Moleculele care reactioneaza se gasesc pe un nivel energetic superior celui pe care se gasesc moleculele obisnuite. Diferenta de energie dintre moleculele active si cele pasive poarta numele de energie de activare.
Un catalizator este o substanta care, prin prezenta ei, determina intr-o substanta sau un amestec de substante o reactie ce nu are loc in absenta ei(definitie dupa Berzelius, 1836) sau care mareste viteza unei reactii, ce are loc si in absenta ei, dar cu viteza mai mica, eventual imperceptibila(definitie dupa Ostwald, 1894). Catalizatorul se regaseste neschimbat, calitativ si cantitativ, dupa reactie. Aparent catalizatorul nu ia parte la reactie.
Este necesar sa se accentueze caracterul de substante al catalizatorilor. Ar fi gresit sa se vorbeasca de actiunea catalitica a unei forme de energie, caldura, lumina sau electricitate.
Se numeste substrat substanta sau amestecul de substante asupra carora actioneaza un catalizator.
Catalizatorii determina sau accelereaza numai reactii termodinamic posibile, adica reactii decurgand spontan, cu cresterea entalpiei libere de reactie, in sensul stabilirii unui echilibru. Exista catalizatori(MnO2,NaOH) care accelereaza transformarea ozonului, O3 in O2, dar nu exista un catalizator care sa produca ozon din oxigen.
Aceasta scadere a energiei de activare se datoreaza formarii unui "complex activat" intre catalizator si reactant, pentru care energia de activare este mult mai mica.
In cazul catalizei enzimatice, intre enzima si substratul care se transforma, se formeaza un complex activat enzima-substrat, care apoi se transforma cu viteza mare in produsii finali de reactie.
La formarea complexului activat enzima - substrat, substratul se fixeaza pe regiuni bine determinate de pe suprafata enzimei, care poarta numele de centri activi si molecula substratului, exista complementaritati conformationale si chimice care permit asamblarea lor.
Centrul activ al unei enzime este construit dintr-un numar redus de aminoacizi situati in vecinatate sau la distanta. In general, se admite ca pentru o reactie chimica obisnuita, enzima participa cu doi centri activi. Pentru enzimele cu structura binara unul dintre centrii activi este, in general, situat in fragmentul protetic, iar al doilea in fragmentul prostetic.
Pentru reactiile care prezinta specificitate stereochimica se admite ca fixarea subtratului pe enzima se face prin intermediul a 3 centri activi.
Fixarea substratului pe enzima ii imprima acestuia o stare de tensiune moleculara care faciliteaza reactia biochimica, sau orienteaza favorabil una in raport cu cealalta, moleculele ce urmeaza sa reactioneze.
Desi actiunea enzimelor este catalitica, enzimele prezinta unele caractere care le diferentiaza de catalizatorii tipici.
Astfel, cataliza enzimatica are elemente comune cu cataliza homogena deoarece enzima este adeseori repartizata uniform in sistemul chimic al carui transformare o asigura. Cataliza enzimatica are caracter si de cataliza eterogena, reactia biochimica desfasurandu-se in regiuni bine determinate de pe suprafata enzimei, situate la limita de separare dintre sistemul reactant si macromolecula catalizatorului.
Un alt caracter tipic este marea eficienta catalitica a enzimelor. O reactie decurge in prezenta enzimei de 108 pana la 1011 ori mai repede decat in absenta ei. Numarul de molecule de substrat transformate sub actiunea enzimei intr-un minut(numar de transfer, turnover) variaza intre 1 000 - 1 000 000.
Cataliza enzimatica are loc in conditii blande. Reactii care necatalizate nu au loc decat la temperaturi inalte, presiuni mari, valori extreme de pH, sub influenta enzimelor evolueaza cu mare viteza la temperaturi in jurul lui 37s, la presiune atmosferica, la pH aproape neutru.
Enzimele se caracterizeaza printr-o remarcabila specificitate in raport cu tipul de reactie catalizat si cu natura substratului transformat. Sunt unele enzime(ureaza, arginaza) care nu catalizeaza decat o singura reactie bine determinata.
Remarcabila este de asemenea multitudinea reactiilor catalizate de enzime. Astfel, enzimele intervin in reactii de hidroliza, de polimerizare si policondensare, de oxidoreducere, de transfer de grupari functionale(formil, metil, amino, acil, carboxil), de formare si scindare de legaturi covalente, de reactii prin radicali liberi etc.
Unele cracteristici ale enzimelor sunt imprimate de structura lor proteica. Astfel, activitatea lor in cursul metabolismului intermediar este limitata in timp. Ele se degradeaza relativ rapid sub influenta altora. Activitatea, degradarea si biosinteza enzimelor, sunt reglate de factori si mecanisme de control, de complexitate deosebita si situate la nivele variate de organizare a sistemelor biologice.
Exemple de reactii catalitice
Peroxidul de hidrogen, H2O2, in solutie apoasa de 3%, se descompune la 100s in H2O si O2, dar este stabil, un timp foarte lung, luni sau ani, la temperatura camerei. O cantitate foarte mica de platina coloida face ca reactia sa aiba la loc la temperatura camerei. Sunt suficiente cantitati foarte mici de catalizator; 1 mg de platina coloida in 105 litri solutie H2O2 determina o degajare imensa de O2, iar activitatea catalizatorului ramane aceeasi dupa ce se dezvolta 10 litri din acest gaz. Un catalizator mai puternic inca este catalaza, o enzima care se gaseste in sange si in tesuturile vii. O molecula de catalaza descompune 5 x 106 molecule H2O2 pe minut, la temperatura obisnuita.
Modificarea vitezei de reactie de catre catalizator si obtinerea de produsi de reactie diferiti cu catalizatori diferiti dovedeste participarea catalizatorului la reactie. Catalizatorl reactioneaza cu unul din reactanti sau cu ambii; intermediarul nestabil rezultat sufera o reactie in care ia nastere produsul de reactie si totodata se regenereaza catalizatorul in aceeasi stare ca
