プリンキピア

第6章代謝

Activation Energy活性化エネルギー

There is another important concept that we must consider regarding endergonic and exergonic reactions. Even exergonic reactions require a small amount of energy input before they can proceed with their energy-releasing steps. These reactions have a net release of energy, but still require some initial energy. Scientists call this small amount of energy input necessary for all chemical reactions to occur the activation energy (or free energy of activation) abbreviated as EA (Figure 6.10).
英語のヒント
吸エルゴン反応と発エルゴン反応について、もう一つ考慮すべき重要な概念がある。発エルゴン反応であっても、エネルギーを放出する段階へ進むには、初めに少量のエネルギーを投入する必要がある。こうした反応は正味ではエネルギーを放出するが、やはり最初のエネルギーが必要である。すべての化学反応を起こすために必要な、この少量の投入エネルギーを活性化エネルギー(または活性化自由エネルギー)といい、EA と略記する(図6.10)。
Why would an energy-releasing, negative ∆G reaction actually require some energy to proceed? The reason lies in the steps that take place during a chemical reaction. During chemical reactions, certain chemical bonds break and new ones form. For example, when a glucose molecule breaks down, bonds between the molecule's carbon atoms break. Since these are energy-storing bonds, they release energy when broken. However, to get them into a state that allows the bonds to break, the molecule must be somewhat contorted. A small energy input is required to achieve this contorted state. This contorted state is the transition state, and it is a high-energy, unstable state. For this reason, reactant molecules do not last long in their transition state, but very quickly proceed to the chemical reaction's next steps. Free energy diagrams illustrate the energy profiles for a given reaction. Whether the reaction is exergonic or endergonic determines whether the products in the diagram will exist at a lower or higher energy state than both the reactants and the products. However, regardless of this measure, the transition state of the reaction exists at a higher energy state than the reactants, and thus, EA is always positive.
英語のヒント
エネルギーを放出し、∆G が負となる反応が進むのに、なぜエネルギーが必要なのだろうか。理由は、化学反応の途中に起こる各段階にある。化学反応では、ある化学結合が切れ、新たな結合ができる。たとえばグルコース分子が分解するとき、その分子の炭素原子同士をつなぐ結合が切れる。これらはエネルギーを蓄えた結合なので、切れるとエネルギーを放出する。しかし、結合を切れる状態にするには、分子をある程度ゆがめなければならない。このゆがんだ状態をつくるために、少量のエネルギー投入が必要なのである。このゆがんだ状態を遷移状態といい、高エネルギーで不安定な状態である。そのため反応物の分子は遷移状態に長くとどまらず、すぐに化学反応の次の段階へ進む。自由エネルギー図は、ある反応におけるエネルギーの推移を示す。反応が発エルゴン反応か吸エルゴン反応かによって、図中の生成物が反応物と生成物の両方より低いエネルギー状態になるか、高い状態になるかが決まる。しかし、この違いにかかわらず、反応の遷移状態は反応物より高いエネルギー状態にあるため、EA は常に正である。
From where does the activation energy that chemical reactants require come? The activation energy's required source to push reactions forward is typically heat energy from the surroundings. Heat energy (the total bond energy of reactants or products in a chemical reaction) speeds up the molecule's motion, increasing the frequency and force with which they collide. It also moves atoms and bonds within the molecule slightly, helping them reach their transition state. For this reason, heating a system will cause chemical reactants within that system to react more frequently. Increasing the pressure on a system has the same effect. Once reactants have absorbed enough heat energy from their surroundings to reach the transition state, the reaction will proceed.
英語のヒント
化学反応物に必要な活性化エネルギーは、どこから来るのだろうか。反応を進めるための活性化エネルギーの源は、通常、周囲からの熱エネルギーである。熱エネルギー(化学反応の反応物または生成物がもつ結合エネルギーの総量)は分子の運動を速め、衝突の頻度と強さを増す。また、分子内の原子と結合をわずかに動かし、遷移状態へ達するのを助ける。そのため、系を加熱すると、その中の化学反応物はより頻繁に反応する。系に加わる圧力を増やしても同じ効果がある。反応物が周囲から十分な熱エネルギーを吸収し、遷移状態に達すると、反応が進む。
The activation energy of a particular reaction determines the rate at which it will proceed. The higher the activation energy, the slower the chemical reaction. The example of iron rusting illustrates an inherently slow reaction. This reaction occurs slowly over time because of its high EA. Additionally, burning many fuels, which is strongly exergonic, will take place at a negligible rate unless sufficient heat from a spark overcomes their activation energy. However, once they begin to burn, the chemical reactions release enough heat to continue the burning process, supplying the activation energy for surrounding fuel molecules. Like these reactions outside of cells, the activation energy for most cellular reactions is too high for heat energy to overcome at efficient rates. In other words, in order for important cellular reactions to occur at appreciable rates (number of reactions per unit time), their activation energies must be lowered (Figure 6.10). Scientist refer to this as catalysis. This is a very good thing as far as living cells are concerned. Important macromolecules, such as proteins, DNA, and RNA, store considerable energy, and their breakdown is exergonic. If cellular temperatures alone provided enough heat energy for these exergonic reactions to overcome their activation barriers, the cell's essential components would disintegrate.
英語のヒント
ある反応の活性化エネルギーは、その反応が進む速度を決める。活性化エネルギーが高いほど、化学反応は遅くなる。鉄がさびる反応は、もともと遅い反応の例である。EA が高いため、時間をかけてゆっくり進む。また、多くの燃料の燃焼は強い発エルゴン反応であるが、火花からの十分な熱が活性化エネルギーを乗り越えない限り、その速度は無視できるほど小さいままである。しかし、いったん燃え始めると、化学反応は燃焼を続けるのに十分な熱を放出し、周囲の燃料分子に活性化エネルギーを供給する。こうした細胞外の反応と同様に、細胞内の反応の多くは、熱エネルギーだけで効率よく乗り越えるには活性化エネルギーが高すぎる。言い換えれば、重要な細胞反応が十分な速度(単位時間当たりの反応数)で起こるには、活性化エネルギーを下げる必要がある(図6.10)。これを触媒作用と呼ぶ。生きた細胞にとって、この仕組みは非常に好都合である。タンパク質、DNA、RNAなどの重要な高分子は、多くのエネルギーを蓄えており、その分解は発エルゴン反応である。もし細胞の温度だけで、それらの反応が活性化の障壁を乗り越えられるだけの熱エネルギーが供給されるなら、細胞に不可欠な構成要素が崩壊してしまう。