Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980
Ферменты: белковые катализаторы клеток
Механизмы ферментативного катализа
Количественная теория переходного состояния
В 80-х годах прошлого столетия Аррениус показал, что зависимость константы скорости химической реакции (k) от температуры имеет тот же вид, что и температурная зависимость константы равновесия, а именно
[проинтегрируйте уравнение (3-37) и сопоставьте полученный результат с приведенным выражением]. Величина Еа называется энергией активации, а константа А — предэксноненциальным множителем. Наблюдения Аррениуса, а также результаты исследования влияния солей на скорости реакций и факт существования количественной зависимости между константами скорости и константами равновесия свидетельствовали о том, что константа скорости реакции может быть представлена в виде произведения постоянного члена, почти не зависящего от температуры, на константу К≠, обладающую свойствами константы равновесия для процесса образования переходного состояния [46]. Количественное соотношение такого рода было получено Эйрингом:
где kВ — константа Больцмана, h — постоянная Планка. При выводе этого соотношения Эйринг исходил из предположения, что все переходные состояния распадаются с одной и той же константой скорости, равной kBT/h. Уравнение (6-68) используют иногда в модифицированной форме, содержащей в правой части в качестве сомножителя трансмиссионный коэффициент ϰ, который для большинства реакций, как полагают, близок к единице. Выражение (6-68) для константы скорости можно переписать в следующем виде:
где ∆G≠—свободная энергия активации. (При 25°С ∆G≠ = 5,71 lgk + 73,0 кДж∙моль-1 причем k имеет размерность с-1.) Соотношение (6-69) является приближенным; более строгое соотношение можно получить с помощью статистической механики [46]. Из уравнений (6-68) и (3-14) следует, что
Отсюда видно, что величина ∆H≠ приблизительно равна энергии активации Еа. Для реакций в растворе имеет место следующее более строгое
1) Читателя, несомненно, заинтересует прекрасный сборник статей, в которых изложены общие подходы к изучению механизмов биохимических процессов, основанные на применении теории переходного состояния: Transition states of biochemical processes. Candour R. D and Schowen R. L. (Eds), New York and London, Plenum Press, 1978.— соотношение: ∆H≠ = Eа—RT. Поскольку величина RT при 25 °С составляет всего 2,5 кДж∙моль-1, ∆H≠ часто принимают равной Еа. Из соотношения (6-70) видно, что предэкспонеициальный множитель, стоящий в скобках, определяется главным образом величиной ∆S≠ — изменением энтропии, сопровождающим образование переходного состояния. Для ферментативных реакций иногда определяют величины ∆G≠, ∆Н≠ и ∆S≠, однако извлечь полезную информацию из значений этих величин довольно трудно.
Факторы, приводящие к стабилизации переходного состояния (т. е. к уменьшению ∆G≠), повышают скорость реакции. Вообще говоря, роль катализатора именно в том и состоит, чтобы способствовать образованию переходного состояния, обладающего меньшей энергией (более стабильного), чем переходное состояние для некатализируемой реакции. Стабилизация переходного состояния реакции ферментом означает, что фермент проявляет более высокое сродство к переходному состоянию, чем к субстрату или продуктам. Эта идея была впервые сформулирована Полингом [48]: «Я думаю, что ферменты представляют собой молекулы, которые комплементарны по структуре активированным комплексам, образующимся в ходе реакций, которые они катализируют. Притягивание активированного комплекса молекулой фермента должно, таким образом, приводить к уменьшению его энергии и, следовательно, к уменьшению энергии активации реакции и повышению ее скорости».