זרז

זָרָז (גם: קָטָלִיזָטוֹר) הוא חומר המסוגל להאיץ מהלכן של תגובות כימיות. המושג נטבע לראשונה על ידי הכימאי השוודי ינס יאקוב ברצליוס, אשר גילה את תופעת הקטליזה ב-1835.

המבנה התלת-ממדי של האנזים נויראמינידאז. אנזימים הם חלבונים המשמשים כזרזים של תגובות ביוכימיות בכל היצורים החיים

הזרז עצמו משתתף בתגובה, אך הוא אינו מִתכּלֶה ואינו משתנה בעקבותיה, ועל כן אינו חלק מהתוצרים או מהמגיבים. נהוג לרשום אותו בנוסחת התגובה מעל החץ המציין את המעבר מהמגיבים לתוצרים.

הזרזים מאיצים תגובות שבהיעדר הזרז היו מתרחשות באיטיות רבה; הזרזים אינם מסוגלים לגרום לתגובות שבהיעדר הזרז לא היו יוצאות כלל לפועל. זרזים אינם משפיעים על הרכב המערכת בשיווי משקל, אלא רק מזרזים את ההגעה למצב של שיווי משקל. אותו זרז פועל תמיד הן על התגובה הישירה והן על התגובה ההפוכה. הזרזים מאיצים את התגובה באמצעות הורדת אנרגיית השפעול של התגובה, כך שיותר מולקולות עשויות להגיב בה. זרזים מסוגלים להאיץ את מהירות התגובה פי אלפי ואף מיליוני מונים, כך שלעיתים בהיעדר זרז, התגובה תושלם רק לאחר אלפי שנים. בדרך כלל מספיקה כמות קטנה ואף זעירה מהזרז כדי שהתגובה תתבצע מהר יותר - במעבדה ובתעשייה, משתמשים בדרך כלל בכמות זרז של כמה אחוזים מכמות המגיבים.

נהוג לחלק את הזרזים לשתי קטגוריות:

• זרז הטרוגני: מצוי במצב צבירה שונה מזה של המגיבים. דוגמה לכך היא תגובה שבה הזרז הוא משטח מתכת מוצק שעליו מתרחשת התגובה, ושסופח את המגיבים הנוזליים או הגזיים; הספיחה גורמת לערעור הקשרים הבין-אטומיים שבמולקולות החומרים המגיבים וכך מקל על יצירת קשרים חדשים.
• זרז הומוגני: מצוי באותו מצב הצבירה של המגיבים, בדרך כלל מומס בתמיסה. דוגמה קלאסית לזרז מסוג זה היא קומפלקס עם אטום מתכתי במרכז, מוקף במולקולות אורגניות (ליגנדים). הזרז יוצר חומר ביניים עם אחד המגיבים; חומר הביניים ממשיך להגיב עם המגיב השני; נוצר חומר חדש, ואילו הזרז משתחרר חזרה לתמיסה, כך שהוא אינו מתכלה או נצרך. אנזים הוא דוגמה נוספת לזרז הומוגני, אם כי לעיתים אנזימים נחשבים לקטגוריה שלישית של זרזים.

הנוסחאות הבאות מתארות באופן עקרוני תגובות כאלו:

A + C → AC (תגובה ראשונית בין המגיב A והזרז C ליצירת חומר ביניים בלתי-יציב, AC)

AC + B → AB + C (תגובה סופית בין חומר הביניים והמגיב B; הזרז משתחרר לסביבה)

את התהליך בכללותו ניתן לסכם כך:

A + B + C → AB + C

זרזים רבים הם חומצות או בסיסים חזקים; תגובות רבות מסוגלות להתרחש רק בסביבה חומצית או בסיסית, והזרז מספק סביבה זו. זרזים אחרים הם מתכות אדישות - כאלו שכמעט ואינן נוטות להגיב, כגון מתכות מקבוצת הפלטינה. גם ברזל משמש כזרז בכמה תגובות.

שימוש בזרזים כיראליים מאפשר תגובות כימיות סטריאוסלקטיביות, כלומר, כאלו שבהן נוצר עודף של אחד הסטריאואיזומרים. תגובות אלו נקראות גם סינתזות אסימטריות מזורזות.

