Bei der Säure-Base-Katalyse wird eine chemische Reaktion durch Zugabe einer Säure oder Base beschleunigt, wobei die Säure bzw. Base selbst in der Reaktion nicht verbraucht wird. Protonentransfer ist die häufigste Reaktion, die Enzyme katalysieren. Protonendonoren und -akzeptoren, d. h. Säuren und Basen, können Protonen abgeben bzw. aufnehmen, um sich entwickelnde Ladungen im Übergangszustand zu stabilisieren. Dies führt typischerweise zur Aktivierung nukleophiler und elektrophiler Gruppen oder zur Stabilisierung von Abgangsgruppen. Viele säure-base-katalysierte Reaktionen involvieren Histidin, da es einen pK_a-Wert nahe 7 besitzt und somit sowohl als Säure als auch als Base wirken kann.

Merkmale der Säure-Base-Katalyse

Die überwiegende Mehrheit der Enzymreaktionen – die chemischen Reaktionen, von denen das Leben abhängt – findet in Wasser unter „physiologischen“ Bedingungen nahe pH 7 statt. Gerade dort sind chemische Reaktionen jedoch normalerweise am langsamsten. Reaktive Verbindungen lassen sich in vitro durch Zugabe starker Säuren oder Basen leicht hydrolysieren. Für ein Enzym ist dies jedoch keine praktikable Option: Proteine denaturieren in Gegenwart starker Säuren oder Basen. Dennoch basiert unser Verständnis der Enzymkatalyse auf dem Verständnis der Säure-Base-Katalyse in vitro.

Die Säure-Base-Katalyse wird durch die in Abbildung 1 dargestellten pH–Geschwindigkeits-Profile veranschaulicht: Die drei Kurven sind repräsentativ für das Verhalten der meisten Substrattypen, die in Wasser die meisten Reaktionstypen durchlaufen. Die untere Kurve (I) beschreibt die in vitro-Reaktion einer typischen, wenig reaktiven Verbindung: Sie zeigt ausschließlich säure- und basekatalysierte Reaktionen, und die Reaktion ist am Minimum nahe pH 7 sehr langsam. Bei den reaktivsten Verbindungen zeigt sich als zusätzliches Merkmal (Kurve II) ein pH-unabhängiger Bereich, in dem die unkatalysierte Reaktion mit Wasser nahe der Neutralität schneller wird als die säure- und basekatalysierten Reaktionen. Schließlich stellt Kurve III das pH–Geschwindigkeits-Profil einer typischen enzymkatalysierten Reaktion dar: Sie ist deutlich schneller als die anderen (angedeutet durch den Achsenbruch der Ordinate) und zudem qualitativ verschieden, da die Reaktionsgeschwindigkeit nun nahe pH 7 ein Maximum erreicht. Enzyme sind darauf „ausgelegt“, nahe pH 7 zu arbeiten, und zeigen typischerweise pH-Optima in diesem Bereich; bei höheren und niedrigeren pH-Werten nehmen die Geschwindigkeiten ab.

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

Die säure- und basekatalysierten Reaktionen bei hohen bzw. niedrigen pH-Werten sind für die Enzymkatalyse nicht unmittelbar relevant. Sie beinhalten typischerweise eine Aktivierung des Substrats durch Protonierung oder Deprotonierung in einem schnellen Vor-Gleichgewicht, gefolgt von der geschwindigkeitsbestimmenden Reaktion der konjugierten Säure bzw. Base.

Mechanismus der Säure-Base-Katalyse

Ist das Substrat hinreichend reaktiv (elektrophil), ist eine Aktivierung durch Protonierung nicht erforderlich, 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; im Verlauf der Reaktion werden beide über das Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen in das umgebende Lösungsmittel „delokalisiert“. Das Nukleophil einer Hydrolysereaktion ist selbstverständlich ein Wassermolekül. Während sich die neue C–O-Bindung ausbildet, entwickelt sich am nukleophilen Sauerstoff eine positive Ladung, und die gebundenen OH-Protonen werden zunehmend saurer, bis sie auf solvatisierendes Wasser übertragen werden können, das formal als allgemeine Base (gb) wirkt. Die sich am Carbonylsauerstoff entwickelnde negative Ladung kann analog über eine Wasserstoffbrücke auf ein weiteres Wassermolekül übertragen werden, das in diesem Fall als allgemeine Säure (ga) wirkt. Dieser Mechanismus steht grundsätzlich immer zur Verfügung, führt jedoch nicht in jedem Fall zu einer Reaktion mit beobachtbarer Geschwindigkeit.

Die direkte Reaktion hat den entropischen Vorteil, dass kein drittes Molekül beteiligt ist, und ein Carboxylat-Anion kann – unter geeigneten Bedingungen – bessere Abgangsgruppen als Ethoxid verdrängen. Solange das Zwischenprodukt reaktiver ist als das Ausgangsmaterial, resultiert daraus eine Katalyse der Hydrolyse. Dieser Mechanismus konkurriert bei Estern mit einer Abgangsgruppe mit einem pK_a von ~7 in gleichem Maße mit der allgemeinen Basenkatalyse und wird bei Derivaten mit besseren Abgangsgruppen dominant.

Ist die Abgangsgruppe schlecht, kann sie durch Protonierung reaktionsfähig gemacht werden: vollständige Protonierung zur Bildung der konjugierten Säure, sofern die Gruppe ausreichend basisch ist, bzw. partieller Protonentransfer im Fall schwach basischer Gruppen wie OR oder OH. Dieser Mechanismus ist am Zerfall der tetraedrischen Additionszwischenprodukte beteiligt, die bei den Acyltransferreaktionen von Estern und Amiden auftreten, ist jedoch nicht leicht experimentell zu beobachten.

Brønsted-Säure- und -Base-Gruppen in Enzymen

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

Eine funktionelle Gruppe, die an der Katalyse eines bestimmten Schrittes einer bestimmten Reaktion beteiligt ist, erfüllt eine sehr spezifische Rolle und ist daher erwartungsgemäß in einer bestimmten ionischen Form aktiv; folglich ist die Reaktivität pH-abhängig. Sind zwei (oder mehr) solche Gruppen beteiligt, ist es üblich, dass eine als allgemeine Säure in protonierter Form aktiv ist und die andere als allgemeine Base oder Nukleophil und somit in ihrer basischen Form. Die pH–Geschwindigkeits-Abhängigkeit der katalysierten Reaktion spiegelt dann den Anteil des Systems wider, in dem beide Gruppen in der aktiven ionischen Form vorliegen. Bei ausreichend hohen und niedrigen pH-Werten liegt jeweils eine einzelne Spezies vor, entweder als freie Base oder als vollständig protonierte Form. Der Anteil der intermediären zwitterionischen Form steigt jedoch bis zu einem Maximum bei einem pH-Wert an, der zwischen den beiden pK_a-Werten liegt. Ist dies die reaktive Form, zeigt auch das pH–Geschwindigkeits-Profil bei diesem pH-Wert ein Maximum. Dies ist die einfachste Erklärung für ein pH-Optimum einer enzymkatalysierten Reaktion.

Literatur

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1. Kirby A J. Acid–Base Catalysis by Enzymes. eLS. John Wiley & Sons, Ltd, 2001.
2. Hollfelder, Florian, Kirby, et al. From Enzyme Models to Model Enzymes. Journal of the American Chemical Society, 2009, 11(4):581-582.