Katalytische Wirkungsweisen von Enzymen

Enzymmoleküle besitzen eine spezielle Tasche, das sogenannte aktive Zentrum, das Aminosäurereste aus unterschiedlichen Abschnitten der Polypeptidketten umfasst und eine dreidimensionale, zum Substrat komplementäre Oberfläche bildet – vergleichbar mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Substrate binden zunächst über nichtkovalente Wechselwirkungen an das aktive Zentrum, darunter Wasserstoffbrückenbindungen, ionische Bindungen und hydrophobe Interaktionen. Diese können rasch Konformationsänderungen des Enzyms induzieren, wodurch die Bindung verstärkt und ein Enzym-Substrat-Komplex gebildet wird. Das am besten etablierte Modell der Enzym-Substrat-Interaktion ist das Induced-Fit-Modell. Sobald ein Substrat an das aktive Zentrum gebunden ist, können mehrere katalytische Mechanismen die Energie des Übergangszustands der Reaktion senken, indem sie einen alternativen chemischen Reaktionsweg bereitstellen, der zu einem Enzym-Produkt-Komplex führt, welcher anschließend in Enzym und Produkt dissoziiert. Obwohl die Tausenden von Enzymen in Zellen zahlreiche unterschiedliche chemische Reaktionen katalysieren, beruht ihr Wirkprinzip auf denselben grundlegenden Prinzipien.

Abbildung 1. Allgemeiner Mechanismus der Enzymkatalyse.

Der genaue Mechanismus der Absenkung der Energiebarriere ist systemspezifisch. Einer der wichtigsten Mechanismen besteht in der initialen Bindung des Enzyms an die Substrate in der korrekten Orientierung für die Reaktion, in räumlicher Nähe zu den katalytischen Gruppen des aktiven Enzymkomplexes und etwaigen weiteren Substraten. Auf diese Weise wird die Bindungsenergie teilweise genutzt, um den Beitrag der übermäßigen Aktivierungsentropie – verursacht durch den Verlust der Translations- und Rotationsentropie der Reaktanten und katalytischen Gruppen – zur Gesamtaktivierungsenergie zu reduzieren. Die für die Substratbindung verfügbaren Energien hängen primär von der strukturellen Komplementarität ab. Diese Bindungsenergien können relativ groß sein; Enzyme nutzen dieses Potenzial jedoch nicht lediglich zur Bildung stabiler, langlebiger Komplexe mit den Substraten. Vielmehr müssen Enzyme die Bindungsenergie einsetzen, um die freie Energie des Übergangszustands zu senken. Dies wird in der Regel dadurch erreicht, dass die Bindung an den Übergangszustand stärker ist als an die Reaktanten, wodurch eine energetische Spannung in das System eingebracht und günstigere Wechselwirkungen zwischen den katalytischen Gruppen des Enzyms und den Reaktanten ermöglicht werden.

Weitere beitragende Faktoren sind die Bereitstellung eines alternativen Reaktionswegs, die Desolvatisierung reagierender und katalytisch relevanter ionischer Gruppen sowie die Induktion von Spannung in den Reaktanten, wodurch mehr Bindungsenergie für den Übergangszustand verfügbar wird. Die Spezifität wird durch das Fehlen unlösungsmittelgeschirmter oder ungepaarter Ladungen, minimale sterische Abstoßung und das Vorhandensein ausreichender Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt.

Nähe und Orientierung

Enzym-Substrat-Interaktionen können reaktive chemische Gruppen ausrichten und in optimaler Geometrie räumlich zusammenführen, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird. Die Entropie der Reaktanten wird reduziert, was Additions- oder Transferreaktionen weniger ungünstig macht, da die Integration zweier Reaktanten in ein einzelnes Produkt die Abnahme der Gesamtentropie verringern kann. Dieser Effekt von Nähe und Orientierung entspricht einer effektiven Erhöhung der Reagenzienkonzentration und verleiht der Reaktion einen intramolekularen Charakter mit einer erheblichen Steigerung der Reaktionsrate.

Bindungsspannung

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 Bindungen des Substrats in eine Position zwingen können, die der Konformation des Übergangszustands näherkommt, wodurch die Energiedifferenz zwischen Substrat und Übergangszustand verringert wird. Dies begünstigt die Katalyse der Reaktion. Der Spannungseffekt ist jedoch tatsächlich ein Effekt der Destabilisierung des Grundzustands und nicht der Stabilisierung des Übergangszustands. Enzyme sind sehr flexibel, sodass sie keinen großen Spannungseffekt ausnutzen können. Neben Bindungsspannung im Substrat kann Bindungsspannung auch innerhalb des Enzyms selbst auftreten, um Reste im aktiven Zentrum zu aktivieren.

Säure-Base-Katalyse

Bei der Säure-Base-Katalyse wird ein Proton auf ein anderes Molekül übertragen oder von diesem aufgenommen, um sich entwickelnde Ladungen im Übergangszustand zu stabilisieren. Dies aktiviert nukleophile und elektrophile Gruppen oder stabilisiert Abgangsgruppen. Histidin ist häufig an solchen Säure-Base-Reaktionen beteiligt, da sein pKa-Wert nahe dem neutralen pH liegt und es daher sowohl Protonen aufnehmen als auch abgeben kann. Der pKa-Wert kann sowohl durch die lokale Umgebung des jeweiligen Restes als auch durch das umgebende Milieu beeinflusst werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Katalyseform wird durch die Konzentration des Protonenträgers bestimmt; bei der spezifischen Säure-Base-Katalyse ist die Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig von der Katalysatorkonzentration.

Kovalente Katalyse

Kovalente Katalyse bezeichnet die Bildung einer transienten kovalenten Bindung des Substrats mit einem Kofaktor oder mit Resten im aktiven Zentrum des Enzyms. Dadurch entsteht ein zusätzliches kovalentes Zwischenprodukt, das zur Verringerung der Energie späterer Übergangszustände der Reaktion beiträgt. In einem späteren Reaktionsschritt wird die kovalente Bindung wieder gespalten, um das Enzym freizusetzen. Dieser Mechanismus wird von der katalytischen Triade von Enzymen wie Chymotrypsin und Trypsin genutzt und führt zu einem Acyl-Enzym-Zwischenprodukt. Ein alternativer Mechanismus ist bei der Aldolase in der Glykolyse zu beobachten, bei der unter Verwendung der freien Aminogruppe eines Lysinrests eine Schiff-Base gebildet wird.

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