Enzymkatalyse

Diese Konformationsänderungen bringen auch die katalytischen Reste im aktiven Zentrum in die Nähe der chemischen Bindungen im Substrat, die bei der Reaktion verändert werden. Nach der Bindung wird durch einen oder mehrere Katalysemechanismen die Energie des Übergangszustands der Reaktion gesenkt, indem ein alternativer chemischer Weg für die Reaktion geschaffen wird. Es gibt sechs mögliche Mechanismen der „Over the Barrier“-Katalyse sowie einen „Through the Barrier“-Mechanismus:

Nähe und OrientierungBearbeiten

Enzym-Substrat-Wechselwirkungen richten die reaktiven chemischen Gruppen aus und halten sie in einer optimalen Geometrie nahe beieinander, was die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Dies verringert die Entropie der Reaktanten und macht somit Additions- oder Transferreaktionen weniger ungünstig, da die Gesamtentropie sinkt, wenn zwei Reaktanten zu einem einzigen Produkt werden. Dies ist jedoch ein allgemeiner Effekt, der auch bei Nicht-Additions- oder Transferreaktionen auftritt, wo er durch eine Erhöhung der „effektiven Konzentration“ der Reagenzien verursacht wird. Dies wird deutlich, wenn man bedenkt, wie die Erhöhung der Konzentration zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit führt: Wenn die Reaktanten konzentrierter sind, stoßen sie häufiger zusammen und reagieren daher häufiger. Bei der Enzymkatalyse schränkt die Bindung der Reagenzien an das Enzym den Konformationsraum der Reaktanten ein und hält sie in der „richtigen Ausrichtung“ und nahe beieinander, so dass sie häufiger und mit der richtigen Geometrie zusammenstoßen, um die gewünschte Reaktion zu ermöglichen. Die „effektive Konzentration“ ist die Konzentration, die der Reaktant in freier Lösung haben müsste, um die gleiche Kollisionshäufigkeit zu erfahren. Oft sind solche theoretischen effektiven Konzentrationen unphysikalisch und in der Realität unmöglich zu realisieren – was ein Beweis für die große katalytische Kraft vieler Enzyme ist, mit massiven Ratensteigerungen gegenüber dem unkatalysierten Zustand.

Zum Beispiel:

Ähnliche Reaktionen laufen viel schneller ab, wenn die Reaktion intramolekular ist.

Die effektive Acetatkonzentration in der intramolekularen Reaktion kann als k2/k1 = 2 x 105 Molar geschätzt werden.

Die Situation könnte jedoch komplexer sein, da moderne Berechnungsstudien festgestellt haben, dass die traditionellen Beispiele von Proximitätseffekten nicht direkt mit den entropischen Effekten von Enzymen in Verbindung gebracht werden können. Außerdem hat sich gezeigt, dass der ursprüngliche entropische Vorschlag den Beitrag der Orientierungsentropie zur Katalyse weitgehend überschätzt.

Protonendonatoren oder -akzeptorenBearbeiten

Protonendonatoren und -akzeptoren, d.h. Säuren und Basen können Protonen spenden und akzeptieren, um entstehende Ladungen im Übergangszustand zu stabilisieren. Dies steht im Zusammenhang mit dem allgemeinen Prinzip der Katalyse, nämlich der Verringerung von Energiebarrieren, da es sich bei den Übergangszuständen im Allgemeinen um Zustände mit hoher Energie handelt, die durch die Stabilisierung dieser Zustände verringert werden, wodurch die Barriere gesenkt wird. Ein wesentliches Merkmal der Enzymkatalyse gegenüber vielen nicht-biologischen Katalysen besteht darin, dass in ein und derselben Reaktion sowohl Säure- als auch Basenkatalyse kombiniert werden können. In vielen abiotischen Systemen können Säuren (große) oder Basen (H+-Senken in großen Konzentrationen oder Spezies mit Elektronenpaaren) die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen; aber natürlich kann die Umwelt nur einen Gesamt-pH-Wert (Maß für den Säuregrad oder Basizität (Alkalinität)) haben. Da Enzyme jedoch große Moleküle sind, können sie sowohl saure als auch basische Gruppen in ihrem aktiven Zentrum positionieren, um mit ihren Substraten in Wechselwirkung zu treten, und beide Modi unabhängig vom Gesamt-pH-Wert einsetzen.

