Как называются биологические катализаторы? Ферменты как биологические катализаторы

Человеческий организм называют биохимической фабрикой совершенно не зря. Ведь каждую минуту в нем происходят тысячи, десятки и сотни тысяч процессов окисления, расщепления, восстановления и прочих реакций. Что позволяет им протекать с такой огромной скоростью, обеспечивая каждую клетку энергией, питанием и кислородом?

Понятие о катализаторах

Как в неорганической, так и в органической химии очень широко используются специальные вещества, способные ускорять протекание химических реакций в несколько тысяч, а иногда и миллионов раз. Название этих соединений - "катализаторы". В неорганической химии это оксиды металлов, платина, серебро, никель и другие.

Их главное действие - образование временных комплексов с участниками реакции, за счет понижения энергии активации процесс осуществляется в несколько раз быстрее. После этого комплекс распадается, и из сферы можно вывести катализатор в том же количественном и качественном составе, что и до начала процесса.

Существует два варианта каталитических реакций:

• гомогенные - ускоритель и участники в одном агрегатном состоянии;
• гетерогенные - ускоритель и участники в разных состояниях, есть граница раздела фаз.

Кроме того, есть и противоположные по действию соединения - ингибиторы. Они направлены на замедление необходимых реакций. Так, например, они позволяют снизить количество времени на формирование коррозии.

Биологические катализаторы по своей природе отличаются от неорганических, да и свойства их несколько специфичны. Поэтому в живых системах катализ другой.

Ферменты - что это?

Доказано, что если бы действие специальных веществ, ускоряющих обозначенные процессы, не осуществлялось внутри живых систем, то обычное яблоко в желудке переваривалось бы около двух дней. За такое количество времени начались бы процессы разложения и интоксикация продуктами гниения. Однако этого не происходит, и фрукт полностью перерабатывается уже за полтора часа. Осуществляют это биологические катализаторы, которые в большом количестве присутствуют в составе каждого организма. Но что они собой представляют и на чем основано такое действие?

Биологические катализаторы белковой природы - это ферменты. Их основа - сложные структурная организация, обладающая рядом специфичных свойств. Проще говоря, это уникальные белки, способные снижать энергию активации процессов в живых организмах и осуществлять их со скоростью, превышающей обычные значения в несколько миллионов раз.

Можно привести множество примеров подобных молекул:

• каталаза;
• амилаза;
• оксиредуктаза;
• глюкозооксидаза;
• липаза;
• инвертаза;
• лизоцим;
• протеаза и другие.

Таким образом, можно сделать вывод: ферменты - биологические катализаторы белковой природы, которые действуют как сильные ускорители, позволяя осуществлять тысячи процессов в живых организмах с очень высокой скоростью. На их действии основано пищеварение, окисление, восстановление.

Сходства неорганических и белковых катализаторов

Ферменты как биологические катализаторы имеют ряд свойств, схожих с неорганическими. К таковым можно отнести следующие:

1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции.
2. Не влияют на смещение химического равновесия в равновесных системах, а одинаково ускоряют как прямой, так и обратный процесс.
3. В итоге в сфере реакции остаются только продукты, катализатор в их число не входит.

Однако, помимо схожести, существуют еще и отличительные особенности ферментов.

Различия в зависимости от природы

Биологические катализаторы имеют несколько специфических особенностей:

1. Высокая степень избирательности. То есть один белок способен активизировать только какую-то определенную реакцию или группу схожих. Чаще всего работает схема "фермент - субстрат одного процесса".
2. Чрезвычайно высокая степень активности, ведь некоторые виды белков способны ускорять реакции в миллионы раз.
3. Ферменты сильно зависят от условий среды. Проявляют активность только в определенном интервале температур. Также сильно влияет рН среды. Существует кривая, показывающая значения минимума, максимума и оптимума по показателям для каждого фермента.
4. Существуют специальные соединения, называемые эффекторами, которые способны угнетать природу биологических катализаторов либо, наоборот, положительно влиять на них.
5. Субстрат, на котором работает фермент, должен быть строго специфичен. Существует теория, которая носит название ключа и замка. Она описывает механизм действия фермента на субстрате. Катализатор, подобно ключу, встраивается в субстрат своим активным центром, и начинается реакция.
6. После процесса фермент частично либо полностью разрушается.

Таким образом, очевидно, что значение белковых катализаторов крайне велико для живых организмов. Однако действие их подчиняется определенным правилам и ограничивается рамками условий окружающей среды.

Изучение катализа в школе

В рамках школьной программы катализаторы изучаются как на химии, так и на биологии. На уроках химии они изучаются с точки зрения веществ, позволяющих осуществлять промышленные синтезы, получать большое количество разнообразных продуктов. На уроках биологии рассматриваются именно биологические катализаторы. 9 класс подразумевает изучение молекулярной биологии и основ биохимии. Поэтому именно на данной ступени образования учащиеся и получают основы знаний о ферментах как действующих веществах в организмах живых существ.

На уроках проводятся опыты, подтверждающие химическую активность данных веществ в определенных температурных интервалах и рН среды:

• исследование действия перекиси водорода как катализатора на сырую и вареную морковь;
• воздействие на мясо (обработанное термически и сырое), картофель и прочие продукты.

Ферменты в организме человека

Каждый школьник, достаточно образованный и перешедший рубеж среднего звена образования, знает, как называются биологические катализаторы. Ферменты в организме имеют строго специфическую специализацию. Поэтому для каждого процесса можно назвать свое катализирующее вещество.

Так, все ферменты организма можно разделить на несколько групп:

• оксидоредуктазы, например, каталаза или алкогольдегидрогеназа;
• трансферазы - кеназа;
• гидролазы, важные для пищеварения: пепсин, амилаза, липопротеинлипаза, эстераза и другие;
• лигазы, например, ДНК-полимераза;
• изомеразы;
• лиазы.

Так как все эти соединения имеют белковую природу, а также комплекс витаминов в составе, то повышение температуры тела чревато денатурацией структуры, а следовательно, прекращением всех биохимических реакций. В этом случае организм близок к смерти. Поэтому высокую температуру тела обязательно сбивают во время болезни.

Использование белковых катализаторов в промышленности

Часто ферменты используются в разных отраслях промышленности:

• химической;
• текстильной;
• пищевой.

На полках магазинов можно видеть чистящие средства и стиральные порошки с содержанием энзимов - это и есть ферменты, улучшающие качество стирки белья.

Для чего нужны биологические катализаторы?

Переоценить их значение сложно. Ведь они не только позволяют живым организмам жить, дышать, питаться, осуществлять процессы метаболизма, но и дают нам возможность уничтожать промышленные отходы, получать лекарства, защищать и оберегать свое здоровье и состояние окружающей среды.