生物教學(xué)中酶促反應(yīng)與活化能關(guān)系的探討

陳英水 陳欣

摘?要：本文對生物活化能的概念和物理意義進(jìn)行概述，探討生物教學(xué)對酶促反應(yīng)中活化能的理解.

關(guān)鍵詞：生物教學(xué);酶促反應(yīng);活化能

一、從一道高考試題說起

（2013年海南卷第3題）關(guān)于溫度對酶活性影響的敘述，錯誤的是（?）

A.不同酶的最適溫度可能相同

B.隨著溫度降低，酶促反應(yīng)的活化能下降

C.酶活性最高時的溫度不適合該酶的保存

D.高溫下酶失活是酶空間結(jié)構(gòu)破壞的結(jié)果

關(guān)于此題B選項的解析，有一種觀點認(rèn)為：酶的作用本質(zhì)是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，當(dāng)溫度低于或高于最適溫度時，酶活性減弱，降低化學(xué)反應(yīng)活化能的能力減弱.題中未給出最適溫度，因而，當(dāng)溫度降低時，酶活性可能上升，也可能下降，酶促反應(yīng)的活化能可能下降，也可能升高，B選項錯誤.

海南卷由教育部考試中心代為命題，教育部考試中心給出本題關(guān)于B選項的解析：化學(xué)反應(yīng)的活化能是指分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量，不同的化學(xué)反應(yīng)的活化能可能不同，故活化能是特定化學(xué)反應(yīng)的基本屬性.酶促反應(yīng)效率較高的重要原因之一，是能夠降低化學(xué)反應(yīng)的活化能.溫度是影響化學(xué)反應(yīng)效率的重要因素之一，不同溫度下分子能量分布不同.溫度升高時，分子的運動速率增大，使分子在單位時間內(nèi)碰撞的次數(shù)增加，同時，由于分子能量增加，使活化分子所占比例增大，故在一定溫度范圍內(nèi)，升高溫度可以提高化學(xué)的反應(yīng)效率，其原因之一是使活化分子所占比例增大，而不是降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能，所以，選項B表述錯誤.

從考試中心給出的解析可以看出，活化能是特定化學(xué)反應(yīng)的基本屬性;在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高并沒有降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，反之，溫度降低也不會降低或升高化學(xué)反應(yīng)的活化能，B選項錯誤.由此，引發(fā)一個疑問：酶的作用是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，從而加快化學(xué)反應(yīng)速率，為何溫度改變，酶活性改變，反應(yīng)的活化能卻不改變呢？

人教版《生物·必修1·分子與細(xì)胞》第80頁給出了對活化能的定義：分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量稱為活化能.教師教學(xué)用書第95頁對活化能進(jìn)一步介紹：在一個反應(yīng)體系中，反應(yīng)開始時，反應(yīng)物分子的平均能量水平較低，為“初態(tài)”.在反應(yīng)的任何一瞬間反應(yīng)物中都有一部分分子具有了比初態(tài)更高一些的能量，高出的這一部分能量稱為活化能.因此，活化能是指在一定溫度下一摩爾底物全部進(jìn)入活化態(tài)所需要的自由能，單位是J/mol.這兩個定義都未能解釋為什么溫度改變，酶活性改變，反應(yīng)的活化能卻不改變.

二、關(guān)于酶促反應(yīng)活化能變化問題的討論

1.活化能概念

活化能是化學(xué)動力學(xué)一個重要的基本概念，由瑞典物理化學(xué)家Arrhenius于1889年提出.Arrhenius在研究不同溫度條件下酸度對蔗糖轉(zhuǎn)化速率的影響時，發(fā)現(xiàn)溫度每升高1℃，蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率約增加12%～13%，Arrhenius認(rèn)為，如此大的反應(yīng)速率的溫度系數(shù)是難以用溫度對反應(yīng)物分子的運動速率和碰撞頻率等物理性質(zhì)的影響進(jìn)行解釋[1].他提出，分子的能量在反應(yīng)體系中并不一樣，處在不斷變化中，只有部分能量較高的分子才能發(fā)生反應(yīng)，他把這些分子稱為“活化分子”，而活化分子的數(shù)量或濃度隨溫度升高而按一定規(guī)律顯著增加.提出一個雙參數(shù)的反應(yīng)速率與溫度關(guān)系經(jīng)驗公式：k=Ae-ea/RT，其對數(shù)式則為dlnK/dT=Ea/RT2.

K為反應(yīng)速率常數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，A為指前因子，Ea被Arrhenius稱之為活化蔗糖分子的轉(zhuǎn)變熱，單位是J/mol，后來被人們稱為活化能.活化能即反應(yīng)物的普通分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿铀枰哪芰?這也是人教新課標(biāo)教材和教學(xué)用書所引用的活化能概念，Arrhenius由實驗數(shù)據(jù)計算的活化能是一個定值，因而，Arrhenius認(rèn)為活化能是不隨溫度而變化的.

