Der menschliche Körper wird aus gutem Grund als biochemische Fabrik bezeichnet. Schließlich laufen darin jede Minute Tausende, Zehn- und Hunderttausende von Prozessen der Oxidation, Sp altung, Reduktion und anderer Reaktionen ab. Was ermöglicht es ihnen, mit solch einer enormen Geschwindigkeit zu fließen und jede Zelle mit Energie, Nahrung und Sauerstoff zu versorgen?
Das Konzept der Katalysatoren
Sowohl in der anorganischen als auch in der organischen Chemie sind spezielle Substanzen weit verbreitet, die chemische Reaktionen um mehrere Tausend, manchmal Millionen Mal beschleunigen können. Der Name dieser Verbindungen ist "Katalysatoren". In der anorganischen Chemie sind dies Metalloxide, Platin, Silber, Nickel und andere.
Ihre Hauptwirkung ist die Bildung temporärer Komplexe mit den Reaktionsteilnehmern, durch Absenken der Aktivierungsenergie wird der Prozess um ein Vielfaches schneller durchgeführt. Danach zersetzt sich der Komplex und der Katalysator kann in der gleichen quantitativen und qualitativen Zusammensetzung wie vor Beginn des Prozesses aus der Kugel entfernt werden.
Es gibt zwei Arten von katalytischen Reaktionen:
- homogen - Beschleuniger und Teilnehmer in einemAggregatzustand;
- heterogen - Beschleuniger und Teilnehmer in unterschiedlichen Zuständen, es gibt eine Phasengrenze.
Darüber hinaus gibt es Verbindungen, die gegensätzlich wirken – Hemmer. Sie zielen darauf ab, die notwendigen Reaktionen zu verlangsamen. So können Sie beispielsweise die Zeit für die Korrosionsbildung verkürzen.
Biologische Katalysatoren unterscheiden sich von Natur aus von anorganischen, und ihre Eigenschaften sind etwas spezifisch. Daher ist die Katalyse in lebenden Systemen anders.
Enzyme - was ist das?
Es wurde bewiesen, dass, wenn die Wirkung spezieller Substanzen, die die angegebenen Prozesse beschleunigen, nicht in lebenden Systemen durchgeführt würde, ein gewöhnlicher Apfel im Magen etwa zwei Tage lang verdaut würde. Für eine solche Zeitspanne würden die Prozesse der Zersetzung und Vergiftung mit Zerfallsprodukten beginnen. Dies geschieht jedoch nicht und die Früchte werden in anderthalb Stunden vollständig verarbeitet. Dies geschieht durch biologische Katalysatoren, die in großen Mengen in der Zusammensetzung jedes Organismus vorhanden sind. Aber was sind sie und was ist die Grundlage einer solchen Aktion?
Biologische Katalysatoren der Proteinnatur sind Enzyme. Ihre Basis ist eine komplexe strukturelle Organisation mit einer Reihe spezifischer Eigenschaften. Einfach ausgedrückt handelt es sich um einzigartige Proteine, die die Aktivierungsenergie von Prozessen in lebenden Organismen reduzieren und diese mit einer Geschwindigkeit durchführen können, die die üblichen Werte um das Millionenfache übersteigt.
Es gibt viele Beispiele für solche Moleküle:
- katalase;
- Amylase;
- oxireduktase;
- Glukoseoxidase;
- lipase;
- invertase;
- Lysozym;
- Protease und andere.
Daher können wir schlussfolgern: Enzyme sind biologische Katalysatoren von Proteinnatur, die als starke Beschleuniger wirken und es ermöglichen, dass Tausende von Prozessen in lebenden Organismen mit sehr hoher Geschwindigkeit ablaufen. Verdauung, Oxidation, Wiederherstellung basieren auf ihrer Wirkung.
Ähnlichkeiten von anorganischen und Proteinkatalysatoren
Enzyme als biologische Katalysatoren haben eine Reihe ähnlicher Eigenschaften wie anorganische. Dazu gehören die folgenden:
- Nur thermodynamisch mögliche Reaktionen beschleunigen.
- Beeinflussen Sie nicht die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts in Gleichgewichtssystemen, sondern beschleunigen Sie sowohl den Vorwärts- als auch den Rückwärtsprozess gleichermaßen.
- Dadurch verbleiben nur noch Produkte in der Reaktionssphäre, der Katalysator gehört nicht dazu.
Neben Ähnlichkeiten gibt es aber auch Besonderheiten bei Enzymen.
