В мире химических реакций часто возникает вопрос, чем отличаются ферменты от неорганических катализаторов. В этой статье мы разберемся в различиях и сходствах между этими двумя группами ускорителей.
Содержание
Что такое ферменты?
Ферменты, или энзимы, являются биологическими катализаторами, играющими ключевую роль во множестве биологических процессов. Они состоят из белков или РНК, которые ускоряют химические реакции, обеспечивая нормальное функционирование живых организмов.
Что такое неорганические катализаторы?
Это вещества, обычно состоящие из металлов или металлоксидов, которые ускоряют химические реакции без изменения своей структуры. Они широко используются в синтетической, нефтехимической и автомобильной промышленности для ускорения процессов, таких как синтез аммиака, крекинг нефти и очистка выхлопных газов.
История ферментов и катализаторов
Открытие энзимов связано с работами французского ученого Луи Пастера в середине 19 века, который обнаружил, что некоторые биологические реакции проходят только в присутствии живых клеток или их экстрактов.
Исследования неорганических катализаторов начались в 20 веке, когда ученые открыли, что металлы и металлоксиды могут ускорять химические реакции. С тех пор разработано множество эффективных и селективных неорганических катализаторов для различной промышленной деятельности.
Структура
Энзимы имеют сложное трехмерное строение, обусловленное последовательностью аминокислот в их составе. Это трехмерное строение обеспечивает высокую специфичность энзимов к своим субстратам и продуктам реакции.
Неорганические ускорители обычно состоят из металлов или металлоксидов, которые образуют координационные соединения с реагентами и тем самым ускоряют химические реакции.
Различия в механизме реакций
Какие же отличия можно выделить между ферментами и неорганическими катализаторами в механизмах реакций?
Определение и корреляция
В чем состоит отличие ферментов от катализаторов неорганической природы? Основное различие заключается в том, что ферменты – это биологические ускорители, в то время как вторые представляют собой синтетические соединения.
Тип
Энзимы можно разделить на гидролазы, оксидоредуктазы, лигазы и другие, в зависимости от типа реакции, которую они катализируют. Неорганические химические ускорители также можно классифицировать по типу реакции, например, кислотные, основные, кокатализаторы и металлорганические соединения.
Разница в размерах
Энзимы обычно имеют гораздо большие размеры молекул, чем неорганические катализаторы, что связано с их сложным белковым строением.
Молекулярный вес
Молекулярный вес энзимов может достигать нескольких сотен тысяч дальтон, в то время как молекулярный вес неорганических ускорителей значительно меньше и составляет порядка единиц, десятков или сотен дальтон.
Действие
Энзимы действуют на субстраты, образуя комплекс с ними и обеспечивая специфичность реакции. В то время как неорганические катализаторы могут координировать реагенты на своей поверхности, увеличивая их концентрацию и тем самым ускоряя реакцию.
КПД
Энзимы обычно обладают высоким катализаторным коэффициентом и способны ускорять реакции на несколько порядков. Неорганические химические соединения также ускоряют реакции, но их эффективность может быть ниже, чем у ферментов.
Специфичность
Энзимы обладают высокой специфичностью к субстратам, что связано с их сложным трехмерным строением.
Регулятор молекул
Энзимы могут регулироваться посредством изменения их концентрации, активации или ингибирования другими молекулами. В отличие от ферментов, неорганические ускорители обычно не регулируются внутри клеток.
Температура
Энзимы обычно термолабильны и работают при определенной температуре, характерной для живых организмов. Неорганические ускорители работают при более широком диапазоне температур, что делает их более устойчивыми.
pH
Энзимы имеют оптимальный рН, при котором их активность максимальна. В то время как неорганические ускорители в состоянии быть активными в более широком диапазоне pH.
