Fermentų ir Katalizatorių Skirtumai

Gyvojo pasaulio pagrindinis skiriamasis bruožas yra nuolatinis jį sudarančių medžiagų kitimas, apykaita: medžiagos nuolat skyla ir vėl susidaro. Tai susiję su cheminėmis reakcijomis, kurios gyvoje ląstelėje vyksta labai švelniomis sąlygomis (temperatūra ne aukštesnė nei 40°C, vandens terpės pH = 6,5-7,5). Kolboje tokios reakcijos vyksta labai lėtai arba visai nevyksta.

Šiame straipsnyje bus detaliau aptariami fermentai (biologiniai katalizatoriai) ir cheminiai katalizatoriai, jų savybės, veikimo principai bei esminiai skirtumai.

Kas yra Katalizė ir Katalizatoriai?

Katalizė - tai cheminės reakcijos greitinimas tam tikromis medžiagomis, vadinamomis katalizatoriais. Katalizatorius yra molekulė, galinti pakeisti cheminės reakcijos greitį, tačiau pati nenaudojama minėtoje reakcijoje. Cheminės reakcijos apima energiją: pradinės molekulės, dalyvaujančios reakcijoje, prasideda nuo tam tikros energijos. Papildomas energijos kiekis sugeria, kad pasiektų „pereinamąją būseną“. Vėliau energija išleidžiama su produktais. Energijos skirtumas tarp reagentų ir produktų išreiškiamas ΔG. Jei produktų energijos lygis yra didesnis nei reagentų, reakcija yra endergoninė ir ne spontaniška. Priešingai, jei produktų energija yra mažesnė, reakcija yra exergoninė ir spontaniška. Tačiau, jei reakcija yra spontaniška, tai nereiškia, kad ji pasireikš pastebimu greičiu. Reakcijos greitis priklauso nuo aktyvinimo energijos (ΔG*).

Katalizės Tipai

Jei cheminę reakciją greitina per reakciją susidaręs tarpinis arba galutinis produktas, katalizė vadinama autokatalize.

Pagal katalizuojamos sistemos fazinę būseną skiriama:

• Homogeninė katalizė: reaguojančių medžiagų ir katalizatoriaus fazės yra tokios pat (pvz., skysti katalizatoriai skystose reakcijų sistemose). Homogeninių katalizatorių pranašumai yra švelnios reakcijos sąlygos ir didelis selektyvumas, būdingas organinės sintezės srityje.
• Heterogeninė katalizė: reaguojančių medžiagų ir katalizatoriaus fazės yra skirtingos (pvz., kietieji katalizatoriai dujų ar skysčių fazių reakcijose). Didžiausias jų pranašumas yra tas, kad juos lengva atskirti ir pakartotinai naudoti, tinkami didelės apimties pramonei.

Pagal katalizuojamos cheminės reakcijos pobūdį gali būti rūgščių ir bazių, jonų mainų, oksidacijos ir redukcijos, polimerizacijos katalizė.

Jei katalizė vyksta katalizatoriui pernešant vieną iš reaguojančių medžiagų iš vienos fazės į kitą (pvz., iš skysčio į skystį, iš kietosios medžiagos į skystį), kurioje ji reaguoja su kita toje fazėje esančia medžiaga, katalizė vadinama tarpfazine.

Katalizatorių Reikšmė ir Taikymas

Katalizė lėmė šiuolaikinės chemijos pramonės atsiradimą, nes beveik visi chemijos technologiniai procesai yra kataliziniai, pvz., sieros ir azoto rūgščių bei amoniako gamyba, naftos perdirbimas, vienų organinių junginių sintezė iš kitų (etileno oksidavimas iki etilenoksido, metanolio - iki formaldehido, propileno - iki akrilaldehido). Katalizė taikoma gaminant polietileną, polipropileną ir kitas polimerines medžiagas, šalinant dujinius teršalus, susidarančius deginant kurą, eksploatuojant automobilius, gaminant kai kurias medžiagas.

Katalizatoriai vaidina svarbų vaidmenį šiuolaikinėje pramonėje ir moksliniuose tyrimuose. Metalų katalizatoriai, tokie kaip paladis, platina ir nikelis, yra svarbūs katalizatorių šeimos nariai. Paladžio katalizatoriai labai paplitę kryžminio sujungimo reakcijose organinėje sintezėje, platinos katalizatoriai plačiai naudojami automobilių išmetimo valymo ir vandenilio energijos laukuose, o nikelio katalizatoriai turi vietą hidrinimo reakcijose su jų kainos pranašumais ir gerais kataliziniais efektyvumais. Be to, organiniai katalizatoriai, kuriuos daugiausia sudaro organinės molekulės, pastaraisiais metais sulaukė daug dėmesio žaliosios chemijos srityje. Juos lengva valdyti, jie yra ekologiški ir gali skatinti įvairias reakcijas, nedalyvaujant metalams.

