, амилаза, липопротеин-липаза, эстеразалар және т.б.;
- лигазалар, мысалы, ДНҚ полимераза;
- изомераза;
- lyases.
Бұл қосылыстардың барлығы ақуызды сипатта болғандықтан, сонымен қатар құрамында витаминдер кешені бар, дене температурасының жоғарылауы құрылымның денатурациясына, демек, барлық биохимиялық реакциялардың тоқтауына әкеледі. Бұл жағдайда ағза өлімге жақын. Сондықтан ауру кезінде жоғары дене температурасы міндетті түрде төмендейді.
Белок катализаторларын өнеркәсіпте пайдалану
Көбінесе ферменттер әртүрлі салаларда қолданыладысала:
- химиялық;
- тоқыма;
- тағам.
Дүкен сөрелерінен құрамында ферменттері бар тазартқыш құралдар мен кір жуғыш ұнтақтарды көруге болады – бұлар киімді жуу сапасын жақсартатын ферменттер.
Биологиялық катализаторлар не үшін қажет?
Олардың маңыздылығын асыра бағалау қиын. Өйткені, олар тірі ағзалардың өмір сүруіне, тыныс алуына, тамақтануына, зат алмасу процестерін жүзеге асыруына мүмкіндік беріп қана қоймайды, сонымен қатар бізге өндірістік қалдықтарды жоюға, дәрі-дәрмектер алуға, денсаулығымызды және қоршаған ортаны қорғауға және қорғауға мүмкіндік береді.