Давление
Энзимы, как правило, малочувствительны к давлению, так как их активность определяется в основном температурой и pH. Неорганические ускорители также могут быть чувствительны к изменениям давления, однако их стабильность и активность имеют возможность быть оптимизированы для работы в условиях повышенного давления, что актуально для некоторого промышленного производства.
Белковые яды
Энзимы, будучи белками, подвержены денатурации и инактивации под действием белковых ядов, таких как тяжелые металлы или другие ингибиторы. Это может снижать их эффективность в биологических системах или при промышленном использовании.
Коротковолновое излучение
Энзимы зачастую чувствительны к коротковолновому излучению, такому как ультрафиолетовое, которое может приводить к их денатурации и инактивации.
Примеры
Энзимы участвуют во множестве биологических процессов, таких как гидролиз, окислительно-восстановительные реакции и синтез макромолекул. Катализаторы используются для ускорения таких реакций, как гидрогенизация, окисление и полимеризация.
Сходства
Катализаторы и ферменты обладают сходными механизмами действия и функциональным назначением, способствуя эффективному протеканию химических реакций. Как одни, так и другие ускоряют химические реакции путем снижения активационной энергии, необходимой для их протекания.
Примеры реакций с участием катализаторов и ферментов
Энзимы участвуют во множестве биологических процессов, таких как пищеварение, где амилаза разлагает углеводы и липаза расщепляет жиры на глицерол и жирные кислоты. В клетках ферменты также играют ключевую роль в дыхательной цепи, где они ускоряют окислительно-восстановительные реакции для выработки энергии.
Неорганические ускорители широко используются в синтетический промышленности, например, в процессе Хабера-Боша для синтеза аммиака из азота и водорода, а также в каталитическом крекинге нефти для получения более легких углеводородов. Неорганические ускорители в состоянии быть легко регенерированы и использованы повторно, что снижает затраты на процесс. Они также обладают относительно высокой устойчивостью к внешним факторам, таким как температура, давление и коротковолновое излучение.
Промышленное применение
Энзимы используются в пищевой промышленности для производства молочных продуктов, например, при созревании сыра, а также в производстве хлеба и алкогольных напитков. В фармацевтике энзимы применяются для синтеза лекарственных препаратов, а в текстильной они способствуют обрабатывать ткани.
Неорганические ускорители используются в различных отраслях синтетической промышленности, таких как производство полимеров, синтез химических соединений и очистка выбросов от индустриальных предприятий. Например, платиновые катализаторы используются в автомобильных катализаторах для превращения вредных выбросов, таких как оксиды азота, монооксид углерода и углеводороды, в более безопасные соединения, такие как азот, углекислый газ и водяной пар. Также они применяются при синтеза метанола из синтез-газа.
Ферменты являются экологически более безопасной альтернативой традиционным химическим ускорителям из-за их биоразлагаемости и низкой токсичности. Однако использование энзимов в промышленности может быть ограничено из-за их чувствительности к температуре, давлению и другим факторам. Неорганические ускорители способны быть более устойчивыми и эффективными в определенных условиях, но их использование может быть связано с экологическими проблемами, такими как утечки токсичных металлов в окружающую среду.
Видео по теме
В видео ниже можно увидеть, что такое ферменты.
Заключение
Чем отличаются ферменты от химических катализаторов? В целом, ферменты – это биологические катализаторы, состоящие из белков, которые катализируют химические реакции в живых организмах. Неорганические катализаторы – это химические вещества, которые ускоряют реакции в промышленных и других процессах. Отличие ферментов от химических катализаторов заключается в их молекулярном строении, механизме действия, температурном режиме работы, влиянии на активность и специфичности взаимодействий.
Ферменты обладают высокой специфичностью к субстратам и реакциям, в то время как неорганические ускорители способны быть менее специфичными. Ферменты также чувствительны к факторам окружающей среды, таким как температура, pH и давление, и могут быть ингибированы белковыми ядами и коротковолновым излучением, в то время как неорганические синтетические соединения обычно обладают большей устойчивостью к этим факторам.
