Catalisi da effetti di prossimità e orientamento

Anche se gli enzimi utilizzano meccanismi catalitici simili a quelli delle reazioni organiche modello, sono molto più efficaci di questi modelli. Questa maggiore efficienza deve derivare da specifiche condizioni fisiche presenti nel sito attivo dell'enzima, che si trasmettono poi alla reazione chimica. Gli effetti più ovvi sono quelli di prossimità e di orientamento: i reattanti devono, infatti, avvicinarsi con la giusta relazione spaziale perché la reazione possa avvenire. Per esempio, nella reazione bimolecolare dell'imidazolo con il p-nitrofenilacetato, il progredire della reazione è   facilmente visibile seguendo la comparsa di un intenso colore giallo, dovuto alla formazione dello ione p-nitrofenolato:
d[p-nitrofenolato]/dt = k1[imidazolo]/[p-nitrofenilacetato]=k'1[p-nitrofenilacetato]
dove, k', la costante di velocità, corrisponde a 0,0018 s-1 quando [imidazolo]=1M. Per la reazione intramolecolare: la costante di velocità di primo ordine k2=0,043 s-1; quindi
risulta che k2=24k1. Quando il catalizzatore imidazolo, alla concentrazione di 1M, è legato covalentemente  al reattante, è 24 volte più efficace di quando è libero in
soluzione, cioè il gruppo imidazolico si comporta nella reazione intramolecolare come se fosse presente alla concentrazione di 24M.
Facciamo un calcolo di come viene modificata la velocità di reazione della prossimità dei gruppi reattivi. Seguendo  Daniel Koshland possiamo ragionevolmente assumere
che:1) le specie reattanti, cioè i gruppi funzionali, hanno circa la stessa dimensione di una molecola d'acqua; 2) Ogni specie reattante ha intorno a sé 12 molecole, in modo da formare sfere compatte di eguali dimensioni; 3) Le reazioni chimiche avvengono solo quando i reattanti entrano in contatto; 4) La concentrazione dei reattanti in soluzione è sufficientemente bassa da far sì che la probabilità che una molecola di un reattante incontri simultaneamente due molecole dell'altro reattante sia praticamente nulla; Quindi la reazione:    A + B → A—B
obbedisce all'equazione di velocità di secondo ordine v = d[A—B]/dt =  k1[A][B] = k2[A,B]coppie dove [A,B]coppie rappresenta la concentrazione delle molecole A e B che sono entrate in contatto. Il valore di questa entità è: [A,B]coppie = 12[A][B]/55,5M
poiché vi sono 12 modi diversi per A di contattare B, e [A]/55,5M è la probabilità che una molecola di B si trovi dopo una di A. ([H2O]=55,5M nelle soluzioni acquose). Combinando le due equazioni precedenti, otteniamo:       v = k1(55,5/12)[A,B]coppie = 4,6k1[A,B]coppie
In assenza di altri effetti, questo modello predice che la reazione intramolecolare di k2=4,6k1, che corrisponde ad un aumento piuttosto piccolo.
Nella nostra analisi degli effetti della prossimità, non  abbiamo considerato ancora un altro aspetto importante, cioè l'orientamento. Le molecole non reagiscono tra loro, come assume  la teoria di Koshland, qualunque sia la direzione o il modo di  avvicinarsi. Anzi, esse reagiscono solo se hanno il corretto  orientamento. Si è potuto calcolare che quest'ultimo può aumentare la velocità di reazione di un fattore pari circa a  100. Gli enzimi, infatti, si legano ai substrati in maniera da
immobilizzarli e allinearli per avere la massima reattività.
L'energia libera per fare questo lavoro è ricavata dall'energia di legame del substrato all'enzima.