활성화 에너지(activation energy)는 화학 반응을 진행하기 위해 필요한 최소 에너지입니다. 활성화 에너지가 높을수록 반응 속도가 느려집니다. 그러나 반응에 열을 가하면 분자는 빠르게 움직이고 분자는 충돌할 가능성이 증가해 반응 속도가 빨라집니다. 결합의 충돌과 파괴는 반응이 에너지 장벽을 오르는 오르막 단계를 나타내며 전이상태(transition state)로 이어집니다. 전이상태에서 반응물(reactant)은 불안정하고 에너지가 높은 상태입니다. 새로운 화학 결합과 최종 생성물(product) 형성은 에너지 장벽을 내려가며 자유 에너지를 방출하는 내리막 단계입니다. 촉매는 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 높입니다. 예를 들어 생물학에서 당과 지방을 대사하는 효소는 이 분자들의 분해가 일어나는 속도를 증가시키고 동시에 세포에서 단백질을 변성시키는 자유 에너지의 과잉 생산을 막습니다.
촉매는 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 높이고, 그 과정에서 스스로 재생하는 물질입니다. 촉매는 반응이 일어날 수 있는 대체 경로(alternative pathway) 또는 작용을 제공하고 정반응(forward reaction)과 역반응(reverse reaction)을 가속합니다. 생물학에서 효소는 세포 대사의 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추기 때문에 촉매의 대표적인 예입니다.
예를 들어, 인간은 에너지를 얻기 위해 당과 지방을 대사합니다. 이 물질대사가 열에너지만 사용한다면 열의 형태로 방출되는 자유 에너지는 세포의 단백질변성을 일으키고 비특이적으로 모든 반응을 촉매할 것입니다. 따라서 효소는 물질대사에서 분자를 분해하는 데 필수적인데, 효소가 기질(substrate)이라 불리는 특정 반응물에만 결합하여 반응물의 활성화 에너지를 낮추고 선택적으로 세포 반응을 촉매하기 때문입니다.
