Die Substratbindung hat zusätzliche Effekte, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, wobei Nähe und Orientierung den offensichtlichsten Anstieg bewirken. Es gibt zwei Merkmale der Enzym-Substrat-Bindung: Das erste ist, dass die Bindung Substrate und die reaktiven Gruppen am aktiven Zentrum des Enzyms zusammenbringt. Das zweite ist, dass das aktive Zentrum des Enzyms äußerst spezifisch für die Substrate ist, wodurch die Reaktion so effizient wie möglich abläuft. Nähe und Orientierung in Enzym-Substrat-Interaktionen können die reaktiven chemischen Gruppen ausrichten und sie in eine optimale Orientierung mit der richtigen räumlichen Beziehung bringen, damit eine Reaktion stattfinden kann. Sobald die Substrate auf diese Weise fixiert sind, verhält sich die enzymatische Reaktion kinetisch wie ein intramolekularer Prozess. Es wurde vorgeschlagen, dass Moleküle maximal reaktiv sind, wenn ihre Orbitale so ausgerichtet sind, dass die elektronische Energie des Übergangszustands minimiert wird. Je weniger unproduktive Ausrichtungen zweier Gruppen es gibt, desto schneller reagieren sie.

Geschwindigkeitssteigerung durch Nähe- & Orientierungseffekt

Näheeffekte beschreiben die Orientierung und Bewegung der Substratmoleküle beim Binden an die aktiven Zentren von Enzymen und lassen sich am besten durch den Vergleich äquivalenter inter- und intramolekularer Reaktionen beobachten. 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. Intramolekulare Reaktionen zwischen Gruppen, die in einem einzigen Molekül miteinander verbunden sind, verlaufen schneller als die entsprechenden intermolekularen Reaktionen zwischen zwei unabhängigen Molekülen. Die Unterschiede in den Geschwindigkeiten betragen 3-4 Größenordnungen (intramolekular > intermolekular). Dies ist hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den Entropieänderungen zurückzuführen, die inter- und intramolekulare Reaktionen begleiten. Die Entropie der Reaktanten wird bei der intramolekularen Reaktion reduziert, was hauptsächlich während des Vorbereitungsprozesses geschieht und Additions- oder Transferreaktionen weniger ungünstig macht, da die Integration von zwei Reaktanten zu einem einzigen Produkt die Verringerung der Gesamtentropie reduzieren kann. Der Entropieverlust, der bei der Bildung des Übergangszustands auftritt, wurde auf einen früheren Schritt, nämlich die Bindung der Substrate zur Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes, verlagert. Bei der intermolekularen Reaktion hingegen ist die Produktbildung mit einem wesentlich größeren Verlust an translatorischer und rotatorischer Entropie verbunden.

Abbildung 1. Näheeffekte und Orientierungseffekte auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

Anforderungen an die Katalyse

Es wurde festgestellt, dass eine enge Nähe zwischen einem Substrat und dem aktiven Zentrum eines Enzyms nicht bedeutet, dass eine katalytische Reaktion stattfinden wird. Das Enzym muss das Substrat in einer bestimmten Orientierung in das aktive Zentrum führen oder lenken, damit die Reaktion tatsächlich ablaufen kann; dies wird als Orientierung bezeichnet. Im Laufe der Zeit hat sich die Orientierung weiterentwickelt und ist effizienter und bedeutender geworden, obwohl sie schwer zu quantifizieren ist. Weitere Voraussetzungen für das Zustandekommen einer solchen Reaktion sind Änderungen in der Solvatation und im elektronischen Überlapp sowie das Überwinden von Van-der-Waals-Kräften. Orientierungseffekte und die Induktion von Spannung sind erforderlich, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Abbildung 2. Nähe- & Orientierungseffekte auf die HIV-Protease.

Referenz

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1. Page M I, Jencks W P. Entropische Beiträge zu Geschwindigkeitsbeschleunigungen bei enzymatischen und intramolekularen Reaktionen sowie dem Chelat-Effekt. Proc Nat Acad Sci, 1971, 68 (8): 1678-1683.