Если обозначить, скажем, левый край поверхности, как смесь А и В, а правый — как смесь С и D, то любому студенту станет ясно, что лед, конечно, не занимается расчетами того, в каком направлении толкать кирпич. Он просто помогает кирпичу быстрее соскользнуть вниз.
Студентам наглядно будет показано, почему катализ обратимой реакции не приводит к сдвигу точки равновесия и почему ускорение реакции в том или ином направлении не подталкивает ее двигаться в том же направлении дальше. Очевидно ведь, что оттого, что кирпич и поверхность, по которой он скользит, покроют льдом, процесс скольжения, конечно, ускорится, но на положение самой нижней точки поверхности это никак не повлияет, равно как и не заставит кирпич проскочить эту точку и застрять где-то посреди противоположного склона.
В программе более продвинутых курсов студенты узнают о существовании такой вещи, как химический потенциал, который можно рассматривать как в некотором отношении аналог известного нам с детства гравитационного потенциала, и на этом этапе познания когда-то обрисованный образ опять же сослужит им хорошую службу.
Но не стоит ограничивать область применения метафор лишь элементарными вещами. В конце концов будет объяснено, что эффект катализа достигается за счет снижения энергии активации. Иными словами, вещество, подвергающееся воздействию фермента, сначала вступает в некое нестабильное промежуточное соединение, из которого тут же образуется окончательный продукт. Формирование этого нестабильного промежуточного соединения требует приложения довольно большого объема энергии, а без его образования не получится и окончательного продукта (хотя он как раз и не является особенно энергоемким веществом). Поэтому вся реакция не может проистекать быстрее, чем формируется промежуточное соединение.
Наличие же катализатора делает это промежуточное соединение более стабильным, что позволяет формировать его с приложением меньшего количества энергии, что ускоряет процесс образования этого соединения, а значит, и всей реакции.
Часто энергию активации (так называется энергия, необходимая для формирования промежуточного вещества) представляют в виде «порога» между исходными веществами и конечными продуктами реакции. Присутствие фермента снижает этот порог, соответственно облегчая массовый переход через него. Еще одну интересную метафору можно привести, если представить обратимую реакцию в виде шоссе, по которому в обе стороны мчатся автомобили, а энергию активации — в виде «лежащего полицейского»; однако эта метафора оставляет открытым вопрос, каким же именно образом наличие катализатора вдруг способствует снижению порога. Зато это можно наглядно продемонстрировать с помощью образа «завязывания шнурков».
Представим себе человека, который стоит посреди необозримого грязного поля. У него развязался шнурок, и надо его завязать. При этом ему очень не хочется упасть в грязь. Пока наш герой стоит на обеих ногах, на одной из которых ботинок с развязанным шнурком, он находится в устойчивом положении и падение ему не грозит. Когда шнурок будет завязан, опасность падения окажется далеко позади.
Но вот сам процесс завязывания шнурка сопряжен с ослаблением равновесия. Для этого надо либо нагнуться, либо присесть на корточки, либо поднять ногу, то есть оказаться в рискованном положении, когда можно либо запачкать часть одежды, либо вообще упасть. Такая нестабильность промежуточного положения заставит нашего героя двигаться медленно и осторожно.
Если же под рукой у него окажется прочно стоящий на месте стул, на который можно будет усесться, ситуация радикальным образом изменится. Сидя на стуле, человек легко может поднять одну ногу, нисколько не теряя при этом равновесия. Быстро завязав шнурок, он встанет и пойдет по своим делам.
В описанном примере не только понятно, что стул — это катализатор (обратите внимание — опять его задача оказывается в том, чтобы предоставить подходящую поверхность!), но и видно, что помогает он именно тем, что стабилизирует промежуточное состояние. Так мы можем наглядно продемонстрировать тезис о снижении энергетического порога.
