Katalytische Modi von Enzymen

Enzymmoleküle enthalten eine spezielle Tasche, die als aktives Zentrum bezeichnet wird, das Aminosäuren aus verschiedenen Teilen der Polypeptidketten enthält, die eine dreidimensionale Oberfläche bilden, die komplementär zum Substrat ist, so wie ein Schlüssel in ein Schloss passt. Substrate binden zunächst an das aktive Zentrum durch nicht-kovalente Wechselwirkungen, einschließlich Wasserstoffbrücken, ionischen Bindungen und hydrophoben Wechselwirkungen, die schnell konformationale Änderungen im Enzym induzieren können, wodurch die Bindung verstärkt wird und ein Enzym-Substrat-Komplex entsteht. Die am meisten bevorzugte Enzym-Substrat-Interaktion gehört zu einem induzierten Anpassungsmodell. Sobald ein Substrat an das aktive Zentrum eines Enzyms gebunden ist, können mehrere Mechanismen der Katalyse die Energie des Übergangszustands der Reaktion senken, indem sie einen alternativen chemischen Weg für die Reaktion bereitstellen, um einen Enzym-Produkt-Komplex zu erhalten, der anschließend in Enzym und Produkt dissociiert wird. Obwohl die Tausenden von Enzymen in Zellen zahlreiche verschiedene Arten von chemischen Reaktionen katalysieren, ist das grundlegende Prinzip, das auf ihre Funktionsweise angewendet wird, dasselbe.

Abbildung 1. Allgemeiner Modus der Enzymkatalyse.

Der genaue Mechanismus zur Senkung der Energiebarriere hängt von den einzelnen Systemen ab. Der wichtigste dieser Mechanismen bezieht sich auf die anfängliche Bindung des Enzyms an die Substrate in der richtigen Orientierung zur Reaktion, in der Nähe der katalytischen Gruppen im aktiven Enzymkomplex und anderer Substrate. Auf diese Weise wird die Bindungsenergie teilweise genutzt, um die Beteiligung der übermäßigen Aktivierungsentropie zu reduzieren, die durch den Verlust der translativen und rotatorischen Entropie der Reaktanten und katalytischen Gruppen in der gesamten Aktivierungsenergie verursacht wird. Die Energien, die Enzymen zur Verfügung stehen, um mit ihren Substraten zu binden, hängen hauptsächlich von der Komplementarität der Strukturen ab. Diese Bindungsenergien können relativ groß sein, während Enzyme diese potenzielle Bindungsenergie nicht einfach nutzen, um mit den Substraten zu binden und stabile, langlebige Komplexe zu bilden. Enzyme müssen die Bindungsenergie nutzen, um die freie Energie des Übergangszustands zu verringern, was im Allgemeinen erreicht wird, indem die Bindung an den Übergangszustand anstelle der Reaktanten erhöht wird, wodurch eine energetische Belastung in das System eingeführt wird und günstigere Wechselwirkungen zwischen den katalytischen Gruppen der Enzyme und den Reaktanten ermöglicht werden.

Weitere beitragende Faktoren sind die Bereitstellung eines alternativen reaktiven Weges, die Desolvation der reagierenden und katalysierenden ionischen Gruppen und die Einführung von Spannungen in die Reaktanten, die es ermöglichen, dass mehr Bindungsenergie für den Übergangszustand verfügbar ist. Die Spezifität wird durch das Fehlen von unlöslichen oder ungepaarten Ladungen, minimaler sterischer Abstoßung und das Vorhandensein ausreichender Wasserstoffbrücken bestimmt.

Nähe und Orientierung

Enzym-Substrat-Interaktionen könnten die reaktiven chemischen Gruppen ausrichten und sie in einer optimalen Geometrie nahe beieinander bringen, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird. Die Entropie der Reaktanten wird reduziert, was Addition oder Transferreaktionen weniger ungünstig macht, da die Integration von zwei Reaktanten in ein einzelnes Produkt die Verringerung der gesamten Entropie verringern könnte. Dieser Effekt von Nähe und Orientierung ist analog zu einer effektiven Erhöhung der Konzentration der Reagenzien und verleiht der Reaktion einen intramolekularen Charakter mit einer massiven Geschwindigkeitssteigerung.

Bindungsbelastung

Bindungsbelastung ist der Haupt Effekt der induzierten Anpassungsbindung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zur Substrat selbst. Dies führt zu strukturellen Umstellungen, die die Bindungen des Substrats in eine Position näher zur Konformation des Übergangszustands belasten, wodurch der Energiedifferenz zwischen Substrat und Übergangszustand verringert wird. Es ist vorteilhaft, die Reaktion zu katalysieren. Der Spannungseffekt ist jedoch tatsächlich ein Effekt der Destabilisierung des Grundzustands, anstatt ein Effekt der Stabilisierung des Übergangszustands. Enzyme sind sehr flexibel, sodass sie keinen großen Spannungseffekt nutzen können. Abgesehen von der Bindungsbelastung im Substrat kann auch innerhalb des Enzyms selbst eine Bindungsbelastung auftreten, um Rückstände im aktiven Zentrum zu stimulieren.

Säure-Base-Katalyse

Säure-Base-Katalyse ist eine Reaktion, die ein Proton an oder von einem anderen Molekül überträgt, um sich entwickelnde Ladungen im Übergangszustand zu stabilisieren, was die Aktivierung von Nucleophilen und Elektrophilen Gruppen oder die Stabilisierung von Abgangsgruppen zur Folge hat. Histidin ist oft an diesen Säure-Base-Reaktionen beteiligt, da es einen pKa-Wert hat, der nahe dem neutralen pH liegt und daher sowohl Protonen akzeptieren als auch spenden kann. Der pKa-Wert kann sowohl durch die lokale Umgebung des Rückstands als auch durch die umgebende Umgebung verändert werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit in dieser speziellen Katalyse wird durch die Konzentration des Protonenträgers bestimmt, und in spezifischen Säure-Base-Katalysen ist die Reaktionsgeschwindigkeit frei von dem Einfluss der Katalysatorkonzentration.

Kovalente Katalyse

Kovalente Katalyse bezieht sich darauf, dass das Substrat eine vorübergehende kovalente Bindung mit einem Cofaktor oder mit Rückständen im aktiven Zentrum des Enzyms bildet, was ein zusätzliches kovalentes Zwischenprodukt in die Reaktion bringt und dazu beiträgt, die Energie späterer Übergangszustände der Reaktion zu verringern. In einem späteren Stadium der Reaktion würde die kovalente Bindung gebrochen, um das Enzym freizusetzen. Diese Art von Mechanismus wird von der katalytischen Triade von Enzymen wie Chymotrypsin und Trypsin angewendet, die ein Acyl-Enzym-Zwischenprodukt hinterlässt. Ein alternativer Mechanismus kann im Enzym Aldolase während der Glykolyse beobachtet werden, wo eine Schiffsche Base unter Verwendung der freien Aminogruppe eines Lysinrückstands gebildet wird.

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