Katalytische Modi von Enzymen

Enzymmoleküle enthalten eine spezielle Tasche, die als aktives Zentrum bezeichnet wird. Diese enthält Aminosäuren aus verschiedenen Teilen der Polypeptidketten, die eine dreidimensionale Oberfläche bilden, die komplementär zum Substrat ist – ähnlich wie ein Schlüssel in ein Schloss passt. Substrate binden zunächst durch nicht-kovalente Wechselwirkungen, einschließlich Wasserstoffbrücken, Ionenbindungen und hydrophoben Wechselwirkungen, an das aktive Zentrum. Diese können rasch Konformationsänderungen im Enzym hervorrufen, wodurch die Bindung verstärkt und ein Enzym-Substrat-Komplex gebildet wird. Das bevorzugte Modell der Enzym-Substrat-Interaktion ist das Induced-Fit-Modell. Sobald ein Substrat an das aktive Zentrum eines Enzyms gebunden ist, können verschiedene katalytische Mechanismen die Energie des Übergangszustands der Reaktion senken, indem sie einen alternativen chemischen Weg bereitstellen, um einen Enzym-Produkt-Komplex zu erhalten, der anschließend in Enzym und Produkt dissoziiert. Obwohl die Tausenden von Enzymen in Zellen zahlreiche verschiedene chemische Reaktionen katalysieren, ist das zugrunde liegende Prinzip ihrer Funktionsweise dasselbe.

Abbildung 1. Allgemeiner Modus der Enzymkatalyse.

Der genaue Mechanismus der Senkung der Energiebarriere hängt vom jeweiligen System ab. Der wichtigste dieser Mechanismen bezieht sich auf die anfängliche Bindung des Enzyms an die Substrate in der richtigen Orientierung zur Reaktion, nahe an den katalytischen Gruppen des aktiven Enzymkomplexes und anderen Substraten. Auf diese Weise wird die Bindungsenergie teilweise genutzt, um die Beteiligung der übermäßigen Aktivierungsentropie zu verringern, die durch den Verlust der translatorischen und rotatorischen Entropie der Reaktanten und katalytischen Gruppen an der gesamten Aktivierungsenergie verursacht wird. Die für die Bindung von Enzymen an ihre Substrate verfügbaren Energien hängen in erster Linie von der Komplementarität der Strukturen ab. Diese Bindungsenergien können relativ groß sein, während Enzyme diese potenzielle Bindungsenergie nicht einfach nutzen, um stabile, langlebige Komplexe mit den Substraten zu bilden. Enzyme müssen die Bindungsenergie einsetzen, um die freie Energie des Übergangszustands zu senken, was im Allgemeinen dadurch erreicht wird, dass die Bindung an den Übergangszustand stärker ist als an die Reaktanten. Dadurch wird eine energetische Spannung in das System eingeführt und günstigere Wechselwirkungen zwischen den katalytischen Gruppen der Enzyme und den Reaktanten ermöglicht.

Weitere beitragende Faktoren sind die Bereitstellung eines alternativen Reaktionswegs, die Desolvatisierung der reagierenden und katalysierenden Ionen-Gruppen sowie die Einführung von Spannung in die Reaktanten, wodurch mehr Bindungsenergie für den Übergangszustand verfügbar wird. Die Spezifität wird durch das Fehlen von ungelösten oder ungepaarten Ladungen, minimale sterische Abstoßung und das Vorhandensein ausreichender Wasserstoffbrücken bestimmt.

Nähe und Orientierung

Enzym-Substrat-Wechselwirkungen können die reaktiven chemischen Gruppen ausrichten und sie in einer optimalen Geometrie nahe zusammenbringen, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird. Die Entropie der Reaktanten wird reduziert, was Additions- oder Transferreaktionen weniger ungünstig macht, da die Integration von zwei Reaktanten zu einem einzigen Produkt die Verringerung der Gesamtentropie vermindern kann. Dieser Effekt von Nähe und Orientierung ist vergleichbar mit einer effektiven Erhöhung der Konzentration der Reagenzien und verleiht der Reaktion einen intramolekularen Charakter mit einer massiven Geschwindigkeitssteigerung.

Bindungsspannung

Bindungsspannung ist der Haupteffekt der Induced-Fit-Bindung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zum Substrat selbst. Dies führt zu strukturellen Umordnungen, die die Bindungen des Substrats in eine Position zwingen, die näher an der Konformation des Übergangszustands liegt, wodurch der Energieunterschied zwischen Substrat und Übergangszustand verringert wird. Dies ist vorteilhaft für die Katalyse der Reaktion. Allerdings ist der Spannungseffekt tatsächlich ein Effekt der Destabilisierung des Grundzustands und nicht der Stabilisierung des Übergangszustands. Enzyme sind sehr flexibel, sodass sie keinen großen Spannungseffekt nutzen können. Neben der Bindungsspannung im Substrat kann auch innerhalb des Enzyms Bindungsspannung auftreten, um Reste im aktiven Zentrum zu stimulieren.

Säure-Base-Katalyse

Säure-Base-Katalyse ist eine Reaktion, bei der ein Proton auf ein anderes Molekül übertragen oder von diesem aufgenommen wird, um entstehende Ladungen im Übergangszustand zu stabilisieren. Dies hat den Effekt, Nukleophil- und Elektrophilgruppen zu aktivieren oder abgehende Gruppen zu stabilisieren. Histidin ist häufig an diesen Säure-Base-Reaktionen beteiligt, da es einen pKa-Wert nahe dem neutralen pH-Wert hat und daher sowohl Protonen aufnehmen als auch abgeben kann. Der pKa-Wert kann sowohl durch die lokale Umgebung des Restes als auch durch die umgebende Umgebung verändert werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit bei dieser speziellen Katalyse wird durch die Konzentration des Protonenträgers bestimmt, und bei spezifischer Säure-Base-Katalyse ist die Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig von der Konzentration des Katalysators.

Kovalente Katalyse

Kovalente Katalyse bedeutet, dass das Substrat eine vorübergehende kovalente Bindung mit einem Cofaktor oder mit Resten im aktiven Zentrum des Enzyms eingeht, wodurch ein zusätzliches kovalentes Zwischenprodukt in die Reaktion eingebracht wird und die Energie späterer Übergangszustände der Reaktion verringert wird. In einem späteren Stadium der Reaktion wird die kovalente Bindung gelöst, um das Enzym freizusetzen. Dieser Mechanismus wird von der katalytischen Triade von Enzymen wie Chymotrypsin und Trypsin angewendet, wobei ein Acyl-Enzym-Zwischenprodukt entsteht. Ein alternativer Mechanismus kann beim Enzym Aldolase während der Glykolyse beobachtet werden, bei dem eine Schiff-Base durch die Nutzung der freien Aminogruppe eines Lysinrests gebildet wird.

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