Toute matière est constituée de molécules. De nombreuses molécules peuvent coexister pacifiquement presque indéfiniment. Certaines molécules, cependant, provoquent une sorte de réaction lorsqu’elles entrent en contact avec certaines molécules. Pour que cette réaction se produise, les molécules doivent être rapprochées les unes des autres et dans une orientation particulière. L’énergie d’activation est également impliquée dans de nombreuses réactions, car généralement, les réactions impliquent également la rupture de liaisons préexistantes.
Une quantité substantielle d’énergie est souvent nécessaire pour qu’une réaction chimique ait lieu, en raison de la force des liaisons qui doivent être rompues. La quantité d’énergie d’activation nécessaire pour démarrer une réaction est souvent appelée barrière énergétique. Cette énergie est rarement fournie par les molécules entrant en collision, d’autres facteurs sont donc nécessaires pour aider les molécules à franchir la barrière énergétique et faciliter la réaction chimique. La chaleur, un facteur physique, et l’ajout d’une enzyme appropriée, un facteur chimique, sont deux exemples de facteurs qui activent les molécules.
Une fois qu’une réaction chimique a commencé, elle libère souvent suffisamment d’énergie, généralement sous forme de chaleur, pour activer la réaction suivante et ainsi de suite dans une réaction en chaîne. C’est précisément ce qui se passe avec un incendie. Le bois peut rester dans un tas de bois pendant des années sans s’enflammer spontanément. Une fois allumé, activé par une étincelle, il se consume littéralement car la chaleur dégagée fournit l’énergie d’activation pour que le reste du bois continue de brûler. Le chauffage d’un mélange augmentera la vitesse de la réaction.
Pour la plupart des réactions biologiques, le chauffage n’est pas pratique car la température corporelle est limitée à une très petite plage. La chaleur ne peut être utilisée que comme moyen de surmonter la barrière énergétique dans une mesure très limitée avant que les cellules ne soient endommagées. Pour que les réactions nécessaires à la vie aient lieu, les cellules doivent utiliser des enzymes pour abaisser sélectivement l’énergie d’activation des réactions.
Les enzymes sont des molécules de protéines qui agissent comme des catalyseurs biologiques. Un catalyseur est une molécule qui accélère une réaction chimique, mais reste inchangée à la fin de la réaction. Presque toutes les réactions métaboliques qui ont lieu dans un organisme vivant sont catalysées par une enzyme. Les enzymes ont des formes tridimensionnelles précises et possèdent un site actif, où une molécule peut s’attacher à l’enzyme. La forme du site actif permet à certaines molécules de s’y lier parfaitement, de sorte que chaque type d’enzyme agit généralement sur un seul type de molécule, appelé molécule substrat. Les réactions catalysées par les enzymes se dérouleront rapidement à des températures beaucoup plus basses que sans elles.
Par exemple, pendant la respiration, les molécules de glucose réagissent avec les molécules d’oxygène et sont décomposées pour former du dioxyde de carbone et de l’eau et libérer de l’énergie. Parce que le glucose et l’oxygène ne sont pas naturellement réactifs, une petite quantité d’énergie d’activation doit être ajoutée pour démarrer le processus de respiration. Lorsqu’une des molécules de substrat se lie à l’enzyme requise, la forme de la molécule sera légèrement modifiée. Cela permet à son tour à cette molécule de se lier plus facilement à d’autres molécules ou de se transformer en produit de la réaction. En tant que telle, l’enzyme a réduit l’énergie d’activation de la réaction ou a facilité la réalisation de la réaction.
Si la barrière énergétique n’existait pas, les molécules complexes à haute énergie dont dépend la vie seraient instables et se décomposeraient beaucoup plus facilement. La barrière d’énergie d’activation empêche donc la plupart des réactions d’avoir lieu. Cela garantit un environnement stable pour tous les êtres vivants.