4. Механизм действия ферментов
Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ и от температуры, так как эти факторы приводят к увеличению частоты и энергии столкновения реагирующих молекул. Чем выше температура – мера кинетической энергии молекул, тем чаще они могут сталкиваться и тем, следовательно, выше скорость реакции.
Но скорость реакции зависит не только от концентрации и температуры. Общее число столкновений молекул реагирующих веществ значительно больше, чем число прореагировавших молекул, так как индивидуальные молекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству содержащейся в них энергии. Вступают в реакцию только те молекулы, которые находятся в активном состоянии, т. е. обладают энергией, необходимой для преодоления активационного барьера реакции. Молекулы будут активированы, если получат дополнительное количество энергии, называемое энергией активации.
Энергия активации – это количество энергии Е, которое необходимо сообщить молекулам реагирующих веществ, чтобы перевести их в активное состояние, соответствующее вершине энергетического (активационного) барьера. Эту энергию молекулы могут получить путем повышения температуры реагирующих веществ. Как правило, повышение температуры на 10 °С ускоряет химическую реакцию приблизительно в 2 раза.
Ускорить химическую реакцию можно также путем добавления к реагирующим веществам катализатора. Сущность действия катализаторов заключается в том, что катализатор снижает энергию активации, направляя реакцию «обходным» путем, что позволяет молекулам преодолевать энергетический (активационный) барьер на более низком уровне (рис. 1).
Рис. 1. Изменение энергии активации реагирующих веществ в реакции АВ A + В в присутствии катализатора и в его отсутствии:
Ннач, Нкон – энергия соответственно исходных веществ и конечных продуктов; Н – тепловой эффект реакции; Еакт, Е1акт – энергия активации соответственно некатализируемой и катализируемой реакций
Как видно из рис. 1, катализатор снижает энергию активации Еакт реагирующих веществ, не влияя при этом на изменение свободной энергии (Н) в ходе реакции и на конечное состояние равновесия. Реакция АВ А + В в присутствии катализатора К идет следующим образом:
АВ + К АВК
АВК ВК + А
ВК В + К
Поэтому в присутствии катализаторов, снижающих энергию активации, гораздо большая доля молекул вступает в реакцию в единицу времени.
Так, например, при гидролизе сахарозы на глюкозу и фруктозу в водной среде требуется 133,9 кДж/моль. В присутствии ионов Н+ энергия активации снижается до 107,1 кДж/моль, а при действии фермента -фруктофуранозидазы она составляет 39,3 кДж/моль.
Ферменты, так же как и катализаторы другой природы, образуют комплексы с субстратами, которые затем в ходе катализа распадаются на фермент и продукты реакции.
Снижение энергии активации реакции гидролиза сахарозы под влиянием фермента происходит вследствие некоторой деформации молекул субстрата. Эта деформация ослабляет внутримолекулярные связи и делает молекулу значительно более способной к реакции.