| abstract
| - Любой живой организм в своей материальной основе — это сложноорганизованная химическая система, устойчивое существование которой возможно благодаря огромному множеству согласованных друг с другом за миллионы лет эволюции биохимических процессов, протекающих в его клетках или клетке. Чтобы выжить, организм должен реагировать на быстро изменяющиеся условия окружающей среды. Для этого требуется, чтобы биохимические реакции протекали с высокой скоростью. Как известно, многие химические процессы могут быть ускорены во много раз с помощью специальных веществ — катализаторов, а само явление такого ускорения называется катализом. Катализатор — это вещество, которое направляет химический процесс превращения субстрата (то есть исходного реагента) в продукт по пути, требующему для свой реализации меньше энергии. В результате этого и происходит ускорение реакции по сравнению с некаталитическим процессом. Активно участвуя в химической реакции, катализатор восстанавливает свою структуру после ее завершения и готов снова выполнять свою ускоряющую работу. То есть катализаторы увеличивают скорость образования продуктов, но не становятся их частью, а остаются отдельными вспомогательными молекулами. Чтобы произошла химическая реакция между двумя молекулами, эти молекулы должны столкнуться в пространстве. Энергия такого столкновения может быть различной. Если энергии недостаточно для протекания реакции, то молекулы так и останутся в своём первоначальном виде — в виде исходных реагентов, — не прореагируют и не превратятся в продукты реакции. Если же энергия столкновения достаточно высока, то химические связи в исходных молекулах начинают разрываться, вся реагирующая система перегруппировывается, и образуются молекулы продуктов. Минимальное количество энергии, которое необходимо для протекания химической реакции, называется энергией активации. Еще эту величину называют потенциальным барьером реакции. Чем больше энергия активации, тем медленнее протекает химическая реакция, и наоборот — уменьшение потенциального барьера приводит к ускорению химического процесса. Сам факт наличия энергии активации и ее величина напрямую определяются механизмом химической реакции, то есть последовательностью состояний, через которые протекает превращение реагентов в продукты. На пути от реагентов к продуктам, как правило, существует промежуточное состояние, которое уже не является реагентом (так как химические связи в нем уже начали разрываться), но еще и не является продуктом (так как новые связи еще не сформировались в окончательном виде), и именно поэтому энергия такого состояния больше как энергии продуктов, так и энергии реагентов. Это состояние называется переходным состоянием химической реакции (или активированным комплексом). Энергия активации определяется именно энергией переходного состояния реакции и представляет собой простую разность между энергией переходного состояния и энергией исходных реагентов. Такая разность говорит химику, сколько нужно добавить энергии в реакционную смесь, чтобы реагенты смогли добраться до самой энергетически высокой точки — точки активированного комплекса — и, перевалив через этот барьер, превратиться в продукты (рис. 1). Простым и часто используемым наглядным механическим примером переходного состояния и связанной с ним энергии активации является процесс выворачивания наизнанку открытого зонтика под действием налетевшего порыва ветра. Зонтик в нормальном состоянии — это «реагент», и, как бы вы ни крутили в руках этот «реагент», самопроизвольно он не вывернется наизнанку, то есть не превратится в «продукт». Для такого процесса нужна дополнительная энергия — энергия ветра. Под действием энергии воздушного потока зонтик выворачивается наизнанку, и это состояние «продукта» также устойчиво, потому что в нем наш зонтик может находиться сколь угодно долго, если его оставить в покое, и обратно в «реагент» он не превратится. Как можно легко догадаться, «переходным состоянием» этого процесса является «плоский зонтик», который находится на пути от выпуклого зонтика к вогнутому. В этом плоском «высокоэнергетическом» состоянии зонтик находится лишь доли секунды, поэтому оно и остается незамеченным, но именно оно определяет ту энергию, которую нужно затратить на выворачивание. И именно оно служит барьером, отделяющим нормальное состояние зонтика от вывернутого состояния, не давая возможности происходить выворачиванию без дополнительной энергии и позволяя нам пользоваться этой вещью. Следует отметить, что аналогичные процессы выворачивания происходят не только с зонтиками, но и с молекулами, и называются такие превращения инверсией. Например, молекула аммиака, имеющая пирамидальное («зонтичное»), строение может вывернуться наизнанку, пройдя через плоское переходное состояние, в результате чего образуется неотличимая от первоначальной молекула NH3. Итак, чтобы реакция началась, молекулы должны столкнуться с достаточной энергией. Для этого частицам необходимо перемещаться с достаточно высокой скоростью. Мерой скорости перемещения молекул служит температура. То есть чем выше температура смеси, тем быстрее перемещаются молекулы в ней, а значит, и сталкиваются они с большей энергией. Отсюда следует простой вывод: для ускорения химической реакции можно просто нагреть смесь. При нагревании доля «быстрых» молекул увеличится и увеличится доля результативных столкновений, то есть актов превращения реагентов в продукт. Тогда зачем же нужны катализаторы, если ускорять реакцию можно нагреванием? Ответ на этот вопрос заключается в том, что при увеличении температуры начнут протекать побочные процессы, энергия активации которых окажется ниже, чем у целевого процесса, и эти процессы приведут к совсем другим продуктам. Например, при нагревании сложная органическая молекула может разложиться раньше, чем произойдет нужное химическое превращение. Особо важно это для биохимических реакций.
|
![[RDF Data]](/fct/images/sw-rdf-blue.png)