Reações e energia de ativação
Vamos imaginar que você está caminhando e precisa subir uma colina para chegar do outro lado. Você precisa gastar alguma energia subindo a colina. Quanto mais alta a colina, mais energia você precisa usar para ir para o outro lado.
Em processos bioquímicos, as moléculas também requerem energia para iniciar uma reação. Por exemplo, as moléculas precisam ter alguma energia cinética, ou velocidade, para colidir com outras moléculas e iniciar uma reação. Se as colisões não acontecem com frequência ou não há energia cinética suficiente, nenhuma reação ocorrerá. A energia necessária para iniciar uma reação é chamada de energia de ativação . Quanto mais baixa a energia de ativação, mais rápida ocorre a reação. Quanto mais baixo for o morro que você está caminhando, mais rápido você vai para o outro lado do morro.
Reagentes e produtos têm energias específicas. Para transformar os reagentes em produtos, os reagentes teriam que passar por um estado de transição que geralmente é mais alto em energia. Para chegar a este estado de transição, o sistema requer a energia de ativação. Por fim, os produtos reduzem sua energia para chegar ao estado de produto final.
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Neste gráfico, vemos o gráfico de energia versus o progresso de uma reação. Os reagentes têm mais energia do que os produtos. A energia dos reagentes aumenta e depois diminui para a energia do produto final. O ponto mais alto da curva representa a energia do estado intermediário na reação. A energia necessária para atingir o estado intermediário é a energia de ativação da reação. As enzimas diminuem a energia de ativação de uma determinada reação, mostrada pela curva verde.
Enzimas e catálise
As enzimas são proteínas que reduzem a energia necessária para atingir o estado de transição. As enzimas reduzem a energia de ativação por meio de um processo chamado catálise . Uma reação bioquímica quando uma enzima está presente é chamada de reação catalisada . A catálise pode acontecer de diferentes maneiras. As enzimas podem usar a transferência de prótons ou elétrons para os reagentes para modificar o estado dos reagentes. As enzimas também usam carga elétrica para estabilizar o estado dos reagentes. As enzimas, entretanto, não modificam os produtos finais da reação.
Teoria de ajuste induzido
Cada enzima tem um sítio ativo onde as moléculas reagentes se ligam. A molécula que se liga ao sítio ativo é chamada de substrato . A enzima induz uma mudança na molécula que diminui a energia de ativação da reação. Por exemplo, em reações que envolvem a quebra de ligações, a enzima pode colocar pressão na molécula para facilitar a quebra dessas ligações. Depois que a mudança induzida ocorre, a molécula é liberada e a enzima volta ao seu estado original.
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Lei de Arrhenius
Quando a temperatura aumenta, a energia cinética média das moléculas também aumenta. Tente imaginar uma sala cheia de bolas quicando. Conforme a temperatura aumenta, a velocidade das bolas aumenta. Quando as bolas colidem umas com as outras, elas colidem com mais energia. Moléculas colidindo com energia acima da energia de ativação, representada pelas letras Ea , serão capazes de reagir. A fração de moléculas com energia maior que a energia de ativação é dada pelo fator exponencial: e elevado à quantidade negativa Ea sobre RT .
Aqui é onde R é a constante universal do gás, que é 8,314 J / mol K , e T é a temperatura. Se dissermos que há colisões A acontecendo a cada segundo, então o número total de colisões a cada segundo que produzirá uma reação é dado pela equação de Arrhenius: k é igual a A vezes e elevado à quantidade negativa Ea sobre RT .
Aqui é onde A é a taxa de colisões ek é a constante de taxa, ou a taxa de eventos de reação. Por exemplo, digamos que em uma determinada reação, a constante de taxa é 10 mol / seg e a taxa de colisões é 27 mol / seg a 325 K. Podemos encontrar a energia de ativação desta reação reorganizando a equação de Arrhenius para resolver para Ea e, em seguida, conectando nossos valores conhecidos. Vamos tentar.
Primeiro, podemos dividir ambos os lados da equação por A . Como a variável que queremos está no expoente, podemos então obter o logarítmico natural de ambos os lados. Finalmente, a multiplicação por RT negativo nos dará a equação: Ea = – RT ln ( k / A ).
Agora que resolvemos a energia de ativação, podemos inserir nossos valores para R , T , k e A e resolver para Ea . A energia de ativação dessa reação é 2.683,81 Joules.
Observe que na equação acima, a constante de taxa aumenta se Ea diminui. Ou seja, se a energia de ativação for reduzida pela presença de uma enzima, o número de eventos de reação por segundo aumentará, tornando toda a reação mais rápida.
Resumo da lição
A energia de ativação é a energia necessária para iniciar uma reação. Enzimas são proteínas que se ligam a uma molécula, ou substrato , para modificá-la e reduzir a energia necessária para fazê-la reagir. A taxa de reação é dada pela equação de Arrhenius. A taxa de reação aumenta se a energia de ativação diminui.