Fermentai - Biologiniai Katalizatoriai

Fermentai arba enzimai - tai biologiniai katalizatoriai, baltyminės kilmės molekulės. Jų yra visose ląstelėse, fermentai užtikrina visus gyvybinius procesus. Fermentai paspartina organizme vykstančias chemines reakcijas tūkstančius kartų. Be fermentų šios reakcijos nevyktų arba vyktų labai lėtai, ir organizmai negalėtų egzistuoti. Fermentai palaiko cheminių reakcijų vyksmą katalizuodami tiek sintezę, tiek skilimą, tuo pačiu reguliuodami ir metabolizmą. Be fermentų neapsieina nė vienas procesas, vykstanti organizme - kvėpavimas, virškinimas, judėjimas, augimas, vystimasis ir pan.

Fermentų Sandara ir Savybės

Chemine prigimtimi fermentai yra baltymai, tačiau be baltyminės dalies į fermento sudėtį dažnai įeina ir nebaltyminės prigimties komponentai. Tai, visų pirma, mažos molekulinės masės medžiagos, vadinamos kofermentais arba prostetinėmis grupėmis. Jos, susijungdamos su baltymine fermento dalimi, sudaro fermentą. Efektyviam fermentų funkcionavimui dažnai reikia specialių medžiagų - aktyvatorių, jais paprastai yra metalo jonai (dažniausiai dvivalenčiai Mg, Ca, Mn, Zn, bei vienvalenčiai K, NH4, Li). Be to, kai kurių fermentų sudėtyje aptinkami angliavandeniai, lipoidai, apie kurių vaidmenį dar žinoma nedaug.

Pagal sudėtį fermentai gali būti paprasti ir sudėtiniai. Paprasti fermentai susideda tik iš amino rūgščių, o sudėtiniai - papildomai ir iš nebaltyminės grupės. Kofermentais dažniausiai yra įvairių vitaminų dariniai, kofaktoriais - mineralai (makro bei mikro elementai). Jie absoliučiai būtini daugeliui fermentų, nes be jų fermentas negali funkcionuoti. Prie fermento baltyminės dalies (apofermento), kad jis galėtų atlikti savo funkcijas, aktyviajame centre prijungiama nebaltyminė dalis - kofaktorius. Taigi, apoenzimas yra fermentas be jo kofaktoriaus, o apoenzimo ir jo kofaktoriaus derinys vadinamas holoenzimu.

Aktyvusis Centras ir Veikimo Principas

Fermentai didina reakcijos greitį mažindami aktyvacijos energiją, kuri būtina reakcijai vykti. Cheminis junginys, prie kurio prisijungia fermentas ir kurio virsmus katalizuoja, vadinamas substratu. Substratas prisijungia prie fermento vietos, kuri vadinama aktyviuoju centru. Fermentinė reakcija vyksta tik tam tikroje fermento dalyje - aktyviajame centre, kurį sudaro, formuojantis tretinei baltymo struktūrai iš skirtingų baltymo molekulės vietų, suartėjusios amino rūgščių liekanos. Fermento molekulė yra daug kartų didesnė už substrato molekulę, todėl reakcija vyksta ne visame fermento molekulės paviršiuje, bet tam tikroje srityje, vadinamoje aktyviuoju centru.

Yra pasiūlyti modeliai, aiškinantys, kaip fermentas savo aktyviajame centre sąveikauja su substrato molekule:

• „Spynos ir rakto“ modelis: teigia, kad fermento ir jo substrato sąveika galima tik tuomet, kai substratas atitinka aktyvų centrą taip, kaip raktas spyną. Remiantis šiuo modeliu, fermentas gali prisijungti substratą, jei aktyviojo centro erdvinė struktūra atitinka substrato struktūrą taip, kaip raktas atitinka spyną.
• „Indukuoto atitikmens“ modelis: teigia, kad fermento aktyviojo centro ir substrato molekulės erdvinės struktūros yra kintančios. Aktyvusis centras įgyja formą, atitinkančią substrato molekulės formą tada, kai prie jo priartėja substrato molekulė. Keičiantis erdvinei fermento struktūrai, aktyviojo centro aminorūgščių liekanos užima tokią padėtį, kuri palankiausia fermento-substrato kompleksui susidaryti.

Fermentų veikimą galima suskaidyti į 3 stadijas: substrato susijungimas su fermentu; katalizė (skaidymas); reakcijos produktų atsiskyrimas.

