Enzimi e substrati sono correlati in due modi chiave perché interagiscono frequentemente tra loro in molti processi biologici. Innanzitutto, gli enzimi e i substrati sono spesso specifici l’uno per l’altro, in possesso di forme complementari che consentono loro di legarsi. In secondo luogo, gli enzimi possono alterare i substrati catalizzando reazioni chimiche o modificando le strutture. Insieme subiscono trasformazioni, tra cui il complesso del substrato enzimatico (ES), gli stati intermedi e gli stati di transizione.
Si pensa che ci siano circa 75.000 enzimi nel corpo umano, molti dei quali sono specifici di determinati substrati. Enzimi e substrati si legano tra loro associandosi attraverso varie interazioni, tra cui legami idrogeno, interazioni idrofobiche e legami covalenti. Questo legame iniziale è indicato come un modello di adattamento indotto, piuttosto che un modello di blocco e chiave, poiché ogni molecola cambia in risposta al legame con l’altra molecola per formare una nuova forma tridimensionale. Insieme, l’enzima e il substrato comprendono il complesso ES, in cui possono verificarsi reazioni chimiche.
Durante una reazione catalizzata, enzimi e substrati interagiscono per produrre nuovi prodotti. Mentre l’enzima rimane invariato dopo il completamento della reazione, il substrato viene spesso modificato, a volte cambiando completamente in una nuova molecola o molecole. Pur rimanendo invariato, l’enzima svolge un ruolo importante nelle reazioni chimiche in atto poiché riduce l’energia di attivazione per il proseguimento della reazione. Ciò significa che l’energia presente nelle interazioni chimiche dell’enzima e del substrato è sufficiente per superare l’ostacolo energetico della reazione.
Durante la reazione, gli enzimi e i substrati attraversano diversi stadi. Alcuni di questi, noti come stadi intermedi o intermedi chimici, comportano la formazione di nuove molecole transitorie. L’enzima è in grado di stabilizzarli e catalizzare ulteriori reazioni per trasformare queste molecole nei prodotti desiderati.
Gli stati di transizione sono altri complessi formati tra enzimi e substrati che sono incredibilmente di breve durata e ad alta energia. Spesso si verificano al momento della rottura del legame, della riforma o del riarrangiamento della reazione. Gli enzimi sono spesso strutturati per ridurre l’energia degli stati di transizione attraverso legami stabilizzanti, e spesso questa riduzione di energia è ciò che abbassa l’energia di attivazione della reazione.
Sebbene esistano molte coppie di substrati enzimatici, molti enzimi possono corrispondere a più substrati. In effetti, sono necessari molti enzimi per unire due substrati in una singola molecola o per spezzare un singolo substrato in due molecole di prodotto risultanti. Esistono anche molti enzimi non specifici, il che significa che possono colpire più di un substrato, a seconda delle condizioni all’interno della cellula.