3.15: Enzimi cataliticamente perfetti

La teoria degli enzimi cataliticamente perfetti è stata proposta per la prima volta da W.J. Albery e J. R. Knowles nel 1976. Questi enzimi catalizzano reazioni biochimiche ad alta velocità. I loro valori di efficienza catalitica vanno da 10^{8-10 9 M-1 s-1.} Questi enzimi sono anche chiamati “a diffusione controllata” in quanto l’unico passaggio limitante la velocità nella catalisi è quello della diffusione del substrato nel sito attivo. Esempi includono trioso fosfato isomerasi, fumarasi e superossido dismutasi.
 

La maggior parte degli enzimi raggiunge la perfezione catalitica grazie ai gruppi carichi presenti sulla loro superficie che orientano e guidano il substrato nel sito attivo. Alcuni altri enzimi hanno una specifica disposizione del sito attivo, che contribuisce alla perfezione catalitica. In enzimi come la superossido dismutasi, gli ioni metallici, come il rame e lo zinco, nel sito attivo e gli amminoacidi carichi, come l’arginina, vicino al sito attivo accelerano la conversione dell’anione superossido in ossigeno e perossido di idrogeno. Le mutazioni casuali negli enzimi favoriscono tali interazioni con i loro substrati e gli enzimi con una maggiore efficienza vengono selezionati naturalmente nel tempo.

Gli enzimi perfetti non solo catalizzano reazioni altamente efficienti, ma possono anche aiutare a proteggere le cellule da intermedi di reazione dannosi. Ad esempio, la trioso fosfato isomerasi (TPI) è un enzima della via glicolitica che catalizza l’interconversione del diidrossiacetone fosfato (DHAP) e della gliceraldeide-3-fosfato (G3P). La lenta conversione di DHAP in G3P forma un intermedio enediolo che alla fine si decompone in un composto tossico. Poiché il TPI è un enzima cataliticamente perfetto, accelera la reazione e trasforma rapidamente l’intermedio in prodotto, evitando composti indesiderati. Finora, pochissimi enzimi si sono evoluti per essere cataliticamente perfetti. La maggior parte degli enzimi è moderatamente efficiente.