结构生物化学/酶/限速步骤
酶可以帮助反应并通过降低反应所需的活化能来提高产物的生成速度。从根本上说,酶仍然只是在化学方程式中催化反应的机制。因此,酶反应也具有这些逐步机制反应的基本要素,当然也包括限速步骤或速率决定步骤。
很容易正确地假设机制的每一步都不会以相同的速度进行,因此限速步骤仅仅是机制中反应速度最慢的那一步反应。在黑色星期五的精神下,一个有趣的现实生活类比是:假设一个完整的反应是所有购物者在百思买完成购物所需的时间,那么限速步骤将是购物者中最犹豫不决并购买最多东西的人。如果要查看整个反应的反应坐标图,限速步骤通常是具有最高活化能峰值或最高能量过渡态的那一步。
特别地,根据酶的米氏动力学,限速步骤通常是产物形成步骤。
例如:反应 NO2(g) + CO(g) → NO(g) + CO2(g) 分为两个基本步骤
1. NO2 + NO2 → NO + NO3(慢步骤)
2. NO3 + CO → NO2 + CO2(快步骤)
由于第二步消耗了在缓慢的第一步中产生的 NO3,因此它受到第一步速率的限制。出于这个原因,速率决定步骤反映在速率方程中。另一个类似于限速步骤的简单情况是一个四口之家准备出门。无论其他人多快,因为这个家庭必须等待每个人,最慢的人将决定其他人能多快离开家。
速率决定步骤的概念对于许多化学过程(如催化和燃烧)的优化和理解非常重要。此外,它可能有助于确定该机制是否适用于该反应。这是因为限速步骤的速率定律应该等于反应的速率定律。如果不是这样,那么要么实验速率定律测定错误,要么提出的机制是错误的。
限速步骤的作用也应用于酒精在人体中的研究。人体会自然地将酒精(乙醇是饮料中所含的酒精)转化为乙醛,然后转化为乙酸盐。一旦成为乙酸盐,人体就可以通过废物自然地排出乙酸盐。这是一个两步过程,即
酒精 --> 乙醛(非常快)乙醛 --> 乙酸盐(非常慢,限速步骤)
由于酒精被迅速转化为乙醛,所以饮用过多酒精会导致乙醛进入血液。乙醛的积累速度会远快于其转化为乙酸盐的速度。一旦乙醛进入血液,生理效应就开始显现。最终,乙醛被转化为乙酸盐,这些效应消失。在这种情况下,限速步骤是乙醛转化为乙酸盐,因为它速度要慢得多,导致乙醛在血液中积累。