לגוף האדם קוראים מפעל ביוכימי מסיבה כלשהי. הרי בכל דקה מתרחשים בו אלפי, עשרות ומאות אלפי תהליכי חמצון, פיצול, הפחתה ותגובות נוספות. מה מאפשר להם לזרום במהירות כה אדירה, ולספק לכל תא אנרגיה, תזונה וחמצן?
המושג של זרזים
גם בכימיה אנאורגנית וגם בכימיה אורגנית, נעשה שימוש נרחב בחומרים מיוחדים שיכולים להאיץ תגובות כימיות בכמה אלפים, ולפעמים מיליוני פעמים. השם של תרכובות אלו הוא "זרזים". בכימיה אנאורגנית, אלו הן תחמוצות מתכות, פלטינה, כסף, ניקל ואחרות.
פעולתם העיקרית היא היווצרות קומפלקסים זמניים עם משתתפי התגובה, על ידי הורדת אנרגיית ההפעלה, התהליך מתבצע מהר פי כמה. לאחר מכן, הקומפלקס מתפרק, וניתן להסיר את הזרז מהכדור באותו הרכב כמותי ואיכותי כמו לפני תחילת התהליך.
יש שני סוגים של תגובות קטליטיות:
- הומוגנית - מאיץ ומשתתפים באחדמצב צבירה;
- הטרוגני - מאיץ ומשתתפים במדינות שונות, יש גבול פאזה.
בנוסף, ישנן תרכובות הפוכות בפעולה - מעכבים. הם מכוונים להאט את התגובות הדרושות. אז, למשל, הם מאפשרים לך לצמצם את משך הזמן להיווצרות קורוזיה.
זרזים ביולוגיים שונים מטבעם מאלה אנאורגניים, ותכונותיהם ספציפיות במקצת. לכן, הקטליזה שונה במערכות חיות.
אנזימים - מה זה?
הוכח שאם פעולתם של חומרים מיוחדים המאיצים את התהליכים המצוינים לא הייתה מתבצעת בתוך מערכות חיות, אז תפוח רגיל בקיבה היה מתעכל במשך כיומיים. במשך פרק זמן כזה, יתחילו תהליכי הפירוק והשכרות במוצרי ריקבון. עם זאת, זה לא קורה, והפרי מעובד לחלוטין תוך שעה וחצי. זה מתבצע על ידי זרזים ביולוגיים, הנמצאים בכמויות גדולות בהרכב של כל אורגניזם. אבל מה הם ומה הבסיס לפעולה כזו?
זרזים ביולוגיים בעלי אופי חלבון הם אנזימים. הבסיס שלהם הוא ארגון מבני מורכב עם מספר מאפיינים ספציפיים. במילים פשוטות, מדובר בחלבונים ייחודיים שיכולים להפחית את אנרגיית ההפעלה של תהליכים באורגניזמים חיים ולבצע אותם במהירות העולה על הערכים הרגילים בכמה מיליוני פעמים.
ישנן דוגמאות רבות למולקולות כאלה:
- catalase;
- amylase;
- oxireductase;
- גלוקוז אוקסידאז;
- lipase;
- invertase;
- lysozyme;
- protease ואחרים.
לכן, אנו יכולים להסיק: אנזימים הם זרזים ביולוגיים של טבע חלבוני, הפועלים כמאיצים חזקים, המאפשרים לבצע אלפי תהליכים באורגניזמים חיים במהירות גבוהה מאוד. עיכול, חמצון, שיקום מבוססים על פעולתם.
דמיון בין זרזים אנאורגניים וחלבונים
לאנזימים כזרזים ביולוגיים יש מספר תכונות הדומות לאלו האנאורגניות. אלה כוללים את הדברים הבאים:
- האץ רק תגובות אפשריות מבחינה תרמודינמית.
- אל תשפיע על הסטת שיווי המשקל הכימי במערכות שיווי משקל, אלא האצה באותה מידה גם את התהליכים קדימה וגם לאחור.
- כתוצאה מכך, רק מוצרים נשארים בספירת התגובה, הזרז אינו ביניהם.
עם זאת, בנוסף לדמיון, יש גם מאפיינים ייחודיים של אנזימים.
הבדלים לפי הטבע
לזרזים ביולוגיים יש כמה תכונות ספציפיות:
- דרגה גבוהה של סלקטיביות. כלומר, חלבון אחד מסוגל להפעיל רק תגובה מסוימת או קבוצה של כאלה דומות. לרוב, סכימת "אנזים - מצע של תהליך אחד" עובדת.
