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7.7: Aktivierungsenergie
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Activation Energy
 
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7.7: Activation Energy

7.7: Aktivierungsenergie

Activation energy is the minimum amount of energy necessary for a chemical reaction to move forward. The higher the activation energy, the slower the rate of the reaction. However, adding heat to the reaction will increase the rate, since it causes molecules to move faster and increase the likelihood that molecules will collide. The collision and breaking of bonds represents the uphill phase of a reaction and generates the transition state. The transition state is an unstable high-energy state of the reactants. The formation of new chemical bonds and end products, and the release of free energy is the the downhill phase of the reaction. Catalysts increase the rate of a reaction by lowering the activation energy. For example, in biology, enzymes that metabolize sugar and fats increase the rate at which their breakdown happens and at the same time, prevent the overproduction of free energy that would otherwise denature proteins in the cell.

Catalysts

A catalyst is a substance that increases the rate of a reaction by lowering the activation energy, and in the process, regenerates itself. A catalyst provides an alternative pathway or mechanism for the reaction to take place and it accelerates both the forward and reverse reactions. In biology, enzymes are examples of catalysts because they lower the activation energy required for reactions in cellular metabolism.

For example, humans metabolize sugar and fat for energy. Enzymes are vital to humans for breaking down these molecules, because if thermal energy alone were to be used, the free energy released in the form of heat would cause proteins in the cell to denature. Furthermore, thermal energy would non-specifically catalyze all reactions. However, enzymes only bind to specific chemical reactants, called substrates, and lower their activation energy to catalyze selective cellular reactions.

Die Aktivierungsenergie stellt die minimale Energiemenge dar, welche für den Ablauf bzw. Start einer chemischen Reaktion benötigt wird. Je höher die Aktivierungsenergie, desto langsamer ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Durch die Zufuhr von Wärme zur Reaktion wird die Geschwindigkeit jedoch erhöht. Die im Versuch enthaltenen Moleküle bewegen sich dadurch schneller. Somit steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass die Moleküle miteinander kollidieren. Die Kollisionen und das Aufbrechen von Bindungen stellt die Anstiegsphase einer Reaktion dar und erzeugt den Übergangszustand. Der Übergangszustand ist ein instabiler hochenergetischer Zustand der Edukte. Die Bildung neuer chemischer Bindungen und Endprodukte sowie die Freisetzung freier Energie ist die abfallend gerichtete Phase der Reaktion. Katalysatoren erhöhen die Geschwindigkeit einer Reaktion, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Enzyme erhöhen in Organismen beispielsweise die Geschwindigkeit des Abbaus von Nährstoffen wie Zucker und Fetten. Gleichzeitig verhindern sie eine Überproduktion freier Energie, die sonst Proteine in der Zelle denaturieren würde.

Katalysatoren

Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer Reaktion durch Senkung der Aktivierungsenergie erhöht und sich dabei selbst wieder regeneriert. Ein Katalysator stellt einen alternativen Weg oder Mechanismus für die Reaktion zur Verfügung und beschleunigt sowohl die Vorwärts-als auch die Umkehrreaktion. In der Biologie sind Enzyme Beispiele für Katalysatoren. Sie senken die Aktivierungsenergie, welche für Reaktionen im Zellstoffwechsel benötigt wird.

Zum Beispiel metabolisiert der Mensch Zucker und Fett zu Energie. Enzyme sind für den Menschen zum Abbau dieser Moleküle lebensnotwendig. Würde sich der Körper alleine Wärmeenergie zunutze machen, würde die, in Form von Wärme freigesetzte, freie Energie die Proteine in der Zelle denaturieren. Außerdem würde die Wärmeenergie unspezifisch alle Reaktionen katalysieren. Enzyme binden jedoch nur an bestimmte chemische Reaktionspartner, sogenannte Substrate. Ihre Aktivierungsenergie wird gesenkt, um selektive zelluläre Reaktionen zu katalysieren.


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