Specyficzność

Enzymy charakteryzują się zwykle dużą specyficznością pod względem katalizowanej reakcji, jak i również konwertowanych substratów. Za wysoką specyficzność odpowiada kształt cząsteczki enzymu dopasowany do substratów geometrycznie, ale także pod względem oddziaływań hydrofobowo-hydrofilowych oraz elektrostatycznych. Enzymy wykazują także wysoki poziom stereospecyficzności, regioselektywności i chemoselektywności[27].

Niektóre z enzymów zaangażowanych w kopiowanie i ekspresję informacji genetycznej, poza bardzo wysoką specyficznością i precyzją, wykazują także zdolność działania „korekcyjnego” (ang. reading-proof activity). Przykładem może być polimeraza DNA I, która katalizuje syntezę nici DNA w czasie jej replikacji i naprawy[28]. Polimeraza ta nie tylko jest wysoce precyzyjna, ale i zdolna do natychmiastowej poprawy ewentualnie zaistniałego błędu (źle wbudowanego nukleotydu). W rezultacie, dzięki tym dwóm właściwościom (precyzja syntezy i korekcja błędów), ryzyko popełnienia błędu przez ssacze polimerazy, który nie zostanie zauważony w procesie syntezy, wynosi mniej niż jeden na miliard wprowadzonych nukleotydów[29]. Podobne mechanizmy korekcyjne posiadają polimerazy RNA[30], syntetazy aminoacylo tRNA[31] i rybosomy[32].

Z kolei niektóre enzymy uczestniczące w produkcji metabolitów wtórnych charakteryzują się stosunkowo szerokim zakresem akceptacji różnych substratów. Sugeruje się, że odgrywają one bardzo ważną rolę w ewolucji nowych szlaków metabolicznych[33].

Model „klucza i zamka”

W większości przypadków enzymy są niezwykle specyficzne wobec swoich substratów. zarówno enzym jak i jego substraty są do siebie geometrycznie dopasowane w taki sposób, że idealnie pasują jeden do drugiego (jak „klucz i zamek”). Model ten wyjaśnia specyficzność enzymów, ale nie wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy podczas reakcji enzymatycznej.

Model indukowanego dopasowania

W 1958 roku Daniel Koshland zaproponował modyfikację modelu „klucza i zamka”. Ponieważ enzymy są zwykle dość elastyczne strukturalnie, ich centrum aktywne podlega ciągłym rearanżacjom przestrzennym podczas oddziaływania z substratami[37]. W rezultacie, substrat nie tyle wiąże się do niezmiennego strukturalnie miejsca aktywnego, ale grupy boczne aminokwasów je tworzące podlegają rearanżacjom przestrzennym, ściśle dopasowując swe pozycje do wiązanego substratu, co dopiero umożliwia przeprowadzenie katalizy. W niektórych wypadkach, jak np. glikozydazy, także cząsteczki substratu podlegają lekkim zmianom strukturalnym po wejściu do centrum aktywnego, wzmacniając w ten sposób dopasowanie[38]. Centrum aktywne kontynuuje rearanżację, aż osiągnięte zostanie końcowe stadium dopasowania z substratem[39].

Model „trzypunktowego dołączenia” (ang. Three-point interaction model)

do specyficznego związania substratu przez enzym wystarczą tylko trzy miejsca wiązania[35]. Jeśli substrat może się przyłączyć do miejsca katalitycznego tylko z jednej strony i mogą ze sobą reagować tylko atomy i miejsca komplementarne, cząsteczka substratu może się przyłączyć tylko w jeden sposób. Oznacza to, że symetryczna cząsteczka substratu staje się poniekąd asymetryczna dla wypadku katalizy enzymatycznej. Przykładem jest kwas aminomalonowy wiążący się do modelowego, planarnego miejsca katalitycznego na enzymie. Kwas aminomalonowy zawiera dwie identyczne grupy karboksylowe, które stają się przestrzennie różne po trzypunktowym związaniu cząsteczki. Zatem jeśli reakcja obejmuje zawsze jedną grupę karboksylową w konkretnym miejscu, wówczas reagować będzie zawsze ta sama grupa karboksylowa[35][24]. Jednakże model ten jest wyraźnie jakościowy, dostarczając tylko ograniczonego wyjaśnienia ilościowych i energicznych parametrów przebiegu stereospecyficznych procesów. Rozszerzenie modelu dla większej ilości punktów wiązania, co zapewnia większą precyzję w doborze substratu, opisali Ran Kafri i Doron Lancet w 2004 roku[36].