Oft wird die allgemeine Säure- oder Basenkatalyse eingesetzt, um nukleophile und/oder elektrophile Gruppen zu aktivieren oder um Abgangsgruppen zu stabilisieren. Viele Aminosäuren mit sauren oder basischen Gruppen werden im aktiven Zentrum eingesetzt, wie Glutamin- und Asparaginsäure, Histidin, Cystin, Tyrosin, Lysin und Arginin sowie Serin und Threonin. Darüber hinaus wird häufig das Peptidgerüst mit Carbonyl- und Amid-N-Gruppen verwendet. Cystin und Histidin sind sehr häufig beteiligt, da sie beide einen pKa nahe dem neutralen pH-Wert haben und daher sowohl Protonen aufnehmen als auch abgeben können.

Viele Reaktionsmechanismen, die eine Säure/Base-Katalyse beinhalten, gehen von einem erheblich veränderten pKa aus. Diese Veränderung von pKa ist durch die lokale Umgebung des Restes möglich.

Bedingungen	Säuren	Basen
Hydrophobes Milieu	Erhöhung von pKa	Verringerung von pKa
Nachbarte Reste gleicher Ladung	Erhöhung von pKa	Verringerung pKa
Salzbrückenbildung (und Wasserstoffbrücken Bindung)	Verringerung pKa	Erhöhung pKa

pKa kann auch durch die Umgebung erheblich beeinflusst werden, insofern, als Reste, die in Lösung basisch sind, als Protonendonatoren wirken können und umgekehrt.

Zum Beispiel:

Katalytische Triade einer Serinprotease

Der erste Schritt des katalytischen Mechanismus der Serinprotease beinhaltet, dass das Histidin des aktiven Zentrums ein Proton vom Serinrest annimmt. Dadurch wird das Serin als Nukleophil für den Angriff auf die Amidbindung des Substrats vorbereitet. Dieser Mechanismus beinhaltet die Spende eines Protons von Serin (eine Base, pKa 14) an Histidin (eine Säure, pKa 6), die durch die lokale Umgebung der Basen ermöglicht wird.

Es ist wichtig klarzustellen, dass die Änderung der pKa’s ein reiner Teil des elektrostatischen Mechanismus ist. Außerdem ist die katalytische Wirkung des obigen Beispiels hauptsächlich mit der Verringerung des pKa des Oxyanions und der Erhöhung des pKa des Histidins verbunden, während der Protonentransfer vom Serin auf das Histidin nicht wesentlich katalysiert wird, da er nicht die geschwindigkeitsbestimmende Barriere darstellt.

Elektrostatische KatalyseEdit

Die Stabilisierung geladener Übergangszustände kann auch dadurch erfolgen, dass Reste im aktiven Zentrum ionische Bindungen (oder partielle ionische Ladungswechselwirkungen) mit dem Zwischenprodukt bilden. Diese Bindungen können entweder von sauren oder basischen Seitenketten von Aminosäuren wie Lysin, Arginin, Asparaginsäure oder Glutaminsäure oder von metallischen Cofaktoren wie Zink herrühren. Metallionen sind besonders wirksam und können den pKa-Wert von Wasser so weit senken, dass es zu einem wirksamen Nukleophil wird.

Systematische Computersimulationsstudien ergaben, dass elektrostatische Effekte bei weitem den größten Beitrag zur Katalyse leisten. Sie können die Reaktionsgeschwindigkeit um einen Faktor von bis zu 107 erhöhen. Insbesondere wurde festgestellt, dass Enzyme eine Umgebung bieten, die polarer ist als Wasser, und dass die ionischen Übergangszustände durch feste Dipole stabilisiert werden. Dies unterscheidet sich stark von der Stabilisierung der Übergangszustände in Wasser, wo die Wassermoleküle mit „Reorganisationsenergie“ bezahlen müssen. Um ionische und geladene Zustände zu stabilisieren. Die Katalyse hängt also damit zusammen, dass die polaren Gruppen des Enzyms präorganisiert sind

Die Größe des elektrostatischen Feldes, das von der aktiven Stelle eines Enzyms ausgeübt wird, korreliert nachweislich in hohem Maße mit der Erhöhung der katalytischen Rate des Enzyms

