Kovalente Katalyse ist eine der vier Strategien, die ein Enzym verwendet, um eine spezifische Reaktion zu katalysieren, bei der eine transiente kovalente Bindung zwischen einem Substrat und einem Rest im aktiven Zentrum des Enzyms oder mit einem Cofaktor gebildet wird. Bei der kovalenten Katalyse wird ein zusätzliches kovalentes Zwischenprodukt in die Reaktion eingeführt, das hilft, die Energie der Übergangszustände in den späteren Phasen der Reaktion zu reduzieren. Die häufigsten kovalenten Bindungen entstehen durch den Angriff einer nucleophilen Gruppe des Enzyms auf eine elektrophile Gruppe des Substrats, das am aktiven Zentrum gebunden ist.

Mechanismus

In einer enzymatischen Reaktion tritt kovalente Katalyse auf, wenn das Substrat während der katalytischen Reaktion vorübergehend kovalent an das Enzym gebunden wird. In dieser Reaktion enthält das Enzym eine reaktive Gruppe, normalerweise einen nucleophilen Rest oder einen elektrophilen Rest, der mit dem Substrat durch einen nucleophilen oder elektrophilen Angriff reagiert. Die nucleophilen Gruppen können entweder RCOO-, RNH, ROH sein, die an den Seitenketten der Aminosäurereste vorhanden sind, oder die Stickstoffatome des Imidazolrings von Histidinresten. Die elektrophilen Gruppen der Substrate können Acyl-, Phosphoryl- oder Glycosylgruppen sein, sodass die kovalenten Zwischenprodukte Acyl-, Phosphoryl- und Glycosyl-Enzymkomplexe wären. Enzymmoleküle sind arm an elektrophilen Gruppen, aber elektrophile Katalyse tritt bei jenen Enzymen auf, die Metalle oder prosthetische Gruppen enthalten, die während der Katalyse als Elektronenspeicher fungieren. Der Ladungsverlust in der Reaktion während des Übergangszustands beschleunigt dann die Hydrolyse.

Abbildung 1. Mechanismus der kovalenten Katalyse.

Anstatt die Aktivierungsenergie für einen Reaktionsweg zu senken, bietet die kovalente Katalyse einen alternativen Weg für die Reaktion (über das kovalente Zwischenprodukt) und unterscheidet sich somit von der echten Katalyse. Ein wahrer Vorschlag für eine kovalente Katalyse würde beispielsweise eine partielle kovalente Bindung an den Übergangszustand durch eine Enzymgruppe erfordern, und solche Effekte tragen nicht signifikant zur Katalyse bei.

Kovalente Zwischenprodukte, die von Substraten und Cofaktoren gebildet werden

Einige Enzyme nutzen nicht-amino-säure Cofaktoren wie Pyridoxalphosphat (PLP) oder Thiaminpyrophosphat (TPP), um kovalente Zwischenprodukte mit Reaktantenmolekülen zu bilden. Solche kovalenten Zwischenprodukte dienen dazu, die Energie späterer Übergangszustände zu reduzieren, ähnlich wie kovalente Zwischenprodukte, die mit aktiven Aminosäureresten gebildet werden, Stabilisierung ermöglichen, aber die Fähigkeiten der Cofaktoren erlauben es Enzymen, Reaktionen durchzuführen, die allein durch die Seitenreste der Aminosäuren nicht möglich wären. Enzyme, die solche Cofaktoren nutzen, sind das PLP-abhängige Enzym Aspartat-Transaminase und das TPP-abhängige Enzym Pyruvatdehydrogenase.

Katalytische Triade der Enzyme

In einer späteren Phase der kovalenten Katalyse muss die kovalente Bindung gebrochen werden, um das Enzym zu regenerieren. Dieser Mechanismus wird von der katalytischen Triade von Enzymen wie Proteasen wie Chymotrypsin und Trypsin genutzt, bei denen ein Acyl-Enzym-Zwischenprodukt gebildet wird. Chymotrypsin ist eine abbauende Protease des Verdauungssystems. Es katalysiert die Spaltung von Peptidbindungen, die benachbart zu großen aromatischen oder unpolaren Resten sind. Es spaltet die Peptidbindung auf der Carboxylterminus-Seite des Proteins. Das Chymotrypsin hat drei Hauptkatalyse-Reste, die als katalytische Triade bezeichnet werden. Diese sind His57, Asp102 und Ser195. Das Nucleophil ist die Hydroxylgruppe des Serins. Nach der Deprotonierung wird der Serinrest zu einem starken Nucleophil aufgrund seines Alkoxids, das das relativ reaktive Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe im Protein angreifen wird.

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