miniatura|350px|Visualización da ubiquitilación. A catálise encimática é o incremento na velocidade dun proceso debido a unha biomolécula chamada "encima". A maioría dos encimas son proteínas, e a maioría deses procesos son reaccións químicas. Dentro do encima, a catálise xeralmente ten lugar nun sitio localizado chamado sitio activo.
A maioría dos encimas están constituídos predominantemente por proteínas, e poden constar dunha soa cadea proteica ou de moitas cadeas no caso dun complexo multisubunidades. Os encimas adoitan incorporar tamén compoñentes non proteicos, como ións metálicos ou moléculas orgánicas especializadas chamadas cofactores (por exemplo, o adenosín trifosfato). Moitos cofactores son vitaminas e o seu papel como vitaminas está ligado directamente ao seu uso na catálise de procesos biolóxicos do metabolismo. A catálise de reaccións bioquímicas na célula é vital porque practicamente todas as reaccións metabólicas esenciais teñen velocidades moi lentas se non están catalizadas. Un impulsor da evolución das proteínas é a optimización de tales actividades catalíticas, aínda que só os encimas máis fundamentais funcionan preto dos límites de eficiencia catalíticos, e moitos encimas están moi lonxe do óptimo. Importantes factores na catálise encimática son a catálise ácida e básica xeral, a dirección dos orbitais, a restrición entrópica, os efectos de orientación (é dicir, a catálise de chave e pechadura), así como os efectos de movemento propios da dinámica de proteínas.
Os mecanismos da catálise encimática varían, mais son todos similares en principio a outros tipos de catálise química no sentido que o factor crucial é unha redución da(s) barreira(s) de enerxía que separan os reactivos (ou os substratos) dos produtos. A redución da enerxía de activación (Ea) incrementa a fracción de moléculas reactantes que poden superar esta barreira e formar o produto. Un importante principio é que como só reducen as barreiras de enerxía entre produtos e reactivos, os encimas sempre catalizan reaccións en ambas as direccións e non poden impulsar unha reacción cara a adiante ou afectar a posición do equilibrio e só afectan a velocidade con que se chega a este. Igual que acontece con outros catalizadores, o encima non se consome nin cambia pola reacción (como si o fai o substrato) senón que se recicla de tal maneira que un só encima pode realizar moitas roldas de catálise.
Os encimas adoitan ser moi específicos e actúan soamente sobre certos substratos. Algúns encimas son absolutamente específicos, o que significa que actúan soamente sobre un substrato, mentres que outros mostran unha especificidade de grupo e poden actuar sobre grupos químicos similares pero non idénticos, como o enlace peptídico en diferentes moléculas. Moitos encimas teñen especificidade estereoquímica e actúan sobre un estereoisómero pero non sobre outro.
Axuste inducido miniatura|250px|O encima cambia de forma polo axuste inducido ao unirse ao substrato para formar o complexo encima-substrato. A hexoquinase presenta un gran movemento polo axuste inducido que fai que se peche sobre os substratos adenosín trifosfato e xilosa. Os sitios de unión están na imaxe en azul, os substratos en negro e o cofactor Mg2+ en amarelo. (, ) miniatura|200px|esquerda|Os diferentes mecanismos de unión do substrato.
O modelo clásico da interacción encima-substrato é o modelo de axuste inducido. Este modelo propón que a interacción inicial entre o encima e o substrato é relativamente débil, pero que estas débiles interaccións inducen rapidamente cambios conformacionais no encima que reforzan a unión.
As vantaxes do mecanismo de axuste inducido débense ao efecto estabilizador da unión forte do encima. Hai dous mecanismos de unión do substrato: a unión uniforme, que ten unha unión forte do substrato, e a unión diferencial, que ten unha unión do estado de transición forte. O efecto estabilizador da unión uniforme incrementa a afinidade tanto do substrato coma do estado de transición, mentres que a unión diferencial incrementa só a afinidade de unión do estado de transición. Os encimas poden usar ambos e escolléronse evolutivamente para minimizar a enerxía de activación da reacción. Os encimas que están saturados, é dicir, que teñen unha alta afinidade de unión do substrato, requiren a unión diferencial para reducir a enerxía de activación, mentres que encimas con substrato pequeno non unido poden usar a unión diferencial ou a uniforme.
Estes efectos levaron a que a maioría das proteínas usen o mecanismo de unión diferencial para reducir a enerxía de activación, así a maioría dos substratos teñen unha alta afinidade polo encima, mentres están no estado de transición. A unión diferencial é levada a cabo polo mecanismo de axuste inducido: o substrato únese primeiro feblemente, despois o encima cambia a conformación incrementando a afinidade do estado de transición e estabilizándoo, reducindo así a enerxía de activación necesaria para alcanzalo.
Porén, é importante aclarar que o concepto de axuste inducido non se pode usar para racionalizar a catálise. É dicir, a catálise química defínese como a redución de Ea‡ (cando o sistema está xa no ES‡) en relación á Ea‡ da reacción non catalizada en auga (sen o encima). O axuste inducido só suxire que a barreira é máis baixa na forma pechada, pero non nos di nada sobre a razón pola que se produciu esta redución da barreira.
O axuste inducido pode ser beneficioso para a fidelidade do recoñecemento molecular en presenza de competición e ruído por medio do mecanismo de corrección de probas conformacional.