Die Bindung von Substrat schließt normalerweise Wasser von der aktiven Stelle aus, wodurch die lokale Dielektrizitätskonstante auf die eines organischen Lösungsmittels gesenkt wird. Dadurch werden die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den geladenen/polaren Substraten und den aktiven Stellen verstärkt. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass die Ladungsverteilungen um die aktiven Stellen so angeordnet sind, dass sie die Übergangszustände der katalysierten Reaktionen stabilisieren. In mehreren Enzymen dienen diese Ladungsverteilungen offenbar dazu, polare Substrate zu ihren Bindungsstellen zu leiten, so dass die Raten dieser enzymatischen Reaktionen größer sind als ihre scheinbaren diffusionskontrollierten Grenzen.

Zum Beispiel:

Katalytischer Mechanismus der Carboxypeptidase

Das tetraedrische Zwischenprodukt wird durch eine partielle ionische Bindung zwischen dem Zn2+-Ion und der negativen Ladung des Sauerstoffs stabilisiert.

Kovalente KatalyseBearbeiten

Bei der kovalenten Katalyse bildet das Substrat eine vorübergehende kovalente Bindung mit Resten im aktiven Zentrum des Enzyms oder mit einem Cofaktor. Dadurch wird der Reaktion ein zusätzliches kovalentes Zwischenprodukt hinzugefügt, das dazu beiträgt, die Energie der späteren Übergangszustände der Reaktion zu verringern. Die kovalente Bindung muss in einem späteren Stadium der Reaktion gebrochen werden, um das Enzym zu regenerieren. Dieser Mechanismus wird von der katalytischen Triade von Enzymen wie Proteasen wie Chymotrypsin und Trypsin genutzt, wo ein Acyl-Enzym-Zwischenprodukt gebildet wird. Ein alternativer Mechanismus ist die Bildung einer Schiff-Base unter Verwendung des freien Amins eines Lysinrests, wie sie beim Enzym Aldolase während der Glykolyse zu beobachten ist.

Einige Enzyme verwenden Cofaktoren, die keine Aminosäuren sind, wie Pyridoxalphosphat (PLP) oder Thiaminpyrophosphat (TPP), um kovalente Zwischenprodukte mit Reaktionsmolekülen zu bilden. Solche kovalenten Zwischenstufen haben die Funktion, die Energie späterer Übergangszustände zu verringern, ähnlich wie kovalente Zwischenstufen, die mit Aminosäureresten im aktiven Zentrum gebildet werden, eine Stabilisierung ermöglichen, aber die Fähigkeiten der Cofaktoren ermöglichen es den Enzymen, Reaktionen durchzuführen, die mit Aminosäureseitenresten allein nicht möglich wären. Zu den Enzymen, die solche Cofaktoren nutzen, gehören das PLP-abhängige Enzym Aspartat-Transaminase und das TPP-abhängige Enzym Pyruvat-Dehydrogenase.

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. Beispielsweise sollte die Energie der kovalenten Bindung an das Serinmolekül in Chymotrypsin mit der wohlbekannten kovalenten Bindung an das Nukleophil in der unkatalysierten Lösungsreaktion verglichen werden. Ein echter Vorschlag für eine kovalente Katalyse (bei der die Barriere niedriger ist als die entsprechende Barriere in Lösung) würde beispielsweise eine partielle kovalente Bindung an den Übergangszustand durch eine Enzymgruppe (z. B. eine sehr starke Wasserstoffbrückenbindung) erfordern, und solche Effekte tragen nicht wesentlich zur Katalyse bei.

MetallionenkatalyseEdit

Ein Metallion im aktiven Zentrum nimmt an der Katalyse teil, indem es die Ladungsstabilisierung und -abschirmung koordiniert. Aufgrund der positiven Ladung eines Metalls können nur negative Ladungen durch Metallionen stabilisiert werden. Bei der biologischen Katalyse sind Metallionen jedoch von Vorteil, da sie nicht durch Änderungen des pH-Werts beeinträchtigt werden. Metallionen können auch Wasser ionisieren, indem sie wie eine Lewis-Säure wirken. Metallionen können auch als Oxidations- und Reduktionsmittel fungieren.

