Die Substratbindung hat zusätzliche Effekte, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen; der offensichtlichste Zugewinn ergibt sich aus Nähe (Proximity) und Orientierung. Die Enzym-Substrat-Bindung weist zwei wesentliche Merkmale auf: Erstens führt die Bindung die Substrate und die reaktiven Gruppen im aktiven Zentrum des Enzyms zusammen. Zweitens ist das aktive Zentrum hinsichtlich der Substrate hochspezifisch, wodurch die Reaktion so effizient wie möglich abläuft. Nähe und Orientierung in Enzym-Substrat-Interaktionen können die reaktiven chemischen Gruppen ausrichten und in einer optimalen Orientierung mit der richtigen räumlichen Beziehung zusammenführen, 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 Orientierungen zwei Gruppen einnehmen können, desto schneller reagieren sie.

Geschwindigkeitssteigerung durch Nähe- und Orientierungseffekt

Näheeffekte beschreiben die Orientierung und Bewegung der Substratmoleküle bei der Bindung an die aktiven Zentren von Enzymen und lassen sich am einfachsten durch den Vergleich äquivalenter inter- und intramolekularer Reaktionen beobachten. Dieser Nähe- und Orientierungseffekt ist analog zu einer effektiven Erhöhung der Reagenzienkonzentration und verleiht der Reaktion einen intramolekularen Charakter mit einer massiven Geschwindigkeitssteigerung. Intramolekulare Reaktionen zwischen Gruppen, die innerhalb eines einzelnen Moleküls miteinander verknüpft sind, verlaufen schneller als die entsprechenden intermolekularen Reaktionen zwischen zwei unabhängigen Molekülen. Die Geschwindigkeitsunterschiede betragen 3–4 Größenordnungen (intramolekular > intermolekular). Dies ist überwiegend auf Unterschiede in den Entropieänderungen zurückzuführen, die inter- bzw. intramolekulare Reaktionen begleiten. Die Entropie der Edukte ist bei intramolekularen Reaktionen reduziert; dies erfolgt im Wesentlichen bereits während des Vorbereitungsprozesses und macht Additions- oder Transferreaktionen weniger ungünstig, da die Integration zweier Edukte in ein einzelnes Produkt die Abnahme der Gesamtentropie verringern kann. Die mit der Bildung des Übergangszustands verbundene Entropieabnahme wurde auf einen früheren Schritt verlagert, nämlich die Bindung der Substrate zur Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes. Bei intermolekularen Reaktionen ist die Produktbildung hingegen mit einem deutlich größeren Verlust an translatorischer und rotatorischer Entropie verbunden.

Abbildung 1. Näheeffekte und Orientierungseffekte auf Reaktionsgeschwindigkeiten.

Anforderungen an die Katalyse

Es wurde festgestellt, dass eine enge räumliche Nähe zwischen einem Substrat und dem aktiven Zentrum eines Enzyms nicht zwangsläufig bedeutet, dass eine katalytische Reaktion stattfindet. Das Enzym muss das Substrat in einer spezifischen Orientierung in das aktive Zentrum führen bzw. lenken, damit die Reaktion tatsächlich ablaufen kann; dies wird als Orientierung bezeichnet. Im Laufe der Zeit hat sich die Orientierung weiterentwickelt und ist effizienter sowie bedeutsamer geworden, wenngleich sie schwer zu quantifizieren ist. Weitere Voraussetzungen für das Zustandekommen einer solchen Reaktion sind Änderungen der Solvatation und der elektronischen Überlappung sowie die Überwindung von Van-der-Waals-Kräften. Orientierungseffekte und die Induktion von Spannung (strain) sind erforderlich, um diese Voraussetzungen zu erfüllen.

Abbildung 2. Nähe- und Orientierungseffekte bei der HIV-Protease.

Referenz

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1. Page M I, Jencks W P. Entropic contributions to rate accelerations in enzymic and intramolecular reactions and the chelate effect. Proc Nat Acad Sci, 1971, 68 (8): 1678-1683.