Co to jest energia aktywacji?
Cała materia składa się z cząsteczek. Wiele cząsteczek może pokojowo współistnieć prawie bez końca. Niektóre cząsteczki wywołują jednak pewną reakcję, gdy wejdą w kontakt z niektórymi cząsteczkami. Aby ta reakcja zachodziła, cząsteczki muszą być bardzo blisko siebie i w określonej orientacji. Energia aktywacji bierze również udział w wielu reakcjach, ponieważ zazwyczaj reakcje obejmują również zerwanie wcześniej istniejących wiązań.
Z powodu siły wiązań, które muszą zostać zerwane, często zachodzi znaczna ilość energii, aby mogła zajść reakcja chemiczna. Ilość energii aktywacji wymagana do rozpoczęcia reakcji jest często nazywana barierą energetyczną. Energia ta rzadko jest dostarczana przez zderzające się cząsteczki, dlatego konieczne są inne czynniki, aby pomóc molekułom usunąć barierę energetyczną i ułatwić reakcję chemiczną. Ciepło, czynnik fizyczny i dodanie odpowiedniego enzymu, czynnika chemicznego, to dwa przykłady czynników aktywujących cząsteczki.
Po rozpoczęciu reakcji chemicznej często uwalnia wystarczającą ilość energii, zwykle w postaci ciepła, aby aktywować następną reakcję i tak dalej w reakcji łańcuchowej. To właśnie dzieje się z pożarem. Drewno może leżeć w stosie drewna przez lata bez samozapłonu. Po podpaleniu, aktywowany przez iskrę, dosłownie zużywa się, ponieważ uwalniane ciepło dostarcza energię aktywacji, aby utrzymać resztę drewna w ogniu. Ogrzanie mieszaniny zwiększy szybkość reakcji.
W przypadku większości reakcji biologicznych ogrzewanie jest niepraktyczne, ponieważ temperatura ciała jest ograniczona do bardzo małego zakresu. Ciepło można wykorzystać jedynie jako sposób na pokonanie bariery energetycznej w bardzo ograniczonym stopniu przed uszkodzeniem komórek. Aby zachodziły reakcje na całe życie, komórki muszą używać enzymów w celu selektywnego obniżenia energii aktywacji reakcji.
Enzymy to cząsteczki białka, które działają jak katalizatory biologiczne. Katalizator jest cząsteczką, która przyspiesza reakcję chemiczną, ale pozostaje niezmieniona pod koniec reakcji. Niemal każda reakcja metaboliczna zachodząca w żywym organizmie jest katalizowana przez enzym. Enzymy mają dokładne trójwymiarowe kształty i posiadają aktywne miejsce, w którym cząsteczka może się przyczepić do enzymu. Kształt aktywnego miejsca pozwala niektórym cząsteczkom doskonale się z nim wiązać, więc każdy rodzaj enzymu zwykle działa tylko na jeden rodzaj cząsteczki, zwany cząsteczką substratu. Reakcje katalizowane przez enzymy zachodzą szybko w znacznie niższych temperaturach niż bez nich.
Na przykład podczas oddychania cząsteczki glukozy reagują z cząsteczkami tlenu i rozkładają się, tworząc dwutlenek węgla i wodę i uwalniając energię. Ponieważ glukoza i tlen nie są naturalnie reaktywne, należy dodać niewielką ilość energii aktywacji, aby rozpocząć proces oddychania. Gdy jedna z cząsteczek substratu wiąże się z wymaganym enzymem, kształt cząsteczki ulegnie nieznacznej zmianie. To z kolei ułatwia wiązanie się tej cząsteczki z innymi cząsteczkami lub zmianę w produkt reakcji. Jako taki, enzym zmniejszył energię aktywacji reakcji lub ułatwił przebieg reakcji.
Gdyby bariera energetyczna nie istniała, złożone cząsteczki o wysokiej energii, od których zależy życie, byłyby niestabilne i rozpadałyby się o wiele łatwiej. Bariera energii aktywacji zapobiega zatem zachodzeniu większości reakcji. Zapewnia to stabilne środowisko dla wszystkich żywych istot.