Die kovalente Katalyse ist eine von vier Strategien, die Enzyme zur Katalyse spezifischer Reaktionen einsetzen. Sie umfasst die Bildung einer transienten kovalenten Bindung zwischen einem Substrat und einem Aminosäurerest im aktiven Zentrum des Enzyms oder mit einem Kofaktor. Bei der kovalenten Katalyse wird der Reaktion ein zusätzliches kovalentes Zwischenprodukt hinzugefügt, das dazu beiträgt, die Energie der Übergangszustände in späteren Reaktionsphasen zu senken. Die häufigsten kovalenten Bindungen entstehen durch den Angriff einer nukleophilen Gruppe des Enzyms auf eine elektrophile Funktion des im aktiven Zentrum gebundenen Substrats.

Mechanismus

In einer enzymatischen Reaktion liegt kovalente Katalyse vor, wenn das Substrat während der katalytischen Umsetzung vorübergehend kovalent an das Enzym gebunden wird. Dabei enthält das Enzym eine reaktive Gruppe – in der Regel einen nukleophilen oder elektrophilen Rest –, die mit dem Substrat über einen nukleophilen bzw. elektrophilen Angriff reagiert. Nukleophile Gruppen können RCOO-, RNH- oder ROH-Funktionen sein, die in den Seitenketten von Aminosäureresten vorkommen, oder die Stickstoffatome des Imidazolrings von Histidinresten. Elektrophile Substratfunktionen können Acyl-, Phosphoryl- oder Glycosylgruppen sein; entsprechend entstehen kovalente Zwischenprodukte in Form von Acyl‑, Phosphoryl‑ und Glycosyl‑Enzym-Komplexen. Enzymmoleküle sind typischerweise arm an elektrophilen Gruppen; dennoch tritt elektrophile Katalyse bei Enzymen auf, die Metalle oder prosthetische Gruppen enthalten, welche während der Katalyse als Elektronensenken fungieren. Der Ladungsverlust im Übergangszustand beschleunigt anschließend die Hydrolyse.

Abbildung 1. Mechanismus der kovalenten Katalyse.

Anstatt die Aktivierungsenergie eines Reaktionswegs zu senken, stellt die kovalente Katalyse einen alternativen Reaktionsweg (über das kovalente Zwischenprodukt) bereit und unterscheidet sich damit von einer „echten“ Katalyse. Ein belastbarer Nachweis kovalenter Katalyse würde beispielsweise eine partielle kovalente Bindung eines Enzymrests an den Übergangszustand erfordern; derartige Effekte tragen jedoch nicht wesentlich zur Katalyse bei.

Kovalente Zwischenprodukte aus Substraten und Kofaktoren

Einige Enzyme nutzen nicht aus Aminosäuren bestehende Kofaktoren wie Pyridoxalphosphat (PLP) oder Thiaminpyrophosphat (TPP), um mit Reaktanten kovalente Zwischenprodukte zu bilden. Diese kovalenten Zwischenprodukte senken die Energie späterer Übergangszustände – ähnlich wie kovalente Zwischenprodukte, die mit Aminosäureresten im aktiven Zentrum gebildet werden und zur Stabilisierung beitragen. Aufgrund ihrer spezifischen chemischen Eigenschaften ermöglichen Kofaktoren Enzymen jedoch Reaktionen, die allein durch Aminosäureseitenketten nicht realisierbar wären. Zu den Enzymen, die solche Kofaktoren verwenden, zählen das PLP-abhängige Enzym Aspartat-Transaminase sowie das TPP-abhängige Enzym Pyruvat-Dehydrogenase.

Katalytische Triade von Enzymen

In einer späteren Phase der kovalenten Katalyse muss die kovalente Bindung wieder gespalten werden, um das Enzym zu regenerieren. Dieser Mechanismus wird von Enzymen mit katalytischer Triade genutzt, beispielsweise von Proteasen wie Chymotrypsin und Trypsin, bei denen ein Acyl‑Enzym‑Zwischenprodukt gebildet wird. Chymotrypsin ist eine abbauende Protease des Verdauungssystems. Es katalysiert die Spaltung von Peptidbindungen, die an große aromatische oder unpolare Reste angrenzen. Es spaltet die Peptidbindung auf der Carboxylterminal-Seite des Proteins. Chymotrypsin besitzt drei zentrale katalytische Reste, die als katalytische Triade bezeichnet werden: His57, Asp102 und Ser195. Das Nukleophil ist die Hydroxylgruppe des Serins. Nach der Deprotonierung wird der Serinrest aufgrund seines Alkoxids zu einem starken Nukleophil, das das relativ wenig reaktive Carbonylkohlenstoffatom im Protein angreift.

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