化學反應的「山」

想像一個反應 A → B，就像把一顆球從山的一邊推到另一邊。反應物 A 有一個能量；產物 B 有另一個能量。兩者的能量差是反應的自由能變化（ΔG），這個值決定了「反應最終會偏向哪一邊」，也就是化學平衡（equilibrium）的位置。

但 A 並不會自動變成 B，因為中間有一座山要翻。山頂的那個能量最高的瞬間，叫做過渡態（transition state, TS），它的能量減去反應物的能量，就是活化能（activation energy, ΔG‡），翻過山需要的能量。

上圖中的紅色曲線是沒有催化劑（酵素）的反應路徑，藍色曲線是有的路徑。注意兩件事：

酵素改變的：

• 活化能（ΔG‡）變小 → 反應速率（rate）變快
• 正反應、逆反應都變快（因為兩邊山坡都變低）
• 過渡態被酵素穩定（降低 TS 的能量）

酵素不改變的：

• 反應物（A）的能量
• 產物（B）的能量
• 兩者的能量差（ΔG°）
• 平衡常數（Keq）
• 反應的產物種類

🐆 常考重點
酵素只是「加速反應達到平衡的時間」，它不會改變最終的平衡位置。

如果一個反應在熱力學上不利（ΔG° > 0），再厲害的酵素也不會讓它自發發生。

細胞的解法是「偶聯」，把這個反應和另一個大量放能的反應（通常是 ATP 水解）接在一起，讓合併後的 ΔG° < 0。這是第四章會深入討論的主題。

酵素催化的一般式

幾乎所有酵素催化都可以寫成：

E + S ⇌ ES → E + P

• E ：酵素（enzyme）
• S ：受質（substrate，酵素的目標分子）
• ES ：酵素受質複合體（產生於 E 和 S 結合的瞬間）
• P ：產物（product）

酵素先與受質結合形成 ES ，接著 ES 變成 EP ，最後產物離開，酵素回到原狀。酵素本身在反應前後質和量都不變，可以一次次催化新的受質，細胞只需要一點點酵素就能處理大量受質。