Bond strainEdit

Dies ist der Haupteffekt der induzierten Fit-Bindung, bei der die Affinität des Enzyms zum Übergangszustand größer ist als zum Substrat selbst. Dies führt zu strukturellen Umstrukturierungen, die die Substratbindungen in eine Position bringen, die näher an der Konformation des Übergangszustands liegt, wodurch der Energieunterschied zwischen dem Substrat und dem Übergangszustand verringert und die Katalyse der Reaktion unterstützt wird.

Der Dehnungseffekt ist jedoch in Wirklichkeit ein Grundzustandsdestabilisierungseffekt und kein Übergangszustandsstabilisierungseffekt. Außerdem sind Enzyme sehr flexibel und können keinen großen Dehnungseffekt ausüben.

Zusätzlich zur Bindungsdehnung im Substrat kann die Bindungsdehnung auch innerhalb des Enzyms selbst induziert werden, um Reste im aktiven Zentrum zu aktivieren.

Beispiel:

Substrat, gebundenes Substrat und Übergangszustandskonformationen von Lysozym.

Das Substrat wird bei der Bindung, wird das Substrat bei der Bindung von der halben Stuhlkonformation des Hexoserings (aufgrund der sterischen Hinderung durch die Aminosäuren des Proteins, die das äquatoriale c6 in die axiale Position zwingen) in die Stuhlkonformation verzerrt

Quanten-TunnelingEdit

Diese traditionellen „über die Barriere“-Mechanismen sind in einigen Fällen durch Modelle und Beobachtungen von „durch die Barriere“-Mechanismen (Quanten-Tunneling) in Frage gestellt worden. Einige Enzyme arbeiten mit einer Kinetik, die schneller ist als die, die durch das klassische ΔG‡ vorhergesagt werden würde. In den „Through the Barrier“-Modellen kann ein Proton oder ein Elektron durch Aktivierungsbarrieren tunneln. Quanten-Tunneling für Protonen wurde bei der Tryptamin-Oxidation durch aromatische Amin-Dehydrogenase beobachtet.

Quanten-Tunneling scheint keinen großen katalytischen Vorteil zu bieten, da die Tunnel-Beiträge bei katalysierten und unkatalysierten Reaktionen in Lösung ähnlich sind. Der Beitrag des Tunnelns (der die Geschwindigkeitskonstanten typischerweise um einen Faktor von ~1000 im Vergleich zur Reaktionsgeschwindigkeit bei der klassischen „über die Barriere“-Route erhöht) ist jedoch wahrscheinlich entscheidend für die Lebensfähigkeit von biologischen Organismen. Dies unterstreicht die allgemeine Bedeutung von Tunnelreaktionen in der Biologie.

In den Jahren 1971-1972 wurde das erste quantenmechanische Modell der Enzymkatalyse formuliert.

Aktives EnzymBearbeiten

Die Bindungsenergie des Enzym-Substrat-Komplexes kann nicht als externe Energie betrachtet werden, die für die Substrataktivierung notwendig ist. Das Enzym mit hohem Energiegehalt kann zunächst eine bestimmte energetische Gruppe X1 von der katalytischen Stelle des Enzyms auf die Endstelle des ersten gebundenen Reaktanten übertragen, dann muss eine weitere Gruppe X2 vom zweiten gebundenen Reaktanten (oder von der zweiten Gruppe des einzelnen Reaktanten) auf die aktive Stelle übertragen werden, um die Umwandlung des Substrats in ein Produkt und die Regeneration des Enzyms abzuschließen.

Wir können die gesamte enzymatische Reaktion als zwei Kopplungsreaktionen darstellen:

S 1 + EX 1 ⟶ S 1 EX 1 ⟶ P 1 + EP 2 {\displaystyle {\ce {{S1}+ EX1 -> S1EX1 -> {P1}+ EP2}}

(1)

S 2 + EP 2 ⟶ S 2 EP 2 ⟶ P 2 + EX 2 {\displaystyle {\ce {{S2}+ EP2 -> S2EP2 -> {P2}+ EX2}}

(2)

Aus der Reaktion (1) ist ersichtlich, dass die Gruppe X1 des aktiven Enzyms im Produkt erscheint, da eine Austauschreaktion innerhalb des Enzyms möglich ist, um sowohl elektrostatische Hemmung als auch Abstoßung der Atome zu vermeiden. Wir stellen also das aktive Enzym als einen starken Reaktanten der enzymatischen Reaktion dar. Die Reaktion (2) zeigt eine unvollständige Umwandlung des Substrats, da seine Gruppe X2 im Enzym verbleibt. Dieser Ansatz als Idee wurde früher unter Berufung auf die hypothetischen extrem hohen enzymatischen Umsetzungen (katalytisch perfektes Enzym) vorgeschlagen.

