Kovalente Katalyse ist eine der vier Strategien, die ein Enzym zur Katalyse einer spezifischen Reaktion einsetzt. Sie beinhaltet die Bildung einer vorübergehenden kovalenten Bindung zwischen einem Substrat und einer Aminosäurerest im aktiven Zentrum des Enzyms oder mit einem Kofaktor. Bei der kovalenten Katalyse wird ein zusätzliches kovalentes Zwischenprodukt in die Reaktion eingebracht, das hilft, die Energie der Übergangszustände in den späteren Stadien der Reaktion zu senken. Die häufigsten kovalenten Bindungen entstehen durch den Angriff einer nukleophilen Gruppe des Enzyms auf eine elektrophile Gruppe des Substrats, das am aktiven Zentrum gebunden ist.

Mechanismus

Bei 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, meist einen nukleophilen oder elektrophilen Rest, der mit dem Substrat durch einen nukleophilen oder elektrophilen Angriff reagiert. Die nukleophilen Gruppen können entweder RCOO-, RNH, ROH sein, die sich an den Seitenketten von Aminosäureresten befinden, 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-Enzym-Komplexe 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 Elektronensenken wirken. 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 daher von der echten Katalyse. Ein echter Vorschlag für eine kovalente Katalyse würde beispielsweise eine partielle kovalente Bindung zum Übergangszustand durch eine Enzymgruppe erfordern, und solche Effekte tragen nicht wesentlich zur Katalyse bei.

Kovalente Zwischenprodukte, gebildet durch Substrate und Kofaktoren

Einige Enzyme nutzen nicht-aminosäurehaltige Kofaktoren wie Pyridoxalphosphat (PLP) oder Thiaminpyrophosphat (TPP), um kovalente Zwischenprodukte mit Reaktanten zu bilden. Solche kovalenten Zwischenprodukte dienen dazu, die Energie späterer Übergangszustände zu senken, ähnlich wie kovalente Zwischenprodukte, die mit Aminosäureresten im aktiven Zentrum gebildet werden, eine Stabilisierung ermöglichen. Die Fähigkeiten der Kofaktoren erlauben es den Enzymen jedoch, Reaktionen durchzuführen, die allein durch Aminosäureseitenreste nicht möglich wären. Zu den Enzymen, die solche Kofaktoren nutzen, gehören das PLP-abhängige Enzym Aspartat-Transaminase und das TPP-abhängige Enzym Pyruvat-Dehydrogenase.

Katalytische Triade von Enzymen

In einem späteren Stadium 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, beispielsweise 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 an große aromatische oder unpolare Reste angrenzen. Es spaltet die Peptidbindung auf der Carboxylterminus-Seite des Proteins. Das Chymotrypsin besitzt drei Hauptkatalysereste, die als katalytische Triade bezeichnet werden. Diese sind His57, Asp102 und Ser195. Der Nukleophil ist die Hydroxylgruppe des Serins. Nach der Deprotonierung wird der Serinrest aufgrund seines Alkoxids zu einem starken Nukleophil, das den relativ reaktionsträgen Kohlenstoff des Carbonyls im Protein angreift.

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