当前课程知识点：现代生物学导论 > 第四讲 能量和代谢 > 4.4 活化能和酶 > 4.4 活化能和酶
热力学定律告诉我们化学反应在什么样的情况下会或者不会发生
但是没有告诉我们这些反应的速率
很多自发反应虽然不需要外界输入能量
但反应过程会发生得非常缓慢
举例来说，蔗糖被水分解为葡萄糖和果糖的反应是放能反应
是自发进行的，释放的自由能是负值
但溶解在水中的蔗糖会维持在蔗糖状态很久而不被水解
但是如果我们加入一点酶---蔗糖酶
那么蔗糖就会快速地被水解
那么酶是怎么做到的呢
酶是一种大分子的催化剂，可以加速反应过程但不会被反应所消耗
为了理解酶是怎么加速化学反应的
我们首先来看为什么有的自发反应非常缓慢
化学反应都涉及化学键的断裂和生成
像图中展示的一样，分子AB和CD发生化学反应，最后生成AC和BD
在这一过程中，AB和CD之间的化学键断裂
重新生成AC和BD间的化学键
在化学反应发生前，从一种分子转化到另一种分子
往往需要把开始参加反应的分子进行一定程度的变形
使之达到一种不稳定的状态
这种变形情况可以用钥匙链的情况来解释
如图，当钥匙环处于开放状态
就是钥匙可以进去的状态时，是处于不稳定的状态
但是当钥匙进入到钥匙环中，钥匙环又恢复到稳定状态
为了达到变形的状态，需要使化学键发生改变
反应物分子必须要从周围环境中吸取能量
当产物中新的化学键形成时，能量以热的形式被释放
分子又回到自由能比反应物低的稳定形态
反应开始所需要的能量用来使反应物分子发生变形
导致化学键的断裂
这种能量叫做用来活化反应的自由能，简称活化能
我们可以把活化能看做是把反应物推向能量障碍顶点的能量
比如，就是图中向上坡方向运动到坡顶
那么这样从坡顶向下坡运动的反应就可以发生
吸收热能可以加速反应物分子的运动，这样它们可以碰撞得更加频繁
而且，也可以使分子内的原子更活跃，加速化学键的断裂
当反应物分子吸取了足够多的能量使得化学键断裂
反应物就处于一种不稳定的状态，叫做过渡态
就像图中的这个反应，反应物是AB和CD
产物是AC和BD，两个反应物分子互相交换一部分
反应物的活化能用图中的上坡部分来表示，即EA
反应物分子的自由能上升
在最顶点，当反应物分子吸收了足够多的能量
即EA，就处于过渡态：过渡态的分子不稳定，化学键容易断裂
在原子重新组合，形成新的、更加稳定的状态的过程中
能量被释放到周围环境中，就是图中的下坡部分
图中的反应是放能反应，可以自发进行
但是，活化能也提供了反应的一个障碍来决定反应的速度
反应物要进行化学反应，必须要吸收足够的能量来克服活化能
对于有的反应来说，EA比较低
在室温的情况下，反应物分子就能达到过渡态，使得化学反应发生
但是，在大多数情况下，反应物的自由能较高
过渡态很难达到，所以呢反应很难发生
那么这个时候，就体现出酶的重要性了
我们前面谈到酶是一种催化剂，可以加速反应进行
也就是可以降低反应的活化能
我们打一个比方
就像图中，左边的这个青蛙它必须要跳过中间的壁垒才能达到右边的池塘
但是这个壁垒非常的高，大多数青蛙都跳不过去
这就像大多数细胞内的化学反应一样，无法克服自由能
酶的出现，就像是把横在中间的壁垒给降低
这样青蛙都可以轻松地越过
酶通过降低反应的活化能来加速反应进行
反应中加入酶以后，EA降低
需要注意的是，酶不会改变反应的自由能
即不会让一个吸能反应变成放能反应
只能会使原本就会发生的反应快速进行
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
