Wat is activeringsenergie?
Alle materie bestaat uit moleculen. Veel moleculen kunnen bijna onbeperkt vreedzaam naast elkaar bestaan. Sommige moleculen veroorzaken echter een soort reactie wanneer ze in contact komen met bepaalde moleculen. Om deze reactie te laten optreden, moeten de moleculen extreem dicht bij elkaar en in een bepaalde oriëntatie worden gebracht. Activeringsenergie is ook betrokken bij veel reacties, omdat reacties doorgaans ook het verbreken van reeds bestaande bindingen met zich meebrengen.
Vaak is een aanzienlijke hoeveelheid energie vereist voor een chemische reactie, vanwege de sterkte van de verbindingen die moeten worden verbroken. De hoeveelheid activeringsenergie die nodig is om een reactie te starten, wordt vaak de energiebarrière genoemd. Deze energie wordt zelden geleverd door botsende moleculen, dus andere factoren zijn nodig om de moleculen te helpen de energiebarrière weg te nemen en de chemische reactie te vergemakkelijken. Warmte, een fysische factor, en het toevoegen van een geschikt enzym, een chemische factor, zijn twee voorbeelden van factoren die moleculen activeren.
Zodra een chemische reactie is begonnen, geeft deze vaak voldoende energie af, meestal als warmte, om de volgende reactie te activeren enzovoort in een kettingreactie. Dit is precies wat er met een brand gebeurt. Hout kan jaren op een houtstapel liggen zonder spontaan in vlammen op te gaan. Eenmaal in brand gestoken, geactiveerd door een vonk, verbruikt het letterlijk zichzelf omdat de afgegeven warmte de activeringsenergie levert om de rest van het hout brandend te houden. Het verwarmen van een mengsel zal de reactiesnelheid verhogen.
Voor de meeste biologische reacties is verwarming niet praktisch omdat de lichaamstemperatuur beperkt is tot een zeer klein bereik. Warmte kan alleen worden gebruikt als een manier om de energiebarrière in zeer beperkte mate te overwinnen voordat cellen worden beschadigd. Om de reacties voor het leven te laten plaatsvinden, moeten cellen enzymen gebruiken om de activeringsenergie van reacties selectief te verlagen.
Enzymen zijn eiwitmoleculen die fungeren als biologische katalysatoren. Een katalysator is een molecuul dat een chemische reactie versnelt, maar aan het einde van de reactie ongewijzigd blijft. Bijna elke metabole reactie die plaatsvindt in een levend organisme wordt gekatalyseerd door een enzym. Enzymen hebben precieze driedimensionale vormen en bezitten een actieve plaats, waar een molecuul zich aan het enzym kan hechten. Door de vorm van de actieve site kunnen bepaalde moleculen zich perfect binden, dus elk type enzym werkt meestal op slechts één type molecuul, het substraatmolecuul. Reacties die worden gekatalyseerd door enzymen zullen snel plaatsvinden bij veel lagere temperaturen dan zonder deze.
Tijdens de ademhaling reageren glucosemoleculen bijvoorbeeld met zuurstofmoleculen en worden afgebroken tot koolstofdioxide en water en geven energie af. Omdat glucose en zuurstof niet van nature reactief zijn, moet een kleine hoeveelheid activeringsenergie worden toegevoegd om het ademhalingsproces te starten. Wanneer een van de substraatmoleculen bindt aan het vereiste enzym, zal de vorm van het molecuul enigszins worden gewijzigd. Dit maakt het op zijn beurt gemakkelijker voor dat molecuul om zich te binden aan andere moleculen of te veranderen in het product van de reactie. Als zodanig heeft het enzym de activeringsenergie van de reactie verminderd, of heeft het de reactie gemakkelijker laten plaatsvinden.
Als de energiebarrière niet bestond, zouden de complexe hoogenergiemoleculen waarvan het leven afhankelijk is, onstabiel zijn en veel gemakkelijker worden afgebroken. De activeringsenergiebarrière voorkomt daarom dat de meeste reacties plaatsvinden. Dit zorgt voor een stabiele omgeving voor alle levende wezens.