In der Säure-Base-Katalyse wird die chemische Reaktion durch die Zugabe einer Säure oder einer Base beschleunigt, und die Säure oder Base selbst wird in der Reaktion nicht verbraucht. Der Protonentransfer ist die häufigste Reaktion, die Enzyme durchführen. Protonendonoren und -akzeptoren, d.h. Säuren und Basen, können Protonen spenden und akzeptieren, um sich entwickelnde Ladungen im Übergangszustand zu stabilisieren. Dies hat typischerweise den Effekt, nucleophile und elektrophile Gruppen zu aktivieren oder Abgangsgruppen zu stabilisieren. Viele Reaktionen der Säure-Base-Katalyse beinhalten Histidin, da es einen pK_a nahe 7 hat, was es ihm ermöglicht, sowohl als Säure als auch als Base zu wirken.

Eigenschaften 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. Doch hier sind chemische Reaktionen normalerweise am langsamsten. Reaktive Verbindungen werden leicht hydrolysiert, indem man starke Säure oder Base in vitro hinzufügt. Aber dies ist für ein Enzym kein praktischer Vorschlag: Proteine werden in Gegenwart von starker Säure oder Base denaturiert. Dennoch basiert unsere Vorstellung von der Katalyse durch Enzyme auf unserem Verständnis der Säure-Base-Katalyse in vitro.

Die Säure-Base-Katalyse wird durch die pH-Rate-Profile veranschaulicht, die in Abbildung 1 gezeigt sind: die drei Plots sind repräsentativ für das Verhalten der meisten Substrattypen, die die meisten Reaktionsarten in Wasser durchlaufen. Die untere Kurve (I) repräsentiert die Reaktion in vitro eines typischen, unreaktiven Verbindungs: sie zeigt nur säure- und basenkatalysierte Reaktionen, und die Reaktion ist am Minimum, nahe pH 7, sehr langsam. Für die reaktivsten Verbindungen ist ein zusätzliches Merkmal (Kurve II) ein pH-unabhängiger Bereich, in dem die unkatalysierte Reaktion mit Wasser schneller wird als die säure- und basenkatalysierten Reaktionen nahe der Neutralität. Schließlich ist Kurve III das pH-Rate-Profil für eine typische enzymkatalysierte Reaktion: sie ist viel schneller als die anderen (was durch den Bruch in der Ordinate angezeigt wird), und sie ist auch qualitativ ganz anders, da die Rate nun ein Maximum nahe pH 7 erreicht. Enzyme sind „so konzipiert“, dass sie nahe pH 7 arbeiten, und zeigen typischerweise pH-Optima in diesem Bereich, wobei die Raten bei höheren und niedrigeren pH-Werten abnehmen.

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

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

Mechanismus der Säure-Base-Katalyse

Wenn das Substrat reaktiv (elektrophil) genug ist, ist eine Aktivierung durch Protonierung nicht notwendig, und der Angriff von Wasser auf das neutrale Molekül ist geschwindigkeitsbestimmend nahe pH 7 (Kurve II von Abbildung 1). Formal erzeugt dies sowohl eine positive als auch eine negative Ladung, und während die Reaktion voranschreitet, werden beide in das umgebende Lösungsmittel über das Netzwerk von Wasserstoffbrücken „delokalisiert“. Der Nucleophil in einer Hydrolysereaktion ist natürlich ein Wassermolekül. Während die neue C–O-Bindung entsteht, entwickelt sich eine positive Ladung auf dem nucleophilen Sauerstoff, und die angehängten OH-Protonen werden immer saurer, bis sie an das solvatisierende Wasser übertragen werden können, das formal als allgemeine Base (gb) wirkt. Die negative Ladung, die sich auf dem Carbonylsauerstoff entwickelt, kann ähnlich über eine Wasserstoffbrücke auf ein anderes Wassermolekül übertragen werden, das diesmal als allgemeine Säure (ga) wirkt. Dieser Mechanismus ist immer verfügbar, führt jedoch nicht immer zu einer Reaktion mit einer beobachtbaren Rate.

