Het menselijk lichaam wordt niet voor niets een biochemische fabriek genoemd. Daarin vinden immers elke minuut duizenden, tienduizenden en honderdduizenden processen van oxidatie, splitsing, reductie en andere reacties plaats. Waardoor kunnen ze met zo'n enorme snelheid stromen en elke cel voorzien van energie, voeding en zuurstof?
Het concept van katalysatoren
Zowel in de anorganische als in de organische chemie worden op grote schaal speciale stoffen gebruikt die chemische reacties duizenden en soms miljoenen keren kunnen versnellen. De naam van deze verbindingen is "katalysatoren". In de anorganische chemie zijn dit metaaloxiden, platina, zilver, nikkel en andere.
Hun belangrijkste actie is de vorming van tijdelijke complexen met de reactiedeelnemers, door de activeringsenergie te verlagen, wordt het proces meerdere keren sneller uitgevoerd. Daarna ontleedt het complex en kan de katalysator uit de bol worden verwijderd in dezelfde kwantitatieve en kwalitatieve samenstelling als voor de start van het proces.
Er zijn twee soorten katalytische reacties:
- homogeneous - accelerator en deelnemers in ééngeaggregeerde staat;
- heterogeen - versneller en deelnemers in verschillende staten, er is een fasegrens.
Bovendien zijn er verbindingen die tegengesteld zijn in actie - remmers. Ze zijn bedoeld om de nodige reacties te vertragen. Ze zorgen er bijvoorbeeld voor dat u de hoeveelheid tijd voor de vorming van corrosie kunt verkorten.
Biologische katalysatoren zijn inherent verschillend van anorganische, en hun eigenschappen zijn enigszins specifiek. Daarom is katalyse anders in levende systemen.
Enzymen - wat is het?
Het is bewezen dat als de werking van speciale stoffen die de aangegeven processen versnellen niet in levende systemen zou worden uitgevoerd, een gewone appel in de maag ongeveer twee dagen zou worden verteerd. Gedurende zo'n tijd zouden de processen van ontbinding en bedwelming met vervalproducten beginnen. Dit gebeurt echter niet en het fruit is in anderhalf uur volledig verwerkt. Dit wordt uitgevoerd door biologische katalysatoren, die in grote hoeveelheden aanwezig zijn in de samenstelling van elk organisme. Maar wat zijn dat en wat is de basis van zo'n actie?
Biologische katalysatoren van eiwitaard zijn enzymen. Hun basis is een complexe structurele organisatie met een aantal specifieke eigenschappen. Simpel gezegd, dit zijn unieke eiwitten die de activeringsenergie van processen in levende organismen kunnen verminderen en uitvoeren met een snelheid die de gebruikelijke waarden enkele miljoenen keren overschrijdt.
Er zijn veel voorbeelden van dergelijke moleculen:
- catalase;
- amylase;
- oxireductase;
- glucose-oxidase;
- lipase;
- invertase;
- lysozyme;
- protease en anderen.
We kunnen dus concluderen: enzymen zijn biologische katalysatoren van eiwitaard, die werken als sterke versnellers, waardoor duizenden processen in levende organismen met een zeer hoge snelheid kunnen worden uitgevoerd. Vertering, oxidatie en herstel zijn gebaseerd op hun werking.
Overeenkomsten van anorganische en eiwitkatalysatoren
Enzymen als biologische katalysatoren hebben een aantal eigenschappen die vergelijkbaar zijn met anorganische. Deze omvatten het volgende:
- Alleen thermodynamisch mogelijke reacties versnellen.
- Beïnvloed de verschuiving van chemisch evenwicht in evenwichtssystemen niet, maar versnel zowel de voorwaartse als de achterwaartse processen.
- Hierdoor blijven alleen producten in de reactiesfeer achter, de katalysator zit er niet bij.
Naast overeenkomsten zijn er echter ook onderscheidende kenmerken van enzymen.
Verschillen naar de natuur
Biologische katalysatoren hebben verschillende specifieke kenmerken:
- Hoge mate van selectiviteit. Dat wil zeggen dat één eiwit alleen een bepaalde reactie of een groep vergelijkbare reacties kan activeren. Meestal werkt het schema "enzym - substraat van één proces".