- דרגת פעילות גבוהה במיוחד, מכיוון שסוגים מסוימים של חלבונים יכולים להאיץ תגובות מיליוני פעמים.
- אנזימים תלויים מאוד במתנאי הסביבה. הם פעילים רק בטווח טמפרטורות מסוים. גם ה-pH של המדיום משפיע מאוד. יש עקומה המציגה את הערכים המינימליים, המקסימליים והאופטימליים לכל אנזים.
- ישנן תרכובות מיוחדות הנקראות אפקטורים שיכולות לעכב את טבעם של זרזים ביולוגיים או להיפך, להשפיע לטובה עליהם.
- הסובסטרט עליו פועל האנזים חייב להיות ספציפי בהחלט. יש תיאוריה שנקראת המפתח והמנעול. הוא מתאר את מנגנון הפעולה של האנזים על המצע. הזרז, כמו מפתח, מוטבע במצע עם האתר הפעיל שלו, והתגובה מתחילה.
- לאחר התהליך, האנזים נהרס חלקית או מלאה.
לכן, ברור שחשיבותם של זרזי חלבון גבוהה ביותר עבור אורגניזמים חיים. עם זאת, פעולתם כפופה לכללים מסוימים ומוגבלת על ידי תנאי הסביבה.
לומד קטליזה בבית הספר
כחלק מתוכנית הלימודים בבית הספר, נלמדים זרזים בכימיה ובביולוגיה כאחד. בשיעורי כימיה לומדים אותם מנקודת מבט של חומרים המאפשרים לבצע סינתזות תעשייתיות ולהשיג מספר רב של מוצרים שונים. בשיעורי ביולוגיה נחשבים זרזים ביולוגיים. כיתה ט' כוללת לימודי ביולוגיה מולקולרית ואת יסודות הביוכימיה. לכן, בשלב זה של החינוך התלמידים מקבלים את הידע הבסיסי על אנזימים כחומרים פעיליםאורגניזמים של יצורים חיים.
ניסויים נערכים בשיעורים, המאשרים את הפעילות הכימית של חומרים אלה בטווחי טמפרטורות מסוימים ו-pH של הסביבה:
- מחקר של השפעת מי חמצן כזרז על גזר נא ומבושל;
- השפעה על בשר (מבושל ונא), תפוחי אדמה ומוצרים אחרים.
אנזימים בגוף האדם
כל ילד בעל השכלה מספקת וחצה את קו החינוך התיכוני יודע איך קוראים לזרזים ביולוגיים. לאנזימים בגוף יש התמחות ספציפית בהחלט. לכן, עבור כל תהליך, אתה יכול לתת שם לחומר הקטליטי שלך.
לכן, ניתן לחלק את כל האנזימים בגוף למספר קבוצות:
- oxidoreductases כגון catalase או alcohol dehydrogenase;
- transferases - kenase;
- הידרולאזות חשובות לעיכול: פפסין, עמילאז, ליפופרוטאין ליפאז, אסטראז ואחרים;
- ligases, למשל DNA פולימראז;
- isomerase;
- lyases.
מכיוון שכל התרכובות הללו הן בעלות אופי חלבוני, כמו גם קומפלקס של ויטמינים בהרכב, עלייה בטמפרטורת הגוף טומנת בחובה דנטורציה של המבנה, וכתוצאה מכך, הפסקת כל התגובות הביוכימיות. במקרה זה, האורגניזם קרוב למוות. לכן, טמפרטורת גוף גבוהה מופחתת בהכרח במהלך מחלה.
שימוש בזרזי חלבון בתעשייה
לעתים קרובות נעשה שימוש באנזימים בתעשיות שונותתעשייה:
- chemical;
- textile;
- food.
במדפי החנויות ניתן לראות מוצרי ניקוי ואבקות כביסה המכילות אנזימים - אלו אנזימים המשפרים את איכות הכביסה.
למה מיועדים זרזים ביולוגיים?
קשה להפריז בחשיבותם. אחרי הכל, הם לא רק מאפשרים לאורגניזמים חיים לחיות, לנשום, לאכול, לבצע תהליכים מטבוליים, אלא גם נותנים לנו את ההזדמנות להשמיד פסולת תעשייתית, להשיג תרופות, להגן ולהגן על בריאותנו ועל הסביבה.