היסטוריה

השם העברי, זרז, מגיע מלשון "זירוז", כיוון שהוא מאיץ את קצב התגובה. השם באנגלית ובשפות אחרות, קטליסט, מגיע מהמילה היוונית καταλύειν, שמשמעותה "לבטל", "לפרום" (במובן פרימת קשר) או "להרים" (במובן של להרים חפץ מהרצפה).

הכימאית אליזבת פולהיים הציעה לראשונה את רעיון הקטליזה (אך לא את המילה) בספר שפרסמה בשנת 1794, כאשר הציגה מנגנון תגובה בו מים משתתפים בתגובת חמצון-חיזור של מתכת, אך נוצרים מחדש בסוף התגובה, כלומר - משמשים כזרז ולא כמגיב. ב-1835 ינס יאקוב ברצליוס טבע את המושג "קטליזה".

זרזים ביולוגיים

בתאיהם של כל היצורים החיים קיימים זרזים ביולוגיים; אלו הם האנזימים. כמעט כל האנזימים הם חלבונים^[1]; ברבים מהאנזימים מצויים אטומי מתכת, כגון: ברזל, נחושת, אבץ וסלניום, המכונים קופקטורים והמשתתפים באופן פעיל בתהליך הזירוז.

האנזימים מזרזים את התגובה על ידי הבאת שני המגיבים האחד אל עבר השני, באופן המאפשר התאמה מרחבית מרבית, כך שהקבוצה הפעילה במגיב האחד נמצאת קרוב לקבוצה הפעילה במגיב השני. התאמה מרחבית זו מתרחשת בתדירות נמוכה בלבד באופן טבעי (ספונטני), וכך מצליחים האנזימים להאיץ באופן משמעותי את התגובה. בנוסף, האנזימים מספקים סביבה נוחה להתרחשות הריאקציה. למשל, לאנזימים מסוימים שיירים חומציים באתר הפעיל התורמים יוני מימן למגיב ובכך מערערים את יציבותו, ואחרים מספקים סביבה הידרופובית המקטינה את אנרגיית ההפעלה הדרושה לשם התרחשות התגובה.

חשיבותם של האנזימים לחיים היא קריטית והחיים אינם מתקיימים בלעדיהם. מחלות רבות, התוקפות גם בני אדם, נובעות מפגם באנזים כלשהו.

חקר זירוז התגובות בכימיה נחקר בענפי הקינטיקה והתרמודינמיקה. הללו חוקרות גם את האנזימים, לצד הביוכימיה.

סוגים שונים של קטליזה

לרוב, הזרזים פועלים לפי אחת או יותר מאסטרטגיות התגובה הבאות:

1. קטליזה קוולנטית : האתר הפעיל מכיל קבוצה מגיבה (ראקטיבית), שהיא בדרך כלל נוקלאופיל שאופי הקשרים הקוולנטיים שלו משתנה באופן זמני תוך כדי הקטליזה (לדוגמה כימוטריפסין)
2. קטליזת חומצה-בסיס כללית : מולקולה שאיננה ממים ממלאת את התפקיד של מוסר או מקבל פרוטון.
3. קטליזת יוני מתכת: יוני מתכת יכולים לפעול בכמה צורות. לדוגמה: יון מתכת יכול לשמש כזרז אלקטרוליטי, המייצב את המטען החשמלי של תוצר הביניים. דוגמה נוספת היא יון מתכת שיכול ליצור נוקלאופיל באמצעות הגדלת החומציות בסביבה הקרובה של המולקולה. אפשרות נוספת היא שיון המתכת ייקשר לסובסטרט ויגדיל את מספר הקשרים עם האנזים, ובאופן זה תגדל אנרגיית הקשר.
4. קטליזה על ידי קרבה: בתגובות רבות מעורבים שני סובסטרטים הרחוקים זה מזה, וניתן להגביר את הקצב שלהן באמצעות קירוב פיזי של שני הסובסטרטים זה אל זה, על משטח קישור יחיד על האנזים.

זירוז שלילי

זרז שלילי (בלועזית: אינהיביטור) מאט את התגובה הכימית.

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: זרז
ערך מילוני בוויקימילון: קטליזטור
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: זרז

• ארז גרטי, זירוז תגובות כימיות, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 28 ביוני 2011
• זרזים, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

1. יש גם מולקולות RNA הפועלות כאנזימים. ראו ריבוזים