- Extreem hoge mate van activiteit, omdat sommige soorten eiwitten reacties miljoenen keren kunnen versnellen.
- Enzymen zijn sterk afhankelijk vanvan omgevingsomstandigheden. Ze zijn alleen actief in een bepaald temperatuurbereik. Ook de pH van het medium is sterk van invloed. Er is een curve die de minimale, maximale en optimale waarden voor elk enzym weergeeft.
- Er zijn speciale verbindingen, effectoren genaamd, die de aard van biologische katalysatoren kunnen remmen of, omgekeerd, een positief effect op hen kunnen hebben.
- Het substraat waarop het enzym werkt, moet strikt specifiek zijn. Er is een theorie die de sleutel en het slot wordt genoemd. Het beschrijft het werkingsmechanisme van het enzym op het substraat. De katalysator wordt, net als een sleutel, met zijn actieve plaats in het substraat ingebed en de reactie begint.
- Na het proces wordt het enzym gedeeltelijk of volledig vernietigd.
Het is dus duidelijk dat het belang van eiwitkatalysatoren extreem hoog is voor levende organismen. Hun actie is echter onderworpen aan bepaalde regels en wordt beperkt door omgevingsomstandigheden.
Katalyse studeren op school
Als onderdeel van het schoolcurriculum worden katalysatoren bestudeerd in zowel scheikunde als biologie. In scheikundelessen worden ze bestudeerd vanuit het oogpunt van stoffen die het mogelijk maken om industriële syntheses uit te voeren en een groot aantal verschillende producten te verkrijgen. In biologielessen komen biologische katalysatoren aan bod. Graad 9 omvat de studie van moleculaire biologie en de basisprincipes van biochemie. Daarom krijgen de leerlingen in deze onderwijsfase de basiskennis over enzymen als werkzame stoffen inorganismen van levende wezens.
Er worden experimenten uitgevoerd tijdens de lessen, die de chemische activiteit van deze stoffen in bepaalde temperatuurbereiken en pH van de omgeving bevestigen:
- onderzoek naar het effect van waterstofperoxide als katalysator op rauwe en gekookte wortelen;
- effect op vlees (gekookt en rauw), aardappelen en andere producten.
Enzymen in het menselijk lichaam
Ieder schoolkind dat voldoende is opgeleid en de grens van het secundair onderwijs heeft overschreden, weet wat biologische katalysatoren worden genoemd. Enzymen in het lichaam hebben een strikt specifieke specialisatie. Daarom kunt u voor elk proces uw katalytische stof een naam geven.
Dus, alle enzymen van het lichaam kunnen in verschillende groepen worden verdeeld:
- oxidoreductasen zoals catalase of alcoholdehydrogenase;
- transferases - kenase;
- hydrolasen die belangrijk zijn voor de spijsvertering: pepsine, amylase, lipoproteïnelipase, esterase en andere;
- ligasen, bijv. DNA-polymerase;
- isomerase;
- lyases.
Aangezien al deze verbindingen een eiwitkarakter hebben, evenals een complex van vitamines in de samenstelling, gaat een verhoging van de lichaamstemperatuur gepaard met denaturatie van de structuur en bijgevolg de stopzetting van alle biochemische reacties. In dit geval is het organisme dicht bij de dood. Daarom wordt een hoge lichaamstemperatuur noodzakelijkerwijs verlaagd tijdens ziekte.
Gebruik van eiwitkatalysatoren in de industrie
Vaak worden enzymen in verschillende industrieën gebruiktindustrie:
- chemical;
- textiel;
- eten.
In de schappen van winkels zie je schoonmaakproducten en waspoeders die enzymen bevatten - dit zijn enzymen die de kwaliteit van het wassen van kleding verbeteren.
Waar zijn biologische katalysatoren voor?
Het is moeilijk om hun belang te overschatten. Ze laten immers niet alleen levende organismen leven, ademen, eten, stofwisselingsprocessen uitvoeren, maar geven ons ook de mogelijkheid om industrieel afval te vernietigen, medicijnen te verkrijgen, onze gezondheid en het milieu te beschermen en te beschermen.