2.活化能影響反應(yīng)速率

Arrhenius公式雖然是一個經(jīng)驗公式，但該公式在后來的研究中發(fā)現(xiàn)可以運用于大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)速率的計算，具有相當(dāng)高的適用性.根據(jù)分子能量分布定律，在平衡的分子反應(yīng)系統(tǒng)中，具有較高能量的分子所占的比例越小，活化分子越少，故Ea越大，反應(yīng)越慢.當(dāng)溫度升高時，系統(tǒng)中具有較高能量的活化分子所占的比例顯著增大，反應(yīng)速率大大加快.

3.活化能對酶促反應(yīng)的意義

碰撞理論創(chuàng)建者Lewis所提出的活化能概念：活化分子所具有的最低能量與反應(yīng)物分子的平均能量之差.在化學(xué)反應(yīng)的分子碰撞理論和過渡態(tài)理論的研究中，雖然角度有所不同，但都對活化能提出了相似形式的公式Ea=E0+mRT.其中E0在碰撞理論中是分子發(fā)生反應(yīng)所必需具有的最低能量，稱為閾能;在過渡態(tài)理論中為活化絡(luò)合物所具有的最低能量，是反應(yīng)物分子發(fā)生反應(yīng)必需克服的一個能壘.閾能或能壘都是一定值，m在特定的化學(xué)反應(yīng)中為一定值，從式中可以看出Ea是T的函數(shù)，也就是說，Ea與溫度有關(guān).但是，碰撞理論和過渡態(tài)理論的閾能或能壘E0都無法直接計算或測量，活化能的測量依然只能通過作Arrhenius圖的方法獲得.根據(jù)IUPAC（國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會）1996年推薦的觀點，活化能的準(zhǔn)確定義是Arrhenius圖上該直（曲）線在溫度T下的斜率.Lewis的活化能概念中反應(yīng)物分子的平均能量是一宏觀值，活化分子所具有的最低能量則是一微觀值，而Arrhenius活化能是通過實驗數(shù)據(jù)計算出來的，化學(xué)反應(yīng)本身是許多分子組成的宏觀體系，實驗測得的數(shù)值是微觀分子性質(zhì)的統(tǒng)計效應(yīng)，因而，活化能必然是一個宏觀意義上的概念，Lewis的活化能概念偏離了Arrhenius活化能的理解.Lewis的活化能概念雖然影響了化學(xué)界幾十年，但最終被人們放棄.

1925年，Tolman通過嚴(yán)格的統(tǒng)計熱力學(xué)分析，提出一個活化能公式：Ea=<E*>-<E>.式中<E*>為活化分子的平均摩爾能量，<E>普通分子的平均摩爾能量，活化能Ea為活化分子的平均摩爾能量與反應(yīng)物分子的平均摩爾能量之差.<E*>和<E>都與溫度有關(guān)， 因此，Ea也應(yīng)與溫度有關(guān).在一個反應(yīng)體系中有許多的分子，分子的能量各不相同，提高反應(yīng)體系的溫度，不是只有普通分子能量提高，而是所有分子包括活化分子的能量都提高了.普通分子的平均能量與活化分子的平均能量都升高，兩者的溫度效應(yīng)可能彼此抵消（在放熱反應(yīng)中，隨溫度升高這個差值是略有增加的[2]），在較小的溫度范圍內(nèi)活化能變化很小，因而，通過Arrhenius圖計算的活化能才會近似于一個常數(shù).Tolman的活化能概念是從宏觀的統(tǒng)計角度解釋Arrhenius活化能的定義，最接近Arrhenius本人對活化能的解釋，較好地彌補了Arrhenius理論的一些不足與缺陷，近年來人們開始普遍接受Tolman對活化能物理含義解釋.

4.Arrhenius公式的理解

由于Arrhenius時代實驗條件限制，當(dāng)時所測的各種實驗溫度范圍都較小，實驗數(shù)據(jù)與Arrhenius公式的擬合度通常很好.隨著近幾十年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們能夠在更大溫度范圍內(nèi)測量化學(xué)反應(yīng)速率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)擴(kuò)大實驗溫度范圍時，在實驗溫度范圍較小時（ΔT～100K），作Arrhenius圖得到一條直線，Ea可以被看做常數(shù)，甚至在較大的實驗溫度范圍內(nèi)（ΔT～500K），Arrhenius圖也接近一條直線，誤差較小.但是當(dāng)實驗溫度范圍繼續(xù)增大（ΔT～1000K），Arrhenius圖就出現(xiàn)了明顯的彎曲，這時再把Ea與A看做常數(shù)就不合適了[2].因而，反應(yīng)溫度較低，實驗溫度的變化范圍不大時，溫度對活化能的影響較小，而當(dāng)反應(yīng)溫度較高，實驗溫度的變化范圍較大時，溫度對活化能就會產(chǎn)生明顯的影響.后來許多學(xué)者基于自己的研究對Arrhenius公式進(jìn)行了不同改進(jìn)，在更大的實驗溫度范圍內(nèi)能夠與實驗數(shù)據(jù)更好地擬合.