Unterschiede nach Natur
Biologische Katalysatoren haben mehrere spezifische Eigenschaften:
- Hohe Selektivität. Das heißt, ein Protein kann nur eine bestimmte Reaktion oder eine Gruppe ähnlicher Reaktionen aktivieren. Am häufigsten funktioniert das Schema "Enzym - Substrat eines Prozesses".
- Extrem hohe Aktivität, da manche Proteinarten Reaktionen millionenfach beschleunigen können.
- Enzyme sind stark abhängig vonvon Umweltbedingungen. Sie sind nur in einem bestimmten Temperaturbereich aktiv. Der pH-Wert des Mediums beeinflusst ebenfalls stark. Es gibt eine Kurve, die die minimalen, maximalen und optimalen Werte für jedes Enzym zeigt.
- Es gibt spezielle Verbindungen, sogenannte Effektoren, die die Natur biologischer Katalysatoren hemmen oder umgekehrt positiv auf sie wirken können.
- Das Substrat, auf dem das Enzym wirkt, muss streng spezifisch sein. Es gibt eine Theorie namens Schlüssel und Schloss. Es beschreibt den Wirkungsmechanismus des Enzyms auf das Substrat. Der Katalysator wird wie ein Schlüssel mit seinem aktiven Zentrum in das Substrat eingebettet und die Reaktion beginnt.
- Nach dem Prozess ist das Enzym teilweise oder vollständig zerstört.
Daher ist es offensichtlich, dass die Bedeutung von Proteinkatalysatoren für lebende Organismen extrem hoch ist. Ihre Wirkung unterliegt jedoch bestimmten Regeln und wird durch Umgebungsbedingungen begrenzt.
Katalyse in der Schule lernen
Als Teil des Schullehrplans werden Katalysatoren sowohl in Chemie als auch in Biologie studiert. Im Chemieunterricht werden sie unter dem Gesichtspunkt von Stoffen untersucht, die es ermöglichen, industrielle Synthesen durchzuführen und eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte zu erh alten. Im Biologieunterricht werden biologische Katalysatoren betrachtet. Klasse 9 beinh altet das Studium der Molekularbiologie und der Grundlagen der Biochemie. Daher erh alten die Studierenden in dieser Ausbildungsstufe das Grundwissen über Enzyme als WirkstoffeOrganismen von Lebewesen.
Im Unterricht werden Experimente durchgeführt, die die chemische Aktivität dieser Substanzen in bestimmten Temperaturbereichen und pH-Werten der Umgebung bestätigen:
- Untersuchung der Wirkung von Wasserstoffperoxid als Katalysator auf rohe und gekochte Karotten;
- Wirkung auf Fleisch (gekocht und roh), Kartoffeln und andere Produkte.
Enzyme im menschlichen Körper
Jedes gut ausgebildete Schulkind, das die Schulbank überschritten hat, weiß, wie man biologische Katalysatoren nennt. Enzyme im Körper haben eine streng spezifische Spezialisierung. Daher können Sie für jeden Prozess Ihre katalytische Substanz benennen.
Also lassen sich alle Enzyme des Körpers in mehrere Gruppen einteilen:
- Oxidoreduktasen wie Katalase oder Alkoholdehydrogenase;
- Transferasen - Kenase;
- für die Verdauung wichtige Hydrolasen: Pepsin, Amylase, Lipoproteinlipase, Esterase und andere;
- Ligasen, z. B. DNA-Polymerase;
- Isomerase;
- lyases.
Da alle diese Verbindungen proteinischer Natur sind, sowie ein Vitaminkomplex in der Zusammensetzung, ist eine Erhöhung der Körpertemperatur mit einer Denaturierung der Struktur und folglich mit der Beendigung aller biochemischen Reaktionen behaftet. In diesem Fall ist der Organismus dem Tode nahe. Daher wird eine hohe Körpertemperatur während einer Krankheit zwangsläufig gesenkt.
Einsatz von Proteinkatalysatoren in der Industrie
Oft werden Enzyme in verschiedenen Branchen eingesetztBranche:
- chemisch;
- Textil;
- Essen.
In den Regalen der Geschäfte sieht man Reinigungsprodukte und Waschpulver, die Enzyme enth alten - das sind Enzyme, die die Qualität der Wäsche verbessern.
Wozu dienen biologische Katalysatoren?
Es ist schwierig, ihre Bedeutung zu überschätzen. Schließlich ermöglichen sie nicht nur lebenden Organismen zu leben, zu atmen, zu essen, Stoffwechselprozesse durchzuführen, sondern geben uns auch die Möglichkeit, Industrieabfälle zu vernichten, Medikamente zu gewinnen, unsere Gesundheit und die Umwelt zu schützen und zu schützen.
