Come fa un enzima ad accelerare in modo così drastico la velocità di reazione, fino ad un miliardo di volte, tenendo contro che il limite all’attività enzimatica è proprio la diffusione del substrato nel sito attivo?
Nelle cellule questo limite di diffusione è superato con la compartimentalizzazione dei processi ed il fatto che i substrati non devono diffondere da un enzima all’altro.
La reazione chimica è data dall’urto di due molecole che hanno sufficiente energia cinetica lungo una direzione particolare. L’urto delle due molecole produce una deformazione dei legami interessati fino a raggiungere uno stato di massima energia chiamato stato di transizione, generatosi dalla conversione di energia cinetica in energia elastica.
Nello stato di transizione si va formando il nuovo legame mentre si va rompendo un altro legame e la molecola risulta distorta. A questo punto si rompe il legame del gruppo uscente e si forma il legame del gruppo entrante.
La differenza di energia tra i reagenti e lo SdT è chiamata Energia di Attivazione, che è differente dalla Entalpia di Reazione, e gli enzimi come i catalizzatori devono fornire un modo per ridurre questa energia di attivazione. Si parla anche di Energia Libera dello stato di transizione.
Un primo modo è la Prossimità, perché l’enzima mette insieme le due molecole reattive sottraendole alla diffusione e legandole insieme nel suo sito attivo: in questo modo potranno reagire in modo più efficace.
Il secondo modo è l’Orientamento. Quando due molecole si urtano esse devono avere, per aversi la reazione, il giusto orientamento, oltre all’energia sufficiente.
L’enzima dispone le due molecole nel sito attivo nell’unico orientamento possibile per reagire in modo che l’unico urto che avviene è quello che porta alla reazione.
In questo modo se la catalisi con reagenti liberi in soluzione fosse del II ordine, diventerebbe praticamente del I ordine dove tutti i substrati sono tenuti dallo stesso enzima e si comportano come molecola singola. Si calcola che così il miglioramento della cinetica è di un milione di volte.
Il terzo modo, adattamento indotto, è dovuto alla flessibilità degli enzimi che nel legare il substrato si adattano e modificano la propria forma. In questo modo creano nuove interazioni e distorcono il substrato, facendolo assomigliare allo stato di transizione.
Quando l’enzima non è legato a nessun substrato adotta una conformazione non catalitica, ma l’entrata del substrato induce una modifica della conformazione del sito attivo che produce una distorsione del substrato stesso causando l’inizio della attività catalitica.
Una quarta modalità di catalisi enzimatica è che sito attivo sono presenti gruppi acido-base reattivi che possono donare e/o ricevere ioni idrogeno con il substrato.
Un quinto modo è l’uso di coenzimi e/o ioni metallici che non sono reagenti quanto piuttosto cofattori che forniscono funzioni non disponibili agli enzimi stessi.
Un altro fattore da considerare è il fatto che nel sito attivo non è presente il solvente acqua e che quindi le proprietà dei vari substrati e reagenti sono perciò diverse dalle reazioni in fase acquosa, più simili alle caratteristiche in fase gassosa.
Si può così destabilizzare lo stato polarizzato dei gruppi carichi come acidi e basi. In questo modo le forme neutre di questi residui diventano lo stato favorito. Si ha un significativo cambiamento dei pKa dei residui nel sito attivo in un ambiente non polare.
Nella Catalisi covalente si ha la formazione di un legame covalente tra enzima ed almeno uno dei substrati. In molti casi si tratta di catalisi nucleofila attivata dalle catene laterali di amminoacidi che deprotonano il gruppo nucleofilo dell’enzima, come negli enzimi serinici.
Si ha anche una catalisi acido-base con trasferimento di un protone da una molecola ad un’altra con conseguente attacco covalente.
Si parla anche di catalisi enzimatica di tipo elettrostatico quando il sito attivo stabilizza lo stato di transizione formando con il substrato interazioni elettrostatiche che possono essere ioniche, ioniche-dipolo, dipolo-dipolo o interazioni idrofobiche. Un tipo comune sono le interazioni di legame ad idrogeno.
Questi modelli qui presentati in alcuni casi non hanno prodotto risultati soddisfacenti e varie osservazioni hanno portato a formulare un meccanismo di tunnel quantistico, perché alcuni enzimi hanno delle cinetiche più veloci di quanto previsto dai modelli classici dell’energia libera dello stato di transizione.
Secondo questo meccanismo, formulato nel 1972, un protone o un elettrone possono attraversare le barriere di attivazione. Alcuni lavori hanno usato l’effetto tunnel quantistico per l’ossidazione della triptammina da parte della arilammina deidrogenasi.
Il tunnelling quantistico fa aumentare la costante catalitica di 1000 volte ed è fondamentale per molte reazioni biologiche.