另外，在測定活化能時，通常選用反應(yīng)速度較慢的化學(xué)反應(yīng)為測定對象，活化能較大，測定的反應(yīng)溫度范圍通常較小，故活化能變化很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于活化能的絕對值，再加上只能通過測定K值，間接計算活化能，很難得到精確的結(jié)果，因而，測定的活化能近似于一個常數(shù)，這就是為什么Arrhenius認(rèn)為活化能是一個定值.

5.酶降低反應(yīng)活化能與加快反應(yīng)速率有何區(qū)別？

活化能是特定化學(xué)反應(yīng)的基本屬性，酶促反應(yīng)的活化能與反應(yīng)底物和酶的本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān).酶降低活化能，加快反應(yīng)速率的關(guān)鍵在于形成酶-底物復(fù)合物.酶與底物的結(jié)合產(chǎn)生鄰近效應(yīng)和定向效應(yīng).鄰近效應(yīng)是指底物分子被束縛在酶分子的表面使之彼此接近;定向效應(yīng)是指底物的反應(yīng)基團(tuán)之間和底物反應(yīng)基團(tuán)與酶催化基團(tuán)之間的正確定位取向.鄰近效應(yīng)和定向效應(yīng)的效果相當(dāng)于增加了局部底物濃度和有效碰撞概率.酶與底物結(jié)合形成弱相互作用時釋放的自由能，使底物分子發(fā)生形變，反應(yīng)鍵被拉長、扭曲，并通過誘導(dǎo)契合使酶分子上的催化基團(tuán)進(jìn)入適當(dāng)位置，為底物提供廣義的酸堿催化和共價催化的基團(tuán)，以削弱反應(yīng)鍵，減少焓因子.酶與底物結(jié)合能有效地降低了活化能.在酶的催化反應(yīng)中，常常是幾個基元反應(yīng)相互配合，形成多元催化和協(xié)同效應(yīng);此外酶活性部位的疏水微環(huán)境十分有利于酶的催化作用，應(yīng)該指出的是加速酶促反應(yīng)速率，是多個因素的綜合作用，并不是只有降低活化能一個因素.

相對無酶催化的反應(yīng)途徑來說，酶參與形成酶-底物復(fù)合物，改變了反應(yīng)途徑，這是兩個不同的反應(yīng)，其活化能是不一樣的，也就是說酶是通過改變反應(yīng)途徑的方式降低活化能的，這是活化能的“變”.

反應(yīng)體系的溫度屬于外部因素，降低溫度不能改變酶促反應(yīng)的反應(yīng)途徑，特定化學(xué)反應(yīng)的活化能在溫度較低，溫度變化范圍較小時可視為一常數(shù)，這是活化能的“不變”.溫度對酶促反應(yīng)的影響包括兩方面：一方面是當(dāng)溫度升高時，分子碰撞頻率增加，活化分子比例上升，反應(yīng)速度也加快，這與一般化學(xué)反應(yīng)相同;另一方面，絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，隨溫度升高而逐漸變性，有活性的酶分子數(shù)量逐漸減少，從而降低反應(yīng)速度.在低于最適溫度時，前一種效應(yīng)為主，在高于最適溫度時，則后一種效應(yīng)為主.酶的活性與有活性的酶分子數(shù)量有關(guān)，與酶促反應(yīng)的活化能是沒有關(guān)系的.

三、試題“活化能”再認(rèn)識

從實驗測得的活化能來看，活化能受溫度影響.就理論公式而言，活化能是溫度的函數(shù)，受溫度變化而改變，但是，在很小的溫度范圍內(nèi)，活化能近似于一個常數(shù).在人教新課標(biāo)教材中，依然是引用Arrhenius本人對活化能的解釋，Arrhenius本人認(rèn)為一個確定的化學(xué)反應(yīng)的活化能是一個定值.酶促反應(yīng)的溫度變化范圍都較小，通常可以將其活化能視為常數(shù).對于2013年海南卷第3題B選項，命題者也是秉承這種觀點，因而，考試中心對其的解析，認(rèn)為溫度變化，活化分子比例發(fā)生變化，但反應(yīng)的途徑并沒有改變，特定反應(yīng)的活化能是一定的，活化能不變.

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