Fermentų Nomenklatūra ir Klasifikacija

Kai matome molekulę, kurios pavadinimas baigiasi „-azė“, galime būti tikri, kad tai yra fermentas (nors yra šios taisyklės išimčių, pvz., tripsinas). Tai yra konvencija, skirta nurodyti fermentų pavadinimą. Fermentai pagal katalizuojamos reakcijos tipą skirstomi į 6 klases:

Tarptautinė fermentų nomenklatūros komisija sudarė detalų visų tuo metu žinomų fermentų sąrašą, kur kiekvienam fermentui suteiktas individualus numeris (šifras). Pavyzdžiui, ureazės šifras - 3.5.1.5. Tai reiškia, kad ureazė yra 3 klasės fermentas (hidrolazės), priklausantis 5 poklasei.

Fermentų Aktyvumo Reguliavimas

Fermentų aktyvumas priklauso nuo terpės rūgštingumo (pH), temperatūros, vandenilio jonų koncentracijos, substrato koncentracijos. Fermentų aktyvumas yra reguliuojamas, t. y. jis priklauso nuo tam tikrų junginių kiekio ląstelėje.

• Termolabilumas: Fermentų termolabilumas paaiškinamas tuo, kad temperatūra veikia fermento baltyminę dalį, kas, esant aukštai temperatūrai, lemia baltymo denatūraciją ir katalitinės funkcijos sumažėjimą. Temperatūra, prie kurios fermento katalitinis aktyvumas yra maksimalus, vadinama temperatūriniu optimumu (dažnai 40°-50°C gyvulinės kilmės fermentams).
• Priklausomybė nuo pH: Kiekvienas fermentas turi savo optimalų pH, prie kurio pasireiškia jo maksimalus aktyvumas. Daugumos fermentų maksimalus aktyvumas pastebimas pH zonoje netoli neutralaus taško. Perėjimas prie didesnės ar mažesnės vandenilinių jonų koncentracijos sukelia fermento aktyvumo kritimą.
• Specifiškumas: Fermentai gali atskirti cheminius junginius, besiskiriančius vieni nuo kitų nereikšmingomis struktūrinėmis detalėmis. Kai kurie fermentai yra griežtai specifiški substratui, o kiti gali katalizuoti keleto junginių virsmus.

Fermentų Taikymas Medicinoje ir Pramonėje

Medicinos praktikoje fermentų veikimo principų žinojimas yra labai svarbus, kadangi jie reguliuoja visą medžiagų apykaitą, o dauguma susirgimų susiję kaip tik su medžiagų apykaitos sutrikimais. Fermentai naudojami kaip vaistiniai preparatai, kaip reagentai ar biocheminiai rodikliai diagnozei nustatyti. Dažniausiai vartojami gydyti ligoms, kuriomis susergama dėl fermentų nepakankamumo. Pavyzdžiui:

• Virškinimo trakto sutrikimams gydyti naudojami proteazių, amilazių bei lipazių mišiniai.
• Įvairios kilmės lizuojantys fermentai ir proteazės tirpina krešulius kraujagyslėse.
• Asparaginazės ir gliutaminazės naudojamos gydant leukozes.
• Superoksiddismutazė - tai fermentas, kuris greitina superoksido anijono dismutaciją ir prieštarauja šio anijono neigiamam poveikiui organizmui.
• Laktazė iš pieno cukrų (laktozės) transformuoja į gliukozę ir galaktozę. Jos trūkumas siejamas su laktozės netoleravimu.
• Amilazė skaido angliavandenius, transformuodama juos į gliukozę ir padeda organizmui ją įsisavinti.
• Lipazė perdirba, tirpdo ir skaido riebalus į frakcijas, padeda įsisavinti riebaluose tirpstančius vitaminus.
• Papainas (randamas ananasuose, bananuose, kivi, mango, papajoje) skaido baltymus, riebalus ir angliavandenius.
• Bromelainas (randamas papajoje, ananasuose) pasižymi priešuždegiminiu poveikiu, mažina kraujo krešumą, gerina virškinimą.

Kofermentas Q10 (ubichinonas) dalyvauja energijos susidarymo procesuose, yra stiprus antioksidantas, saugo širdį, stiprina imuninę sistemą, stabilizuoja arterinį spaudimą. Su amžiumi mažėja organizmo gebėjimas sintezuoti šį fermentą.

