Enzim mempercepat reaksi kimia dengan menurunkan energi aktivasi melalui beberapa strategi katalitik. Tidak seperti katalis kimia, enzim beroperasi dalam kondisi ringan suhu, pH, dan tekanan, dan menunjukkan spesifisitas yang luar biasa terhadap substratnya.
Siklus Katalitik
Enzim mengikat substratnya di situs aktif, kantong atau celah spesifik dalam struktur tiga dimensi. Pengikatan terjadi melalui bentuk komplementer dan interaksi kimia, dijelaskan oleh model kunci-gembok atau induksi kecocokan. Model induksi kecocokan umumnya lebih akurat, karena enzim sering mengalami perubahan konformasi yang mengoptimalkan gugus katalitik di sekitar substrat. Setelah terikat, enzim menstabilkan keadaan transisi, intermediet energi tinggi di sepanjang koordinat reaksi, sehingga menurunkan energi aktivasi dan mempercepat reaksi.
Katalisis Asam-Basa
Katalisis asam-basa melibatkan transfer proton antara enzim dan substrat. Katalisis asam umum mendonasikan proton untuk menstabilkan muatan negatif yang berkembang, sementara katalisis basa umum menghilangkan proton untuk meningkatkan nukleofilisitas suatu gugus. Banyak enzim menggunakan rantai samping asam amino sebagai donor atau akseptor proton. Histidin sangat serbaguna karena gugus imidazolnya memiliki pKa mendekati netral, memungkinkannya berfungsi sebagai asam atau basa pada pH fisiologis. Ribonuklease A menggunakan dua residu histidin, satu sebagai basa umum dan satu sebagai asam umum, untuk membelah RNA.
Katalisis Kovalen
Katalisis kovalen melibatkan pembentukan sementara ikatan kovalen antara enzim dan substrat, menciptakan intermediet reaktif yang menurunkan energi aktivasi. Intermediet kovalen kemudian terurai untuk meregenerasi enzim bebas. Serin protease seperti kimotripsin menggunakan triad katalitik serin, histidin, dan aspartat. Hidroksil serin menyerang karbon karbonil substrat, membentuk intermediet asil-enzim yang kemudian dihidrolisis. Intermediet kovalen ini mencegah reaksi balik dan mempercepat jalur maju.
Katalisis Ion Logam
Sekitar sepertiga dari semua enzim membutuhkan ion logam dan kofaktor untuk aktivitas katalitik. Metaloprotein secara ketat mengikat ion logam seperti seng, besi, tembaga, atau mangan sebagai komponen integral. Enzim teraktivasi logam mengikat ion logam kurang ketat tetapi membutuhkannya untuk aktivitas. Ion logam berpartisipasi dalam katalisis dengan berfungsi sebagai katalis elektrofilik, menstabilkan muatan negatif, memediasi reaksi oksidasi-reduksi, atau mengarahkan substrat di situs aktif. Anhidrase karbonat menggunakan ion seng untuk mengaktifkan molekul air untuk menyerang karbon dioksida. Sitokrom c oksidase menggunakan ion besi dan tembaga dalam transfer elektron dan reaksi reduksi oksigen.
Katalisis oleh Proksimitas dan Orientasi
Enzim meningkatkan laju reaksi dengan membawa substrat ke jarak dekat dan dalam orientasi yang benar untuk reaksi. Konsentrasi efektif substrat di situs aktif bisa ribuan kali lebih tinggi daripada dalam larutan. Keuntungan entropik ini mengurangi hilangnya kebebasan translasi dan rotasi yang biasanya menyertai pembentukan keadaan transisi. Struktur situs aktif secara tepat mengorientasikan gugus reaktif, lebih lanjut mengurangi energi aktivasi.
Stabilisasi Keadaan Transisi
Enzim mencapai efek katalitik terbesarnya dengan mengikat keadaan transisi lebih ketat daripada substrat keadaan dasar. Situs aktif komplementer dengan struktur keadaan transisi daripada substrat itu sendiri. Stabilisasi selektif ini dapat menurunkan energi aktivasi sebesar 10 hingga 15 kkal/mol, sesuai dengan peningkatan laju 10^7 hingga 10^12. Analog keadaan transisi, molekul yang menyerupai struktur keadaan transisi, seringkali merupakan inhibitor enzim yang kuat dan telah dikembangkan sebagai obat. Konsep stabilisasi keadaan transisi sangat penting untuk memahami evolusi enzim dan desain inhibitor enzim.
Katalisis Elektrostatik
Lingkungan situs aktif seringkali kurang terlarutkan dibandingkan dengan fase curah akuatik, dan gugus bermuatan diposisikan untuk menstabilkan muatan yang berkembang dalam keadaan transisi. Praorganisasi elektrostatik ini mengurangi energi reorganisasi yang diperlukan untuk stabilisasi muatan selama katalisis. Superoksida dismutase mengarahkan residu bermuatan untuk menstabilkan anion superoksida keadaan transisi, mencapai salah satu laju katalitik tertinggi yang diketahui, hanya dibatasi oleh difusi.
