2. Энергия активации и ферменты
2.3 Ферменты вместо дров
В любом растворе, скажем, одного вещества при постоянной температуре, температура отражает среднее количество энергии. Но молекулы в растворе будут иметь разные энергии. Это можно описать как определенную черту у группы населения, и эта черта будет иметь специфическое распределение. В данном случае нас интересует распределение кинетической энергии молекул. На рисунке по горизонтальной оси отложена кинетическая энергия, по вертикальной — число молекул с такой энергией.
Из графика легко понять, какова средняя кинетическая энергия у большинства молекул — достаточно провести вертикальную линию примерно посередине "горба" (в теории вероятности это значение называется модой). Теперь представим, что в нашем теле есть некие молекулы, которые собираются принять участие в какой-либо реакции. Барьер энергии активации для этой реакции показан на рисунке красной линией. В таком случае, судя по графику, число молекул, способных на реакцию самостоятельно — ничтожно, и находится справа от красной линии, в самом хвосте распределения. Такая ситуация типична для реакций, происходящих в нашем организме. Большинство из них имеют весьма высокую энергию активации, и, стало быть, только мизерная часть молекул, имеющих достаточную кинетическую энергию, способна вступить в реакцию без ферментативного катализа.
Теперь представим, что на сцену выходит фермент, который перемещает барьер энергии активации с красной на зеленую линию:
У нас всё та же популяция молекул с тем же распределением кинетической энергии, но теперь, внезапно, число молекул, способных вступить в реакцию, значительно возросло. Мы лишь немного отодвинулись влево от хвоста распределения, но число молекул, готовых прореагировать, явно выросло в разы. Если фермент обладает еще большей каталитической способностью, то энергия активации может снизиться до величины моды, и мы получим ситуацию, когда уже основная часть молекул будет способна к реакции. Всё это означает, что пропорционально уменьшению барьера энергии активации скорость реакции возрастает.
Но ферменты не просто ускоряют реакции. Они могут избирательно указывать каким реакциям идти, а каким нет. Т.е. управляя ферментами, наше тело способно управлять по сути всей своей биохимической кухней.
На следующем рисунке показаны две реакции: А и B. Видно, что обе реакции имеют барьер энергии активации, который лежит выше тепла тела. Это значит, что только мизерное число молекул способно принять участие в этих реакциях. Но реакция A имеет меньшее ΔG, чем реакция B. Обе реакции энергетически выгодны, поскольку ΔG отрицательно. Однако реакция B более энергетически выгодна, т.к. величина ΔG у неё больше. И хотя обе реакции не пойдут в таких условиях с ощутимой скоростью, реакция B намного более вероятна, чем A, просто потому что она более энергетически выгодна.
А теперь представим, что у нас есть фермент, который катализирует реакцию A, но нет фермента, катализирующего реакцию B. Тогда тот факт, что реакция B более энергетически выгодна, не будет иметь совершенно никакого значения. Пойдет только реакция A, так как она была катализирована до той точки, где барьер энергии активации ниже тепла, которое дает тело.
