L’attività catalitica è l’aumento della velocità e dell’energia di una reazione chimica da parte di una sostanza che non è essa stessa modificata nella reazione. Nei sistemi biologici, viene eseguita da enzimi essenziali per i normali processi vitali. Riducendo l’energia necessaria per avviare una reazione, i percorsi enzimatici aumentano la velocità con cui le cellule svolgono funzioni chimiche essenziali. La catalisi è controllata dalla regolazione degli enzimi. Alcuni di questi comportano modifiche alla struttura enzimatica, mentre altri operano alterando l’ambiente cellulare in cui avviene l’attività catalitica.
In chimica generale, l’attività catalitica o la catalisi è qualsiasi cambiamento – aumento o diminuzione – nella velocità di una reazione da parte di un agente che non viene modificato chimicamente dal processo. Nell’industria, questo può significare un numero qualsiasi di agenti utilizzati per aumentare la velocità e la resa delle reazioni, ma in biochimica l’attività catalitica si riferisce al lavoro degli enzimi, le proteine presenti in tutti gli organismi che mediano la maggior parte delle funzioni cellulari, incluso il metabolismo. Pochissimi processi biologici si verificherebbero a una velocità sufficiente a sostenere la vita senza catalisi enzimatica.
Alcune reazioni non avverrebbero affatto senza l’attività catalitica degli enzimi. Normalmente, molte molecole hanno una barriera energetica per reagire insieme. Chiamato energia di attivazione, questo limite deve essere superato affinché le reazioni chimiche procedano.
In alcuni casi, un’elevata soglia di energia di attivazione significa che è improbabile che i reagenti reagiscano da soli o lo faranno a un ritmo lento. Quando gli enzimi si legano temporaneamente a uno o più reagenti, l’energia di attivazione necessaria viene ridotta e la velocità di reazione accelera. Gli enzimi possono anche inibire l’attivazione di altri enzimi e rallentare il processo.
L’attività enzimatica spesso si traduce in reazioni biochimiche a più fasi, ognuna delle quali si basa su un catalizzatore diverso e dipende dal prodotto della fase precedente. Fisicamente, l’attività catalitica di molti enzimi diversi si verifica nello stesso organello cellulare, accelerando di conseguenza la velocità di reazione. I cambiamenti di pH e di temperatura possono, fino a un certo punto, lavorare in sinergia per aumentare il ritmo della catalisi. Temperature oltre un certo intervallo possono danneggiare la struttura delle proteine di un enzima, rendendolo incapace di attività.
Nei sistemi biologici, l’attività catalitica è regolata da diversi meccanismi. Gli enzimi di solito sono costituiti da proteine precursori inattive e queste diventano attive solo attraverso l’azione di un altro enzima o un cambiamento ambientale come il movimento dall’interno della cellula verso l’esterno. L’inibizione del feedback riduce la catalisi quando il prodotto di una o più vie enzimatiche si accumula nella cellula, bloccando l’ulteriore rilascio o produzione dell’enzima che ha catalizzato la reazione iniziale. Allo stesso modo, quantità ridotte dei prodotti di reazione aumenteranno la produzione dell’enzima.