生物教学中酶促反应与活化能关系的探讨

陈英水 陈欣

摘 要：本文对生物活化能的概念和物理意义进行概述，探讨生物教学对酶促反应中活化能的理解.

关键词：生物教学;酶促反应;活化能

一、从一道高考试题说起

（2013年海南卷第3题）关于温度对酶活性影响的叙述，错误的是（ ）

A.不同酶的最适温度可能相同

B.随着温度降低，酶促反应的活化能下降

C.酶活性最高时的温度不适合该酶的保存

D.高温下酶失活是酶空间结构破坏的结果

关于此题B选项的解析，有一种观点认为：酶的作用本质是降低化学反应的活化能，当温度低于或高于最适温度时，酶活性减弱，降低化学反应活化能的能力减弱.题中未给出最适温度，因而，当温度降低时，酶活性可能上升，也可能下降，酶促反应的活化能可能下降，也可能升高，B选项错误.

海南卷由教育部考试中心代为命题，教育部考试中心给出本题关于B选项的解析：化学反应的活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量，不同的化学反应的活化能可能不同，故活化能是特定化学反应的基本属性.酶促反应效率较高的重要原因之一，是能够降低化学反应的活化能.温度是影响化学反应效率的重要因素之一，不同温度下分子能量分布不同.温度升高时，分子的运动速率增大，使分子在单位时间内碰撞的次数增加，同时，由于分子能量增加，使活化分子所占比例增大，故在一定温度范围内，升高温度可以提高化学的反应效率，其原因之一是使活化分子所占比例增大，而不是降低了化学反应的活化能，所以，选项B表述错误.

从考试中心给出的解析可以看出，活化能是特定化学反应的基本属性;在一定温度范围内，温度升高并没有降低化学反应的活化能，反之，温度降低也不会降低或升高化学反应的活化能，B选项错误.由此，引发一个疑问：酶的作用是降低化学反应的活化能，从而加快化学反应速率，为何温度改变，酶活性改变，反应的活化能却不改变呢？

人教版《生物·必修1·分子与细胞》第80页给出了对活化能的定义：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能.教师教学用书第95页对活化能进一步介绍：在一个反应体系中，反应开始时，反应物分子的平均能量水平较低，为“初态”.在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具有了比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能.因此，活化能是指在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位是J/mol.这两个定义都未能解释为什么温度改变，酶活性改变，反应的活化能却不改变.

二、关于酶促反应活化能变化问题的讨论

1.活化能概念

活化能是化学动力学一个重要的基本概念，由瑞典物理化学家Arrhenius于1889年提出.Arrhenius在研究不同溫度条件下酸度对蔗糖转化速率的影响时，发现温度每升高1℃，蔗糖转化反应速率约增加12%～13%，Arrhenius认为，如此大的反应速率的温度系数是难以用温度对反应物分子的运动速率和碰撞频率等物理性质的影响进行解释[1].他提出，分子的能量在反应体系中并不一样，处在不断变化中，只有部分能量较高的分子才能发生反应，他把这些分子称为“活化分子”，而活化分子的数量或浓度随温度升高而按一定规律显著增加.提出一个双参数的反应速率与温度关系经验公式：k=Ae-ea/RT，其对数式则为dlnK/dT=Ea/RT2.

K为反应速率常数，R为气体常数，T为绝对温度，A为指前因子，Ea被Arrhenius称之为活化蔗糖分子的转变热，单位是J/mol，后来被人们称为活化能.活化能即反应物的普通分子转变为活化分子所需要的能量.这也是人教新课标教材和教学用书所引用的活化能概念，Arrhenius由实验数据计算的活化能是一个定值，因而，Arrhenius认为活化能是不随温度而变化的.

2.活化能影响反应速率

Arrhenius公式虽然是一个经验公式，但该公式在后来的研究中发现可以运用于大多数的化学反应速率的计算，具有相当高的适用性.根据分子能量分布定律，在平衡的分子反应系统中，具有较高能量的分子所占的比例越小，活化分子越少，故Ea越大，反应越慢.当温度升高时，系统中具有较高能量的活化分子所占的比例显著增大，反应速率大大加快.

3.活化能对酶促反应的意义

碰撞理论创建者Lewis所提出的活化能概念：活化分子所具有的最低能量与反应物分子的平均能量之差.在化学反应的分子碰撞理论和过渡态理论的研究中，虽然角度有所不同，但都对活化能提出了相似形式的公式Ea=E0+mRT.其中E0在碰撞理论中是分子发生反应所必需具有的最低能量，称为阈能;在过渡态理论中为活化络合物所具有的最低能量，是反应物分子发生反应必需克服的一个能垒.阈能或能垒都是一定值，m在特定的化学反应中为一定值，从式中可以看出Ea是T的函数，也就是说，Ea与温度有关.但是，碰撞理论和过渡态理论的阈能或能垒E0都无法直接计算或测量，活化能的测量依然只能通过作Arrhenius图的方法获得.根据IUPAC（国际理论与应用化学联合会）1996年推荐的观点，活化能的准确定义是Arrhenius图上该直（曲）线在温度T下的斜率.Lewis的活化能概念中反应物分子的平均能量是一宏观值，活化分子所具有的最低能量则是一微观值，而Arrhenius活化能是通过实验数据计算出来的，化学反应本身是许多分子组成的宏观体系，实验测得的数值是微观分子性质的统计效应，因而，活化能必然是一个宏观意义上的概念，Lewis的活化能概念偏离了Arrhenius活化能的理解.Lewis的活化能概念虽然影响了化学界几十年，但最终被人们放弃.

