Enzymkatalyse bezeichnet die Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch das aktive Zentrum eines Proteins. Grundsätzlich ähnelt der Mechanismus der Enzymkatalyse anderen Formen der chemischen Katalyse. Das Enzym senkt die zur Erreichung des Übergangszustands mit der höchsten Energie erforderliche Energie, indem es einen alternativen Reaktionsweg bereitstellt. Die Verringerung der Aktivierungsenergie erhöht die Anzahl der Reaktantmoleküle, die ein ausreichendes Energieniveau erreichen, sodass sie die Aktivierungsbarriere überwinden und das Produkt bilden. Enzyme katalysieren chemische Reaktionen unter gleichen Bedingungen mit erstaunlichen Geschwindigkeiten im Vergleich zu nicht katalysierten Reaktionen. Jedes katalytische Ereignis umfasst mindestens drei, häufig jedoch mehr Schritte, die sämtlich innerhalb weniger Millisekunden ablaufen – dem Zeitrahmen typischer enzymatischer Reaktionen. Nach der Theorie des Übergangszustands wird der Übergangszustand im wichtigsten Schritt durchlaufen, der den kleinsten Anteil des katalytischen Zyklus ausmacht. Ein Mechanismus der Enzymkatalyse ist die Bindungsspannung (bond strain), bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zum Substrat selbst.

Theorie des Übergangszustands

Der Übergangszustand einer chemischen Reaktion ist eine spezifische Konfiguration entlang der Reaktionskoordinate. Die Lebensdauer chemischer Übergangszustände entspricht der Zeit für die Umwandlung eines Bindungsschwingungsmodus in einen Translationsmodus und ist äußerst kurz. Der Übergangszustand ist als der Zustand definiert, der dem höchsten potenziellen Energielevel entlang dieser Reaktionskoordinate entspricht. Er besitzt im Vergleich zu Substrat oder Produkt eine höhere freie Energie und ist damit der am wenigsten stabile Zustand. Die konkrete Ausprägung des Übergangszustands hängt vom Mechanismus der jeweiligen Reaktion ab. In der Gleichung S→X→P ist X der Übergangszustand, der am Gipfel der Kurve im Diagramm der Gibbs’schen freien Energie liegt (Abbildung 1). Für Enzyme bedarf diese Theorie einer erneuten Betrachtung, da Domänenbewegungen des Proteins, die zur Bildung des Übergangszustands führen, die veränderten Bindungslängen des gebundenen Übergangszustands über eine Lebensdauer stabilisieren können, die für 10¹–10⁶ Schwingungen ausreicht.

Abbildung 1. Theorie des Übergangszustands. Der Übergangszustand befindet sich am Gipfel der Kurve im Diagramm der Gibbs’schen freien Energie.

Feste Bindung von Enzym und Übergangszustand

Bindungsspannung ist der wesentliche Effekt der induced-fit-Bindung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zum Substrat selbst. Dies führt zu strukturellen Umlagerungen, die Substratbindungen in eine Position zwingen, die näher an der Konformation des Übergangszustands liegt. Dadurch wird die Energiedifferenz zwischen Substrat und Übergangszustand verringert und die Reaktion katalytisch begünstigt. Tatsächlich handelt es sich beim Spannungseffekt jedoch um einen Effekt der Destabilisierung des Grundzustands und nicht um eine Stabilisierung des Übergangszustands.

Linus Pauling schlug vor, dass die starke katalytische Wirkung von Enzymen durch eine spezifische, besonders feste Bindung an die Übergangszustandsspezies erklärt werden könne. Es wurde postuliert, dass das Enzym die Konzentration der reaktiven Spezies erhöht, da die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Anteil des Reaktanten im Übergangszustandskomplex ist. Die Bindungsenergien enzymatischer Übergangszustände entstehen durch die Neuausrichtung der Substratkontakte, während Enzym und Substrat ihre Strukturen wechselseitig in Richtung des Übergangszustands verändern. Die starke Abhängigkeit der Energie von Wasserstoffbrücken- und Ionenbindungen 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 Umlagerungen ziehen das Protein um das katalytische Zentrum enger zusammen, um Lösungsmittel auszuschließen und stärkere elektrostatische Kontakte zu ermöglichen. Dies zeigt sich in gut ausgerichteten H‑Brücken im Übergangszustand sowie in ionischer Anziehung und Abstoßung als katalytischen Kräften.

Abbildung 2. Enzymatischer Katalysemechanismus der Bindungsspannung. Die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand ist größer als zum Substrat.

Übergangszustandsanaloga sind Enzyminhibitoren

Die Theorie des Übergangszustands beschreibt, dass enzymatische Katalyse dem Umstand entspricht, dass ein Enzym den Übergangszustand stärker bindet als die Substrate im Grundzustand. Daher sollten Übergangszustandsanaloga wirksame Inhibitoren von Enzymen sein. Diese Moleküle sind Nachbildungen der Übergangszustände des Substrats in einer spezifischen enzymatischen Reaktion. Sie können an das Enzym binden – oftmals deutlich fester als das Substrat –, da sie den Übergangszuständen des Substrats sehr ähnlich sind. Die Tatsache, dass diese Übergangszustandsanaloga so fest an Enzyme binden, macht sie zu wirksamen Enzyminhibitoren.

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.