Die Enzymkatalyse ist die Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch die aktive Stelle eines Proteins. Prinzipiell ist der Mechanismus der Enzymkatalyse ähnlich wie bei anderen Arten der chemischen Katalyse. Das Enzym reduziert die Energie, die erforderlich ist, um den höchsten energetischen Übergangszustand der Reaktion zu erreichen, indem es einen alternativen Reaktionsweg bereitstellt. Die Reduktion der Aktivierungsenergie erhöht die Anzahl der Reaktantenmoleküle, die ein ausreichendes Energieniveau erreichen, sodass sie die Aktivierungsenergie erreichen und das Produkt bilden. Enzyme katalysieren chemische Reaktionen mit erstaunlichen Geschwindigkeiten im Vergleich zur nicht katalysierten Chemie unter denselben Bedingungen. Jedes katalytische Ereignis erfordert mindestens drei oder oft mehr Schritte, die alle innerhalb der wenigen Millisekunden stattfinden, die typische enzymatische Reaktionen charakterisieren. Laut der Übergangszustandstheorie wird der Übergangszustand im wichtigsten Schritt verbraucht, der den kleinsten Bruchteil des katalytischen Zyklus ausmacht. Einer der Mechanismen der Enzymkatalyse ist die Bindungsbelastung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zur Substanz selbst.

Übergangszustandstheorie

Der Übergangszustand einer chemischen Reaktion ist eine bestimmte Konfiguration entlang der Reaktionskoordinate. Die Lebensdauer chemischer Übergangszustände ist die Zeit für die Umwandlung eines Bindungsschwingungsmodus in einen Translationsmodus, was wirklich kurz ist. Der Übergangszustand wird als der Zustand definiert, der der höchsten potentiellen Energie entlang dieser Reaktionskoordinate entspricht. Er hat mehr freie Energie im Vergleich zum Substrat oder Produkt, daher ist er der am wenigsten stabile Zustand. Die spezifische Form des Übergangszustands hängt von den Mechanismen der jeweiligen Reaktion ab. In der Gleichung S→X→P ist X der Übergangszustand, der sich am Gipfel der Kurve im Gibbs-freie-Energie-Diagramm (Abbildung 1) befindet. Diese Theorie erfordert eine Überprüfung für Enzyme, da die Bewegung des Proteindomains, die zur Bildung des Übergangszustands führt, die veränderten Bindungslängen des gebundenen Übergangszustands für eine Lebensdauer stabilisieren kann, die für 10¹–10⁶ Schwingungen ausreichend ist.

Abbildung 1. Übergangszustandstheorie. Der Übergangszustand befindet sich am Gipfel der Kurve im Gibbs-freie-Energie-Diagramm.

Feste Bindung des Enzyms und des Übergangszustands

Bindungsbelastung ist der Haupteffekt der induzierten Passformbindung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zur Substanz selbst. Dies induziert strukturelle Umstellungen, die die Substratbindungen in eine Position bringen, die näher an der Konformation des Übergangszustands liegt, wodurch die Energiedifferenz zwischen dem Substrat und dem Übergangszustand verringert und die Reaktion katalysiert wird. Tatsächlich ist der Strain-Effekt jedoch ein Effekt der Destabilisierung des Grundzustands, anstatt ein Effekt der Stabilisierung des Übergangszustands.

Linus Pauling schlug vor, dass die starke katalytische Wirkung von Enzymen durch spezifische feste Bindung an die Übergangszustandsarten erklärt werden könnte. Es wurde vorgeschlagen, dass das Enzym die Konzentration der reaktiven Spezies erhöht, da die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Anteil des Reaktanten im Übergangszustandskomplex ist. Bindungsenergien enzymatischer Übergangszustände entstehen durch die Neuausrichtung der Substratkontakte, während das Enzym und das Substrat ihre Strukturen gegenseitig in Richtung des Übergangszustands ändern. Die starke Abhängigkeit der Wasserstoff- und Ionenbindungsenergie von Bindungsabstand, Winkel, Lösungsmittelumgebung und relativen pK_a-Werten kann herangezogen werden, um die Zunahme der Bindungskräfte des Übergangszustandskomplexes im Vergleich zum Michaelis-Komplex zu erklären. Strukturelle Umstellungen ziehen das Protein um die katalytische Stelle zusammen, um das Lösungsmittel auszuschließen und stärkere elektrostatische Kontakte herzustellen. Diese werden als gut ausgerichtete H-Bindungen im Übergangszustand und als ionische Anziehung und Abstoßung als katalytische Kräfte dargestellt.

Abbildung 2. Katalytischer Mechanismus des Enzyms der Bindungsbelastung. Die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand ist größer als zur Substanz.

Übergangszustandsanaloga sind Enzyminhibitoren

Die Übergangszustandstheorie beschreibt, dass das Auftreten enzymatischer Katalyse gleichbedeutend ist mit einer stärkeren Bindung des Enzyms an den Übergangszustand als an die Grundzustands-Substrate. Daher sollten Übergangszustandsanaloga effektive Inhibitoren von Enzymen sein. Diese Moleküle sind Nachahmungen der Übergangszustände des Substrats in einer bestimmten Enzymreaktion. Sie können an das Enzym binden und oft viel fester als das Substrat, da sie den Übergangszuständen des Substrats so ähnlich sind. Die Tatsache, dass diese Übergangszustandsanaloga so fest an Enzyme binden, macht sie zu einem effektiven Enzyminhibitor.

Referenz

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1. Schramm V L. Enzymatic transition states and transition state analogues. Annual Review of Biochemistry, 2005, 15(6):604-613.