In der Säure-Base-Katalyse wird die chemische Reaktion durch Zugabe einer Säure oder Base beschleunigt, wobei die Säure oder Base selbst in der Reaktion nicht verbraucht wird. Der Protonentransfer ist die häufigste Reaktion, die Enzyme durchführen. Protonendonatoren und -akzeptoren, d. h. Säuren und Basen, können Protonen abgeben und aufnehmen, um entstehende Ladungen im Übergangszustand zu stabilisieren. Dies hat typischerweise den Effekt, Nukleophil- und Elektrophilgruppen zu aktivieren oder abgehende Gruppen zu stabilisieren. Viele Säure-Base-katalysierte Reaktionen beinhalten Histidin, da es einen pK_a nahe 7 besitzt und somit sowohl als Säure als auch als Base wirken kann.

Eigenschaften der Säure-Base-Katalyse

Die große Mehrheit der Enzymreaktionen – die chemischen Reaktionen, von denen das Leben abhängt – finden in Wasser unter „physiologischen“ Bedingungen, nahe pH 7, statt. Doch gerade hier verlaufen chemische Reaktionen normalerweise am langsamsten. Reaktive Verbindungen werden durch Zugabe starker Säuren oder Basen in vitro leicht hydrolysiert. Für ein Enzym ist dies jedoch keine praktikable Lösung: Proteine werden in Gegenwart starker Säuren oder Basen denaturiert. Dennoch basiert unser Verständnis der Katalyse durch Enzyme auf unserem Wissen über die Säure-Base-Katalyse in vitro.

Die Säure-Base-Katalyse wird durch die pH-Geschwindigkeitsprofile in Abbildung 1 veranschaulicht: Die drei Kurven sind repräsentativ für das Verhalten der meisten Substrate bei den meisten Reaktionen in Wasser. Die untere Kurve (I) stellt die Reaktion in vitro einer typischen, wenig reaktiven Verbindung dar: Sie zeigt nur säure- und basekatalysierte Reaktionen, und die Reaktion ist am Minimum, nahe pH 7, sehr langsam. Für die reaktivsten Verbindungen zeigt sich ein weiteres Merkmal (Kurve II): ein pH-unabhängiger Bereich, in dem die unkatalysierte Reaktion mit Wasser schneller abläuft als die säure- und basekatalysierten Reaktionen in der Nähe der Neutralität. Schließlich zeigt Kurve III das pH-Geschwindigkeitsprofil für eine typische enzymkatalysierte Reaktion: Sie verläuft viel schneller als die anderen (angezeigt durch den Sprung in der Ordinate) und ist auch qualitativ ganz anders, da die Geschwindigkeit nun ein Maximum nahe pH 7 erreicht. Enzyme sind „dafür ausgelegt“, nahe pH 7 zu arbeiten, und zeigen typischerweise pH-Optima in diesem Bereich, wobei die Geschwindigkeiten bei höheren und niedrigeren pH-Werten abnehmen.

Abbildung 1. Spezifische Säure-Base-Katalyse und Enzymkatalyse im Vergleich. (Kirby A J. 2001)

Die säure- und basekatalysierten Reaktionen bei hohem und niedrigem pH sind für die Katalyse durch Enzyme nicht direkt relevant. Sie beinhalten typischerweise die Aktivierung des Substrats durch Zugabe oder Entfernung eines Protons in einem schnellen Vor-Gleichgewicht, gefolgt von der geschwindigkeitsbestimmenden Reaktion der konjugierten Säure oder Base.

Mechanismus der Säure-Base-Katalyse

Ist das Substrat ausreichend reaktiv (elektrophil), ist eine Aktivierung durch Protonierung nicht notwendig, und der Angriff von Wasser auf das neutrale Molekül ist nahe pH 7 geschwindigkeitsbestimmend (Kurve II in Abbildung 1). Formal entstehen dabei sowohl eine positive als auch eine negative Ladung, und im Verlauf der Reaktion werden beide über das Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen in das umgebende Lösungsmittel „delokalisiert“. Das Nukleophil in einer Hydrolysereaktion ist natürlich ein Wassermolekül. Während die neue C–O-Bindung entsteht, entwickelt sich eine positive Ladung am nukleophilen Sauerstoff, und die gebundenen OH-Protonen werden zunehmend saurer, bis sie an solvatisierendes Wasser übertragen werden können, das formal als allgemeine Base (gb) wirkt. Die sich entwickelnde negative Ladung am Carbonylsauerstoff kann auf ähnliche Weise über eine Wasserstoffbrücke auf ein weiteres Wassermolekül übertragen werden, das diesmal als allgemeine Säure (ga) fungiert. Dieser Mechanismus steht immer zur Verfügung, führt jedoch nicht immer zu einer beobachtbaren Reaktionsgeschwindigkeit.