1925年，Tolman通过严格的统计热力学分析，提出一个活化能公式：Ea=<E*>-<E>.式中<E*>为活化分子的平均摩尔能量，<E>普通分子的平均摩尔能量，活化能Ea为活化分子的平均摩尔能量与反应物分子的平均摩尔能量之差.<E*>和<E>都与温度有关， 因此，Ea也应与温度有关.在一个反应体系中有许多的分子，分子的能量各不相同，提高反应体系的温度，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与活化分子的平均能量都升高，两者的温度效应可能彼此抵消（在放热反应中，随温度升高这个差值是略有增加的[2]），在较小的温度范围内活化能变化很小，因而，通过Arrhenius图计算的活化能才会近似于一个常数.Tolman的活化能概念是从宏观的统计角度解释Arrhenius活化能的定义，最接近Arrhenius本人对活化能的解释，较好地弥补了Arrhenius理论的一些不足与缺陷，近年来人们开始普遍接受Tolman对活化能物理含义解释.

4.Arrhenius公式的理解

由于Arrhenius时代实验条件限制，当时所测的各种实验温度范围都较小，实验数据与Arrhenius公式的拟合度通常很好.随着近几十年来科学技术的发展，人们能够在更大温度范围内测量化学反应速率，发现当扩大实验温度范围时，在实验温度范围较小时（ΔT～100K），作Arrhenius图得到一条直线，Ea可以被看做常数，甚至在较大的实验温度范围内（ΔT～500K），Arrhenius图也接近一条直线，误差较小.但是当实验温度范围继续增大（ΔT～1000K），Arrhenius图就出现了明显的弯曲，这时再把Ea与A看做常数就不合适了[2].因而，反应温度较低，实验温度的变化范围不大时，温度对活化能的影响较小，而当反应温度较高，实验温度的变化范围较大时，温度对活化能就会产生明显的影响.后来许多学者基于自己的研究对Arrhenius公式进行了不同改进，在更大的实验温度范围内能够与实验数据更好地拟合.

另外，在测定活化能时，通常选用反应速度较慢的化学反应为测定对象，活化能较大，测定的反应温度范围通常较小，故活化能变化很小，远远小于活化能的绝对值，再加上只能通过测定K值，间接计算活化能，很难得到精确的结果，因而，测定的活化能近似于一个常数，这就是为什么Arrhenius认为活化能是一个定值.

5.酶降低反应活化能与加快反应速率有何区别？

活化能是特定化学反应的基本属性，酶促反应的活化能与反应底物和酶的本身的化学性质有关.酶降低活化能，加快反应速率的关键在于形成酶-底物复合物.酶与底物的结合产生邻近效应和定向效应.邻近效应是指底物分子被束缚在酶分子的表面使之彼此接近;定向效应是指底物的反应基团之间和底物反应基团与酶催化基团之间的正确定位取向.邻近效应和定向效应的效果相当于增加了局部底物濃度和有效碰撞概率.酶与底物结合形成弱相互作用时释放的自由能，使底物分子发生形变，反应键被拉长、扭曲，并通过诱导契合使酶分子上的催化基团进入适当位置，为底物提供广义的酸碱催化和共价催化的基团，以削弱反应键，减少焓因子.酶与底物结合能有效地降低了活化能.在酶的催化反应中，常常是几个基元反应相互配合，形成多元催化和协同效应;此外酶活性部位的疏水微环境十分有利于酶的催化作用，应该指出的是加速酶促反应速率，是多个因素的综合作用，并不是只有降低活化能一个因素.

相对无酶催化的反应途径来说，酶参与形成酶-底物复合物，改变了反应途径，这是两个不同的反应，其活化能是不一样的，也就是说酶是通过改变反应途径的方式降低活化能的，这是活化能的“变”.

反应体系的温度属于外部因素，降低温度不能改变酶促反应的反应途径，特定化学反应的活化能在温度较低，温度变化范围较小时可视为一常数，这是活化能的“不变”.温度对酶促反应的影响包括两方面：一方面是当温度升高时，分子碰撞频率增加，活化分子比例上升，反应速度也加快，这与一般化学反应相同;另一方面，绝大多数酶是蛋白质，随温度升高而逐渐变性，有活性的酶分子数量逐渐减少，从而降低反应速度.在低于最适温度时，前一种效应为主，在高于最适温度时，则后一种效应为主.酶的活性与有活性的酶分子数量有关，与酶促反应的活化能是没有关系的.

三、试题“活化能”再认识

从实验测得的活化能来看，活化能受温度影响.就理论公式而言，活化能是温度的函数，受温度变化而改变，但是，在很小的温度范围内，活化能近似于一个常数.在人教新课标教材中，依然是引用Arrhenius本人对活化能的解释，Arrhenius本人认为一个确定的化学反应的活化能是一个定值.酶促反应的温度变化范围都较小，通常可以将其活化能视为常数.对于2013年海南卷第3题B选项，命题者也是秉承这种观点，因而，考试中心对其的解析，认为温度变化，活化分子比例发生变化，但反应的途径并没有改变，特定反应的活化能是一定的，活化能不变.

参考文献：

[1]李林尉，周立国等. 关于活化能教学的几点浅见[J].聊城师院学报（自然科学版），1994（1）：68-71.

[2]罗渝然，俞书勤等. 再谈什么是活化能——Arrhenius活化能的定义、解释、以及容易混消的物理量[J].大学化学，2010，25（03）：35-42.

[3]朱圣庚，徐长法. 生物化学[M].北京： 高等教育出版社， 2017.

[4]张丽萍，杨建雄. 生物化学简明教程[M].北京： 高等教育出版社，2011.