Was ist Aktivierungsenergie?

Alle Materie besteht aus Molekülen. Viele Moleküle können nahezu unbegrenzt friedlich nebeneinander existieren. Einige Moleküle lösen jedoch eine Reaktion aus, wenn sie mit bestimmten Molekülen in Kontakt kommen. Damit diese Reaktion abläuft, müssen die Moleküle extrem nahe beieinander und in einer bestimmten Ausrichtung gebracht werden. Aktivierungsenergie ist auch an vielen Reaktionen beteiligt, da bei Reaktionen in der Regel bereits vorhandene Bindungen aufgebrochen werden.

Aufgrund der Stärke der Bindungen, die aufgebrochen werden müssen, ist häufig eine erhebliche Energiemenge erforderlich, damit eine chemische Reaktion stattfindet. Die Menge an Aktivierungsenergie, die erforderlich ist, um eine Reaktion zu starten, wird oft als Energiebarriere bezeichnet. Diese Energie wird selten von den kollidierenden Molekülen geliefert, so dass andere Faktoren notwendig sind, um den Molekülen zu helfen, die Energiebarriere zu überwinden und die chemische Reaktion zu erleichtern. Wärme, ein physikalischer Faktor, und die Zugabe eines geeigneten Enzyms, eines chemischen Faktors, sind zwei Beispiele für Faktoren, die Moleküle aktivieren.

Sobald eine chemische Reaktion begonnen hat, setzt sie oft genug Energie frei, normalerweise als Wärme, um die nächste Reaktion usw. in einer Kettenreaktion zu aktivieren. Genau das passiert mit einem Feuer. Holz kann jahrelang auf einem Holzstapel liegen, ohne spontan in Flammen zu geraten. Einmal in Brand gesetzt, durch einen Funken aktiviert, verbraucht es sich buchstäblich selbst, da die freigesetzte Wärme die Aktivierungsenergie liefert, um den Rest des Holzes am Brennen zu halten. Durch Erhitzen eines Gemisches wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

Bei den meisten biologischen Reaktionen ist das Erhitzen unpraktisch, da die Körpertemperatur auf einen sehr kleinen Bereich begrenzt ist. Wärme kann nur in sehr begrenztem Umfang zur Überwindung der Energiebarriere genutzt werden, bevor Zellen beschädigt werden. Damit lebenslange Reaktionen stattfinden können, müssen Zellen Enzyme verwenden, um die Aktivierungsenergie von Reaktionen selektiv zu senken.

Enzyme sind Proteinmoleküle, die als biologische Katalysatoren wirken. Ein Katalysator ist ein Molekül, das eine chemische Reaktion beschleunigt, aber am Ende der Reaktion unverändert bleibt. Fast jede Stoffwechselreaktion, die in einem lebenden Organismus stattfindet, wird von einem Enzym katalysiert. Enzyme haben präzise dreidimensionale Formen und besitzen eine aktive Stelle, an der sich ein Molekül an das Enzym binden kann. Die Form des aktiven Zentrums ermöglicht es bestimmten Molekülen, sich perfekt daran zu binden, sodass jede Art von Enzym normalerweise nur auf eine Art von Molekül einwirkt, das als Substratmolekül bezeichnet wird. Reaktionen, die durch Enzyme katalysiert werden, finden bei viel niedrigeren Temperaturen schnell statt als ohne diese.

Beispielsweise reagieren Glucosemoleküle während der Atmung mit Sauerstoffmolekülen und werden zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut und setzen Energie frei. Da Glucose und Sauerstoff von Natur aus nicht reaktiv sind, muss eine geringe Menge Aktivierungsenergie hinzugefügt werden, um den Atmungsprozess zu starten. Wenn eines der Substratmoleküle an das erforderliche Enzym bindet, ändert sich die Form des Moleküls geringfügig. Dies wiederum erleichtert es diesem Molekül, sich an andere Moleküle zu binden oder sich in das Reaktionsprodukt zu verwandeln. Als solches hat das Enzym die Aktivierungsenergie der Reaktion verringert oder den Ablauf der Reaktion erleichtert.

Wenn die Energiebarriere nicht vorhanden wäre, wären die komplexen Hochenergiemoleküle, von denen das Leben abhängt, instabil und brechen viel leichter ab. Die Aktivierungsenergiebarriere verhindert daher, dass die meisten Reaktionen stattfinden. Dies gewährleistet eine stabile Umgebung für alle Lebewesen.