Die direkte Reaktion hat den entropischen Vorteil, dass sie kein drittes Molekül einbezieht, und ein Carboxylatanion kann – unter den richtigen Bedingungen – bessere Abgangsgruppen als Ethoxid verdrängen. Solange das Intermediat reaktiver ist als das Ausgangsmaterial, ist das Ergebnis eine Katalyse der Hydrolyse. Dieser Mechanismus konkurriert gleichwertig mit der allgemeinen Basenkatalyse für Ester mit einer Abgangsgruppe von pK_a von ~7 und wird dominant für Derivate mit besseren Abgangsgruppen.

Wenn die Abgangsgruppe schlecht ist, kann sie durch Protonierung lebensfähig gemacht werden: vollständige Protonierung zur Bildung der konjugierten Säure, wenn die Gruppe ausreichend basisch ist, aber unter Einbeziehung eines teilweisen Protonentransfers im Fall einer schwach basischen Gruppe wie OR oder OH. Dieser Mechanismus ist beteiligt, wenn auch nicht leicht zu beobachten, beim Abbau der tetrahedralen Additionsintermediate, die an den Acyltransferreaktionen von Estern und Amiden beteiligt sind.

Brønsted-Säure- und -Basegruppen in Enzymen

Die „katalytische Maschinerie“ eines Enzyms besteht aus einer kleinen Anzahl von funktionellen Gruppen, die durch die Tertiärstruktur des Proteins in einer gut definierten dreidimensionalen Anordnung zusammengebracht werden, um die aktive Stelle zu bilden. Die betroffenen 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 pK_a innerhalb einer oder zwei Einheiten von 7 in der sauren oder basischen Form in nennenswertem Umfang existieren. Daher sind die stärksten Säuren, die an Aminosäure-Seitenketten verfügbar sind, die beiden Carbonsäuren; aber diese werden bei pH 7 fast ausschließlich als die Aspartat- und Glutamat-Anionen vorhanden sein – es sei denn, ihre pK_as werden durch ihre lokale Umgebung gestört. Ebenso werden die stärksten Basen wahrscheinlich protoniert, es sei denn, sie werden ähnlich gestört. Obwohl solche Störungen nicht ungewöhnlich sind, ist die Imidazolgruppe von Histidin, da sie einen pK_a nahe 7 hat, sowohl die stärkste Säure als auch die stärkste Base, die normalerweise unter physiologischen Bedingungen nahe pH 7 für Enzyme verfügbar ist.

Eine funktionelle Gruppe, die an der Katalyse eines bestimmten Schrittes einer bestimmten Reaktion beteiligt ist, spielt eine sehr spezifische Rolle und kann daher erwartet werden, in einer bestimmten ionischen Form aktiv zu sein: somit hängt die Reaktivität vom pH ab. Wenn zwei (oder mehr) solcher Gruppen beteiligt sind, ist es üblich, dass eine als allgemeine Säure in protonierter Form aktiv ist und die andere als allgemeine Base oder Nucleophil, und somit in ihrer basischen Form. Die pH-Rate-Abhängigkeit der katalysierten Reaktion spiegelt dann den Anteil des Systems wider, in dem beide Gruppen in der aktiven ionischen Form vorliegen. Bei ausreichend hohem und niedrigem pH ist eine einzelne Spezies vorhanden, entweder als freie Base oder vollständig protonierte Form. Aber der Anteil der intermediären zwitterionischen Form steigt bis zu einem Maximum bei einem pH, der zwischen den beiden pK_as liegt. Wenn dies die reaktive Form ist, wird das pH-Rate-Profil auch ein Maximum bei diesem pH zeigen. Dies ist die einfachste Erklärung für ein pH-Optimum für eine enzymkatalysierte Reaktion.

Literaturverzeichnis

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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.