Die direkte Reaktion hat den entropischen Vorteil, dass kein drittes Molekül beteiligt ist, und ein Carboxylatanion kann – unter den richtigen Bedingungen – bessere abgehende Gruppen verdrängen als Ethoxid. Solange das Zwischenprodukt reaktiver ist als das Ausgangsmaterial, resultiert daraus eine Katalyse der Hydrolyse. Dieser Mechanismus konkurriert bei Estern mit einer abgehenden Gruppe mit einem pK_a von ~7 gleichermaßen mit der allgemeinen Basenkatalyse und wird bei Derivaten mit besseren abgehenden Gruppen dominant.

Ist die abgehende Gruppe schlecht, kann sie durch Protonierung reaktionsfähig gemacht werden: vollständige Protonierung zur Bildung der konjugierten Säure, wenn die Gruppe ausreichend basisch ist, aber nur teilweise Protonenübertragung im Fall einer schwach basischen Gruppe wie OR oder OH. Dieser Mechanismus ist an der Spaltung der tetraedrischen Additionszwischenprodukte beteiligt, die bei den Acyltransferreaktionen von Estern und Amiden auftreten, lässt sich jedoch nicht leicht beobachten.

Brønsted-Säure- und -Basegruppen in Enzymen

Die „katalytische Maschinerie“ eines Enzyms besteht aus einer kleinen Anzahl funktioneller Gruppen, die durch die Tertiärstruktur des Proteins in einer genau definierten dreidimensionalen Anordnung zum aktiven Zentrum zusammengeführt werden. Die betreffenden funktionellen Gruppen sind eine Teilmenge derjenigen, die an den Seitenketten der natürlich vorkommenden Aminosäuren verfügbar sind. Unter physiologischen Bedingungen nahe pH 7 können nur schwache Säuren und Basen mit einem pK_a innerhalb einer oder zwei Einheiten von 7 in nennenswertem Umfang in der sauren oder basischen Form vorliegen. Die stärksten auf Aminosäureseitenketten verfügbaren Säuren sind daher die beiden Carbonsäuren; diese liegen bei pH 7 jedoch fast ausschließlich als Aspartat- und Glutamatanionen vor – es sei denn, ihre pK_a-Werte werden durch ihre lokale Umgebung beeinflusst. Ebenso sind die stärksten Basen wahrscheinlich protoniert, sofern sie nicht ebenfalls beeinflusst werden. Obwohl solche Beeinflussungen nicht selten sind, ist die Imidazolgruppe des Histidins aufgrund ihres pK_a nahe 7 sowohl die stärkste Säure als auch die stärkste Base, die Enzymen unter physiologischen Bedingungen nahe pH 7 normalerweise zur Verfügung steht.

Eine funktionelle Gruppe, die an der Katalyse eines bestimmten Schritts einer bestimmten Reaktion beteiligt ist, spielt eine sehr spezifische Rolle und ist daher in einer bestimmten Ionenform aktiv: Die Reaktivität hängt also vom pH-Wert ab. Wenn zwei (oder mehr) solche Gruppen beteiligt sind, ist es üblich, dass eine als allgemeine Säure in der protonierten Form und die andere als allgemeine Base oder Nukleophil und somit in ihrer basischen Form aktiv ist. Die pH-Geschwindigkeitsabhängigkeit der katalysierten Reaktion spiegelt dann den Anteil des Systems wider, bei dem beide Gruppen in der aktiven Ionenform vorliegen. Bei ausreichend hohem und niedrigem pH ist jeweils nur eine Spezies vorhanden, entweder als freie Base oder vollständig protonierte Form. Der Anteil der intermediären Zwitterionenform steigt jedoch auf ein Maximum bei einem pH-Wert, der genau zwischen den beiden pK_a-Werten liegt. Ist dies die reaktive Form, zeigt das pH-Geschwindigkeitsprofil ebenfalls ein Maximum bei diesem pH-Wert. Dies ist die einfachste Erklärung für ein pH-Optimum einer enzymkatalysierten Reaktion.

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1. Kirby A J. Säure-Basen-Katalyse durch Enzyme. eLS. John Wiley & Sons, Ltd, 2001.
2. Hollfelder, Florian, Kirby, et al. Von Enzymmodellen zu Modellenzymen. Journal of the American Chemical Society, 2009, 11(4):581-582.