Можно себе представить, что если шнурки необходимо завязать большому количеству людей, то с помощью стула, сидя на котором они будут делать это по очереди, весь процесс значительно ускорится. В таком случае можно будет говорить о том, как катализатор «стул» ускоряет «реакцию завязывания шнурков».
Когда студент впервые узнает о ферментах, эти катализаторы, так тесно связанные с самой жизнью, кажутся ему совершенно загадочными. Они имеют белковую природу, но при этом разделяют все фундаментальные свойства ферментов как таковых. Образы «кирпича на наклонной доске», «письменного стола» и «завязывания шнурков» справедливы по отношению к ним не меньше, чем по отношению к диоксиду марганца.
Но ферменты — более тонкая материя. Одно из главных отличий белковых катализаторов (ферментов) от минеральных — в том, что первые гораздо более специфичны. Зачастую один фермент может катализировать только одну реакцию из бессчетного множества. Однако не стоит воспринимать это как необъяснимую загадку природы. Даже поверхностного знакомства со строением белков достаточно, чтобы понять, что из белковых молекул можно составить самые сложные поверхности путем перестановки аминокислот в белках. Кстати, если развить метафору о «завязывании шнурков», то можно очень хорошо показать преимущества именно строго специализированной поверхности.
Стул — он и есть стул, но и стулья бывают разные. Обычный кухонный стул вполне годится на роль катализатора для ускорения реакции завязывания шнурков. Но представьте себе стул, специально разработанный именно для этой цели, — с автоматизированными спинкой, подлокотниками и подножками. К примеру, когда человек садится на стул, замыкается контакт и одна из подножек вместе с ногой поднимается на нужную высоту, одновременно с этим спинка наклоняется чуть вперед, а подлокотники — вперед и вовнутрь, так чтобы кисти обеих рук оказались в одной точке со шнурками на надетом на ногу ботинке. Так за долю секунды, без каких-либо действий со своей стороны, сидящий окажется в идеальном положении для завязывания шнурков; завязавший же шнурки выталкивается в сторону специальным рычагом — стул становится свободен для следующего пользователя.
Очевидно, что такое специально сконструированное кресло гораздо сильнее ускорит «реакцию завязывания шнурков», чем обычный кухонный стул. Оно еще более стабилизирует промежуточное положение. Однако в силу своей специализации такое кресло окажется неприменимым для любых других целей. Скажем, если молодой человек захочет посидеть в нем с любимой девушкой на коленях, то движение различных частей кресла его весьма удивит. Даже если сами движения рук, ног и спины покажутся ему лишь забавным сюрпризом, то завершающее выталкивание уж точно вряд ли понравится как ему самому, так и девушке.
Если же вы заходите посидеть в таком кресле просто для того, чтобы почитать газету, то тут же вскочите в раздражении сами еще до того, как вас выпихнет оттуда автоматически.
В обоих случаях в следующий раз такой желающий посидеть уже будет искать для своих целей либо стандартный стул, либо специально сконструированный уже непосредственно для его целей, скажем кресло-для-сидения-с-девушкой или кресло-для-чтения-газет.
Короче говоря, специально сконструированное кресло (фермент) является одновременно и более эффективным, и более специализированным катализатором, чем «общий» катализатор (как правило, минерального происхождения). Эффективность и специализация, как правило, всегда идут рука об руку.
Для наглядности объяснения совсем не обязательно выдумывать воображаемые кресла. Можно ведь вспомнить и о стоматологическом или парикмахерском кресле, а то и об электрическом стуле. Если сравнить их все с обычным кухонным стулом, то сразу становится ясно, насколько специализированная поверхность может повысить эффективность действия.
Специализация вспоминается и тогда, когда речь заходит о конкурентном ингибировании (см. главу 2). Скажем, один фермент выборочно катализирует распад вещества А. Он не будет катализировать ни распад вещества В, ни распад похожего на А вещества А'; однако присутствие А' помешает нормальной работе фермента в отношении А, а присутствие В — нет.