Die Substratbindung hat zusätzliche Effekte, die die Reaktionsraten erhöhen, wobei Nähe und Orientierung den offensichtlichsten Anstieg bewirken. Es gibt zwei Merkmale der Enzym-Substrat-Bindung, wobei das erste darin besteht, dass die Bindung Substrate und die reaktiven Gruppen auf der aktiven Stelle des Enzyms zusammenbringt. Das zweite ist, dass die aktive Stelle im Enzym extrem spezifisch für die Substrate ist, wodurch die Reaktion so effizient wie möglich wird. Nähe und Orientierung in Enzym-Substrat-Interaktionen können die reaktiven chemischen Gruppen ausrichten und sie in einer optimalen Orientierung mit der richtigen räumlichen Beziehung zusammenbringen, 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 ausgerichtet sind, sodass die elektronische Energie des Übergangszustands minimiert wird. Je weniger unproduktive Möglichkeiten zwei Gruppen orientiert sind, desto schneller werden sie reagieren.

Ratensteigerung durch Nähe- & Orientierungseffekt

Die Näheeffekte beschreiben die Orientierung und Bewegung der Substratmoleküle, wenn sie an die aktiven Stellen des Enzyms binden, und sind am besten zu beobachten, indem man äquivalente inter- und intramolekulare Reaktionen vergleicht. 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 Ratensteigerung. Intramolekulare Reaktionen zwischen Gruppen, die in einem einzigen Molekül miteinander verbunden sind, sind schneller als die entsprechenden intermolekularen Reaktionen zwischen zwei unabhängigen Molekülen. Der Unterschied in den Raten beträgt 3-4 Größenordnungen (intramolekular > intermolekular). Dies ist hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den Entropieänderungen zurückzuführen, die mit inter- und intramolekularen Reaktionen einhergehen. Die Entropie der Reaktanten wird in der intramolekularen Reaktion reduziert, die hauptsächlich während ihres Vorbereitungsprozesses auftritt und Addition oder Transferreaktionen weniger ungünstig macht, da die Integration von zwei Reaktanten in ein einzelnes Produkt die Verringerung der Gesamtentropie verringern könnte. Der Entropieverlust, der mit der Bildung des Übergangszustands verbunden ist, wurde auf einen früheren Schritt verschoben, die Bindung der Substrate zur Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes. Bei der intermolekularen Reaktion hingegen beinhaltet die Produktbildung einen viel größeren Verlust an translationaler und rotationaler Entropie.

Abbildung 1. Näheeffekte und Orientierungseffekte auf Reaktionsraten.

Anforderungen an die Katalyse

Es wurde festgestellt, dass eine enge Nähe zwischen einem Substrat und einer aktiven Stelle des Enzyms nicht bedeutet, dass eine Katalysereaktion stattfinden wird. Das Enzym muss das Substrat in einer spezifischen Orientierung in die aktive Stelle führen oder lenken, damit die Reaktion tatsächlich stattfindet, was als Orientierung bezeichnet wird. Mit der vergehenden Zeit hat sich die Orientierung entwickelt und ist effizienter und bedeutender geworden, obwohl sie schwer zu quantifizieren ist. Weitere Anforderungen für das Stattfinden einer solchen Reaktion sind Änderungen in der Solvatisierung und elektronischen Überlappung sowie das Überwinden der Van-der-Waals-Kräfte. Orientierungseffekte und die Induktion von Spannung sind erforderlich, um diese Anforderungen zu erfüllen.

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

Referenz

Verwandte Dienstleistungen

Enzymologische Tests
Screening von Substraten, Inhibitoren und anderen Liganden
Biokatalyse-Dienstleistungen

Wir sind bereit, mit Ihnen an unseren Enzymdiensten zusammenzuarbeiten. Bitte zögern Sie nicht, uns für detaillierte Informationen zu kontaktieren.

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.