Die Enzymkatalyse ist die Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch das aktive Zentrum eines Proteins. Im Prinzip ist der Mechanismus der Enzymkatalyse ähnlich wie bei anderen Arten der chemischen Katalyse. Das Enzym verringert die Energie, die benötigt wird, um den höchsten Energie-Übergangszustand der Reaktion zu erreichen, indem es einen alternativen Reaktionsweg bereitstellt. Die Verringerung 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 unkatalysierten Chemie unter den gleichen Bedingungen. Jeder katalytische Vorgang erfordert mindestens drei oder oft mehr Schritte, die alle innerhalb weniger Millisekunden ablaufen, was für typische enzymatische Reaktionen charakteristisch ist. Nach der Übergangszustandstheorie wird die meiste Zeit im wichtigsten Schritt, dem Übergangszustand, verbracht, der den kleinsten Bruchteil des katalytischen Zyklus ausmacht. Einer der Mechanismen der Enzymkatalyse ist die Bindungsspannung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zum Substrat selbst.

Übergangszustandstheorie

Der Übergangszustand einer chemischen Reaktion ist eine bestimmte Konfiguration entlang der Reaktionskoordinate. Die Lebensdauer chemischer Übergangszustände ist die Zeit, die für die Umwandlung eines Bindungsschwingungsmodus in einen Translationsmodus benötigt wird, was sehr kurz ist. Der Übergangszustand ist definiert als der Zustand mit der höchsten potentiellen Energie entlang dieser Reaktionskoordinate. Er besitzt mehr freie Energie im Vergleich zum Substrat oder Produkt und ist daher 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'schen Freien Energie-Diagramm (Abbildung 1) befindet. Diese Theorie muss für Enzyme neu bewertet werden, da die Bewegung der Proteindomäne, die zur Bildung des Übergangszustands führt, die veränderten Bindungslängen des gebundenen Übergangszustands für eine Lebensdauer stabilisieren kann, die für 10¹–10⁶ Schwingungen ausreicht.

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

Starke Bindung des Enzyms an den Übergangszustand

Bindungsspannung ist der Haupteffekt der induzierten Anpassungsbindung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zum Substrat selbst. Dies führt zu strukturellen Umordnungen, die die Substratbindungen in eine Position zwingen, die näher an der Konformation des Übergangszustands liegt, wodurch der Energieunterschied zwischen Substrat und Übergangszustand verringert und die Reaktion katalysiert wird. Tatsächlich ist der Spannungseffekt jedoch ein Effekt der Destabilisierung des Grundzustands und kein Effekt der Stabilisierung des Übergangszustands.

Linus Pauling schlug vor, dass die starke katalytische Wirkung von Enzymen durch spezifische, enge Bindung an die Übergangszustandspezies erklärt werden kann. Es wurde angenommen, dass das Enzym die Konzentration der reaktiven Spezies erhöht, da die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Anteil des Reaktanten im Übergangszustandskomplex ist. Die Bindungsenergien enzymatischer Übergangszustände werden durch die Neuausrichtung der Substratkontakte erzeugt, wenn Enzym und Substrat ihre Strukturen gegenseitig in Richtung des Übergangszustands verändern. Die starke Abhängigkeit der Wasserstoff- und Ionenbindungsenergie von Bindungslänge, -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 Umordnungen ziehen das Protein um das katalytische Zentrum zusammen, um Lösungsmittel auszuschließen und stärkere elektrostatische Kontakte herzustellen. Diese zeigen sich als gut ausgerichtete H-Bindungen im Übergangszustand sowie als ionische Anziehung und Abstoßung als katalytische Kräfte.

Abbildung 2. Enzymkatalytischer Mechanismus der Bindungsspannung. Die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand ist größer als zum Substrat.

Übergangszustandsanaloga sind Enzyminhibitoren

Die Übergangszustandstheorie beschreibt, dass das Auftreten der enzymatischen Katalyse gleichbedeutend damit ist, dass ein Enzym stärker an den Übergangszustand bindet als an die Substrate im Grundzustand. Daher sollten Übergangszustandsanaloga wirksame Inhibitoren von Enzymen sein. Diese Moleküle sind Nachbildungen der Übergangszustände des Substrats in einer bestimmten Enzymreaktion. Sie können an das Enzym binden und oft viel stärker 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 effektiven Enzyminhibitoren.

Referenz

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1. Schramm V L. Enzymatische Übergangszustände und Übergangszustandsanaloga. Annual Review of Biochemistry, 2005, 15(6):604-613.