Tutta la materia è costituita da molecole. Molte molecole possono coesistere pacificamente quasi indefinitamente. Alcune molecole, tuttavia, provocano qualche tipo di reazione quando entrano in contatto con determinate molecole. Affinché questa reazione avvenga, le molecole devono essere avvicinate molto tra loro e con un orientamento particolare. L’energia di attivazione è anche coinvolta in molte reazioni, perché in genere le reazioni comportano anche la rottura di legami preesistenti.
Spesso è necessaria una notevole quantità di energia perché avvenga una reazione chimica, a causa della forza dei legami che devono essere spezzati. La quantità di energia di attivazione richiesta per avviare una reazione è spesso chiamata barriera energetica. Questa energia è raramente fornita dalle molecole che entrano in collisione, quindi sono necessari altri fattori per aiutare le molecole a liberare la barriera energetica e facilitare la reazione chimica. Il calore, un fattore fisico, e l’aggiunta di un enzima appropriato, un fattore chimico, sono due esempi di fattori che attivano le molecole.
Una volta che una reazione chimica è iniziata, spesso rilascia energia sufficiente, solitamente sotto forma di calore, per attivare la reazione successiva e così via in una reazione a catena. Questo è esattamente ciò che accade con un incendio. La legna può rimanere per anni in una catasta di legna senza prendere fuoco spontaneamente. Una volta incendiato, attivato da una scintilla, si consuma letteralmente poiché il calore che viene rilasciato fornisce l’energia di attivazione per mantenere il resto della legna in fiamme. Il riscaldamento di una miscela aumenterà la velocità della reazione.
Per la maggior parte delle reazioni biologiche, il riscaldamento non è pratico poiché la temperatura corporea è limitata a un intervallo molto piccolo. Il calore può essere utilizzato solo per superare la barriera energetica in misura molto limitata prima che le cellule vengano danneggiate. Affinché le reazioni della vita abbiano luogo, le cellule devono utilizzare enzimi per abbassare selettivamente l’energia di attivazione delle reazioni.
Gli enzimi sono molecole proteiche che agiscono come catalizzatori biologici. Un catalizzatore è una molecola che accelera una reazione chimica, ma rimane invariata alla fine della reazione. Quasi ogni reazione metabolica che avviene all’interno di un organismo vivente è catalizzata da un enzima. Gli enzimi hanno forme tridimensionali precise e possiedono un sito attivo, che è il punto in cui una molecola può attaccarsi all’enzima. La forma del sito attivo consente a determinate molecole di legarsi perfettamente ad esso, quindi ogni tipo di enzima di solito agirà su un solo tipo di molecola, chiamata molecola substrato. Le reazioni catalizzate dagli enzimi avverranno rapidamente a temperature molto più basse che senza di essi.
Ad esempio, durante la respirazione, le molecole di glucosio reagiscono con le molecole di ossigeno e vengono scomposte per formare anidride carbonica e acqua e rilasciare energia. Poiché il glucosio e l’ossigeno non sono naturalmente reattivi, è necessario aggiungere una piccola quantità di energia di attivazione per avviare il processo di respirazione. Quando una delle molecole del substrato si lega all’enzima richiesto, la forma della molecola verrà leggermente modificata. Questo a sua volta rende più facile per quella molecola legarsi ad altre molecole o trasformarsi nel prodotto della reazione. In quanto tale, l’enzima ha ridotto l’energia di attivazione della reazione o ha reso più facile lo svolgimento della reazione.
Se la barriera energetica non esistesse, le complesse molecole ad alta energia da cui dipende la vita sarebbero instabili e si decomporrebbero molto più facilmente. La barriera energetica di attivazione impedisce quindi la maggior parte delle reazioni. Ciò garantisce un ambiente stabile per tutti gli esseri viventi.