Biologinių Katalizatorių (Fermentų) ir Cheminių Katalizatorių Skirtumai

Nors tiek biologiniai, tiek cheminiai katalizatoriai didina reakcijų greitį, tarp jų yra didelių skirtumų:

1. Reakcijos greitis: Fermentai sugeba padidinti reakcijų greitį maždaug 10⁶ iki 10¹² kartų. Cheminiai katalizatoriai taip pat didina greitį, tačiau tik kelis dydžius.
2. Veikimo sąlygos: Dauguma fermentų veikia fiziologinėmis sąlygomis - optimalios temperatūros ir pH vertėmis. Kita vertus, cheminiams katalizatoriams dažnai reikia drastiškų temperatūros, slėgio ir rūgštingumo sąlygų.
3. Specifiškumas: Fermentai yra labai specifiniai reakcijose, kurias jie katalizuoja. Daugeliu atvejų jie dirba tik su vienu substratu arba keliais. Šis specifiškumas taip pat taikomas gaminamų produktų tipui. Cheminių katalizatorių substratų diapazonas yra daug platesnis. Fermentams būdinga sąveika griežtai tik su tam tikrais substratais, jie yra stereospecifiški.
4. Reguliavimas: Fermentai turi didesnį reguliavimo pajėgumą, o jų aktyvumas priklauso nuo skirtingų medžiagų koncentracijos ląstelėje. Tarp reguliavimo mechanizmų randame allosterinę kontrolę, kovalentinį fermentų modifikavimą ir sintezuojamo fermento kiekio kitimą. Cheminių katalizatorių reguliavimas yra mažiau tikslus.
5. Sąnaudojimas: Kaip visi katalizatoriai, fermentai reakcijos metu nėra nei sunaudojami, nei pagaminami. Jie nekeičia reakcijos pusiausvyros, o tik padidina reakcijos greitį.

Automobilių Katalizatoriai

Automobilių katalizatorius yra svarbi išmetimo sistemos dalis, neutralizuojanti kenksmingas dujas ir sumažinanti jų kiekį. Nuo 1993 metų Europoje įsigaliojo teršalų išmetimo standartas, įpareigojęs automobilių gamintojus diegti katalizatorius, siekiant sumažinti oro taršą. Šie prietaisai mažina šiltnamio efektą sukeliančias dujas ir gerina variklio efektyvumą.

Katalizatoriaus Paskirtis ir Sandara

Katalizatorius padeda sumažinti šalutinių medžiagų išmetimus į aplinką. Jis neutralizuoja anglies oksidus ir angliavandenilius, taip pat sumažina azoto oksidų kiekį benzininiuose varikliuose. Dyzeliniuose varikliuose katalizatorius sumažina anglies oksidų, angliavandenilių ir kietųjų dalelių kiekį.

Kiekvienas katalizatorius susideda iš keturių pagrindinių dalių:

• Korpusas: metalinis bakelis, kuris saugo katalizatorių nuo perkaitimo.
• Karkasas: pagrindas, per kurį dujos pereina (dažnai lyginamas su bičių korio struktūra, siekiant maksimaliai išvalyti išmetamąsias dujas).
• Tarpinis sluoksnis: apsaugo aktyvųjį sluoksnį nuo mechaninių pažeidimų.
• Aktyvusis katalitinis sluoksnis: pagrindinis veiksmo centras, pagamintas iš specialių medžiagų, kurios šalina dujas, pvz., anglies monoksidą.

Katalizatoriaus Veikimo Principas ir Gedimai

Katalizatoriuje vyksta trys pagrindinės cheminės reakcijos - oksidacijos ir redukcijos procesai. Šių katalizės reakcijų metu kenksmingos dujos virsta nekenksmingomis (N₂, H₂O ir CO₂). Katalizatoriaus efektyvumas priklauso nuo jo gebėjimo pasisavinti deguonį.

Katalizatoriaus tarnavimo laikas yra stipriai ribotas ir priklauso nuo nuvažiuoto kilometražo. Dažniausios užsikimšimo ir gedimo priežastys:

• Blogai veikiantis lambda zondas: reguliuoja kuro ir oro mišinį, jo gedimas gali sukelti katalizatoriaus užsikimšimą.
• Sugedusi turbina: leidžia tepalus į išmetimo ir įsiurbimo sistemas, o tai užkemša katalizatorių.
• Nusidėvėjusi variklio mechanika: prastas variklio veikimas gali lemti tepalo ar nesudegusių degalų patekimą į išmetimo sistemą.

Užsikimšusio katalizatoriaus simptomai:

• Dingsta trauka.
• Sunkiai kuriasi variklis („ant šalto“).
• Užsidega DPF filtro lemputė skydelyje (dyzeliniuose automobiliuose).

Jeigu katalizatorius neveikia arba užsikimšo, tai gali sukelti rimtų variklio gedimų - ypač, jei automobilis turi turbokompresorių. Dėl to, esant tokiems požymiams, rekomenduojama nedelsiant atlikti diagnostiką ir imtis atitinkamų priemonių.

Daugelis vairuotojų nežino, kad už seną, neveikiantį katalizatorių galima gauti pinigų. Specializuoti centrai superka katalizatorius, taip sumažindami naujo katalizatoriaus keitimo išlaidas.

tags: #kuo #skiriasi #fermentas #nuo #katalizatoriaus