CAMPBELL-REECE : Peranan Enzim Dalam Reaksi Metabolik | Energi Aktivasi

Enzim mempercepat reaksi metabolik dengan menurunkan penghalang reaksi

Hukum Termodinamika memberitahu kita tentang apa yang akan terjadi dan tidak akan terjadi dalam kondisi-kondisi tertentu, namun tidak tentang laju proses suatu reaksi. Reaksi Spontan berlangsung tanpa memerlukan energi dari luar, namun mungkin reaksi ini akan berlangsung sedemikian lambat hingga dapat teramati. Misalnya reaksi hidrolisis sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa bersifat eksergonik dengan melepaskan energi sebesar -7 kkal/mol. Reaksi hidrolisis sukrosa dengan melarutkan sukrosa dalam air steril tidak akan menunjukkan tanda-tanda hidrolisis yang jelas selama bertahun-tahun, namun dengan menambahkan enzim sukrase maka reaksi hidrolisis tersebut dapat berlangsung dalam hitungan detik.

Enzim adalah makromolekul yang bekerja sebagai katalis dalam suatu reaksi kimia, enzim dapat mempercepat laju suatu reaksi namun tidak ikut dalam reaksi tersebut. 

Penghalang energi aktivasi

Dalam setiap reaksi kimia terjadi pemutusan dan pembentukan ikatan kimia. Misalnya dalam hidrolisis sukrosa, reaksi terjadi dengan melakukan pemutusan ikatan antara glukosa dan fruktosa serta pemutusan salah satu ikatan dalam molekul air. Mengubah suatu molekul menjadi molekul lain diawali dengan pemutusan molekul awal menjadi molekul yang tidak stabil sebelum reaksi dapat berlanjut. 

Molekul awal akan mengalami pemuntiran (dianalogikan penekukan gantungan kunci agar dapat memasukkan anak kunci baru) dan pada keadaan ini molekul akan menyerap energi dari lingkungan. Ketika molekul baru terbentuk maka energi akan dilepaskan dalam bentuk panas dan molekul kembali lagi pada keadaan stabil dengan energi yang lebih rendah daripada energi saat molekul terpuntir.

Energi yang dibutuhkan untuk memuntir molekul reaktan agar ikatan kimianya dapat terputus dikenal dengan istilah energi bebas aktivasi atau energi aktivasi (activitation energy) yang disimbolkan dengan . Energi aktivasi dapat digambarkan sebagai energi yang mendotong reaktan melewati suatu penghalang atau menaiki bukit energi, sehingga reaksi yang 'menuruni bukit' dapat dimulai.

Pemberian energi aktivasi direpresentasikan dengan bagian yang menaiki bukit pada gambar di atas, saat kandungan energi bebas molekul meningkat di puncak maka reaktan berada dalam kondisi tidak stabil yang dikenal sebagai kondisi transisi (transition state). Reaktan diaktivasi dan ikatan-ikatan kimianya dapat diputus. Pada fase berikutnya adalah pembentukan ikatan-ikatan kimia yang baru yang digambarkan dengan menuruni bukit dan keadaan ini melepaskan energi ke lingkungan.

Energi aktivasi seringkali disuplai dalam bentuk panas yang diserap molekul reaktan dari lingkungan. Ikatan kimia pada reaktan dapat putus hanya jika energi yang diserap cukup untuk menjadikannya tidak stabil dan memasuki kondisi transisi. Penyerapan energi panas meningkatkan kecepatan molekul-molekul reaktan untuk lebih sering dan lebih kuat bertumbukan sehingga menjadikan ikatan kimianya mudah putus.

Ketika atom sudah mulai tenang di dalam susunan ikatan kimia baru yang lebih stabil, maka energi akan dilepaskan ke lingkungan. Jika reaksi bersifat eksergonik maka akan melepaskan energi lebih banyak daripada yang digunakan untuk pemutusan ikatan kimi pada reaktan di awal reaksi kimia.

Reaksi yang ditunjukkan pada gambar bersifat eksergonik dan berlangsung secara spontan, namun energi aktivasi menghadirkan penghalang yang menentukan laju reaksi. Reaktan harus menyerap cukup energi aktivasi untuk mencapai puncak penghalang sebelum reaksi dapat terjadi.

Pada beberapa reaksi energi aktivasi cukup rendah, bahkan pada suhu ruang. Reaktan dapat dengan mudah mendapat energi untuk mencapai kondisi transisi dalam waktu singkat. Akan tetapi pada sebagian kasus nilai energi aktivasi cukup tinggi sehingga kondisi transisi jarang tercapai, sehingga reaksi nyaris tidak dapat berlangsung sama sekali.

Dalam beberapa kasus reaksi akan berlangsung sangat cepat jika reaktan dipanaskan, misalnya reaksi bensin dan oksigen bersifat eksergonik dan berlangsung secara spontan, namun energi dibutuhkan agar molekul-molekul tersebut dapat mencapai kondisi transisi dan bereaksi. Pelepasan energi secara eksplosif yang mendorong piston hanya terjadi ketika busi menimbulkan percikan api pada campuran oksigen dan bensin dalam ruang mesin. Tanpa api campuran hidrokarbon dalam bensin dan oksigen tidak dapat bereaksi karena memiliki nilai penghalang yang tinggi atau membutuhkan energi aktivasi yang besar.