Mecanismos de rutas de reacción alternativas
Estes cambios conformacionais tamén aproximan residuos catalíticos do sitio activo para que queden preto dos enlaces químicos dos substratos que serán alterados na reacción. Despois de que se produce a unión, un ou máis mecanismos de catálise rebaixan a enerxía do estado de transición da reacción, ao promoveren unha vía química alternativa para a reacción. Hai seis posibles mecanismos de catálise "por riba da barreira" e un mecanismo "a través da barreira", que son os seguintes:
Proximidade e orientación
As interaccións encima-substrato deixan aliñados os grupos químicos reactivos e mantéñenos moi xuntos nunha xeometría óptima, que incrementa a velocidade da reacción. Isto reduce a entropía dos reactantes e así fai que as reaccións de adición ou transferencia sexan menos desfavorables, de aí a redución na entropía global cando os dous reactantes se converten nun só produto. Porén, isto é un efecto xeral e dáse en reaccións de non adición ou de transferencia nas que isto ocorre debido a un incremento na "concentración efectiva" dos reactivos. Isto compréndese cando se considera como os incrementos na concentración orixinan un aumento da velocidade da reacción: esencialmente cando os reactantes están máis concentrados, coliden con máis frecuencia e por iso reaccionan máis a miúdo. Na catálise encimática, a unión dos reactivos ao encima restrinxe o espazo conformacional dos reactantes, manténdoos na "orientación axeitada" e moi próximos entre si, así que coliden máis frecuentemente, e coa xeometría correcta, facilitan a reacción desexada. A "concentración efectiva" é a concentración que tería que haber do reactante, libre en solución, para que experimente a mesma frecuencia colisional. A miúdo esas concentracións efectivas teóricas son imposibles fisicamente e irrealizables na práctica, o cal é un testemuño do gran poder catalítico de moitos encimas, que causan un incremento masivo na velocidade respecto do estado non catalizado.
Por exemplo: Ocorrerán reaccións similares moito máis rápido se a reacción é intermolecular. Ficheiro:Inter vs intramolecular reaction rates.png A concentración efectiva do acetato na reacción intramolecular pode estimarse como k2/k1 = 2 x 105 Molar.
Porén, a situación podería ser máis complexa, porque os estudos computacionais modernos estableceron que os exemplos tradicionais de efectos de proximidade non poden ser relacionados directamente con efectos entrópicos encimáticos. Ademais, atopouse que a proposta entrópica orixinal sobreestimou en gran medida a contribución da entropía da orientación á catálise.
Doantes ou aceptores de protóns
Os doantes e aceptores de protóns, é dicir, os ácidos e bases poden doar e aceptar protóns para estabilizaren o desenvolvemento de cargas no estado de transición. Isto está relacionado co principio de catálise global, o da redución das barreiras de enerxía, xa que os estados de transición xerais son estados de alta enerxía, e ao estabilizalos, esta alta enerxía redúcese, rebaixando a barreira. Unha característica clave da catálise encimática de moitas catálises non biolóxicas é que tanto a catálise ácida coma a básica poden combinarse na mesma reacción. En moitos sistemas abióticos, os ácidos (a gran [H+]) ou bases (a gran concentración de H+ faise mínima, ou especies con pares de electróns) poden incrementar a velocidade da reacción; pero, por suposto, o ambiente só pode ter un pH global (medida da acidez ou basicidade (alcalinidade)). Porén, como os encimas son moléculas grandes, poden situar tanto os grupos ácidos coma básicos no seu sitio activo para interaccionaren cos seus substratos, e empregan ambos os modos independentemente do pH.
A miúdo a catálise xeral ácida ou básica emprégase para activar nucleófilos e/ou grupos electrófilos, ou para estabilizar os grupos saíntes. Moitos aminoácidos con grupos ácidos e básicos empréganse no sitio activo, como o ácido glutámico, ácido aspártico, histidina, cisteína, tirosina, lisina e arxinina, así como a serina e treonina. Ademais, emprégase a miúdo o esqueleto molecular do péptido, cos grupos con N carbonilo e amida. A cistina e a histidina están implicadas con moita frecuencia, xa que ambas as dúas teñen unha pKa próxima ao pH neutro e poden ambas, polo tanto, aceptar e doar protóns.
Moitos mecanismos de reacción que implican a catálise ácida/básica supoñen un pKa substancialmente alterado. Esta alteración do pKa é posible por medio do ambiente local do residuo . Condicións Ácidos Bases Ambiente hidrófobo Incremento do pKa Diminución do pKa Residuos adxacentes de carga similar Incremento do pKa Diminución do pKa Ponte salina (e formación deenlaces de hidróxeno) Diminución do pKa Incremento do pKa O pKa pode tamén ser influenciado significativamente polo ambiente que o rodea, ata o punto de que os residuos que son básicos en solución poden actuar como doantes de protóns e viceversa.
Por exemplo: Tríade catalítica dunha serina protease Ficheiro:Serine protease catalysis.png O paso inicial do mecanismo catalítico da serina protease implica que a histidina do sitio activo acepta un protón do residuo de serina. Isto prepara a serina como nucleófilo para atacar o enlace amida do substrato. Este mecanismo inclúe a doazón dun protón da serina (unha base, pKa 14) á histidina (un acido, pKa 6), o que é posible debido ao ambiente local das bases.
A modificación dos pKa é unha parte do mecanismo electrostático. O efecto catalítico do exemplo de arriba está asociado principalmente coa redución do pKa do oxianión e o incremento no pKa da histidina, mentres que a transferencia de protóns desde a serina á histidina non está catalizado significativamente, xa que non é a barreira limitante da velocidade. Nótese que no exemplo mostrado, o ácido conxugado da histidina actúa como catalizador ácido xeral para a subseguinte perda da amina dun intermediario tetraédrico. Porén, as evidencias que apoian este mecanismo proposto (Figura 4 da seguinte referencia) foron controvertidas.
Catálise electrostática