Der entscheidende Punkt für die Überprüfung des vorliegenden Ansatzes ist, dass der Katalysator ein Komplex des Enzyms mit der Transfergruppe der Reaktion sein muss. Dieser chemische Aspekt wird durch die gut untersuchten Mechanismen der verschiedenen enzymatischen Reaktionen unterstützt. Betrachten wir die Reaktion der Peptidbindungshydrolyse, die durch ein reines Protein α-Chymotrypsin (ein Enzym, das ohne einen Cofaktor wirkt) katalysiert wird, das ein gut untersuchtes Mitglied der Familie der Serinproteasen ist, siehe.

Wir stellen die experimentellen Ergebnisse für diese Reaktion als zwei chemische Schritte dar:

S 1 + EH ⟶ P 1 + EP 2 {\displaystyle {\ce {{S1}+ EH -> {P1}+ EP2}}

(3)

EP 2 + H – O – H ⟶ EH + P 2 {\displaystyle {\ce {{EP2}+ {H-O-H}-> {EH}+ P2}}

(4)

wobei S1 ein Polypeptid ist, P1 und P2 sind Produkte. Der erste chemische Schritt (3) umfasst die Bildung eines kovalenten Acyl-Enzym-Zwischenprodukts. Der zweite Schritt (4) ist der Schritt der Deacylierung. Es ist wichtig zu beachten, dass die Gruppe H+, die ursprünglich auf dem Enzym, aber nicht im Wasser vorkommt, im Produkt vor dem Schritt der Hydrolyse erscheint und daher als eine zusätzliche Gruppe der enzymatischen Reaktion betrachtet werden kann.

Die Reaktion (3) zeigt also, dass das Enzym als ein starker Reaktant der Reaktion wirkt. Nach dem vorgeschlagenen Konzept fördert der H-Transport des Enzyms die erste Reaktantenumwandlung, den Abbau der ersten anfänglichen chemischen Bindung (zwischen den Gruppen P1 und P2). Der Schritt der Hydrolyse führt zum Abbau der zweiten chemischen Bindung und zur Regeneration des Enzyms.

Der vorgeschlagene chemische Mechanismus hängt nicht von der Konzentration der Substrate oder Produkte im Medium ab. Eine Verschiebung ihrer Konzentration verursacht jedoch hauptsächlich Änderungen der freien Energie in den ersten und letzten Schritten der Reaktionen (1) und (2) aufgrund der Änderungen des Gehalts an freier Energie jedes Moleküls, ob S oder P, in Wasserlösung.

Dieser Ansatz stimmt mit dem folgenden Mechanismus der Muskelkontraktion überein. Der letzte Schritt der ATP-Hydrolyse im Skelettmuskel ist die Freisetzung des Produkts, das durch die Assoziation der Myosinköpfe mit dem Aktin entsteht. Das Schließen der Aktin-Bindungsspalte während der Assoziationsreaktion ist strukturell mit der Öffnung der Nukleotid-Bindungstasche auf dem aktiven Myosin-Areal gekoppelt.

Die letzten Schritte der ATP-Hydrolyse umfassen die schnelle Freisetzung von Phosphat und die langsame Freisetzung von ADP.Die Freisetzung eines Phosphatanions aus dem gebundenen ADP-Anion in die Wasserlösung kann als exergonische Reaktion betrachtet werden, da das Phosphatanion eine niedrige Molekülmasse hat.

Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass die primäre Freisetzung des anorganischen Phosphats H2PO4- zu einer Umwandlung eines erheblichen Teils der freien Energie der ATP-Hydrolyse in die kinetische Energie des solvatisierten Phosphats führt, wodurch eine aktive Strömung entsteht. Diese Annahme einer lokalen mechano-chemischen Transduktion steht im Einklang mit dem Tirosh’schen Mechanismus der Muskelkontraktion, bei dem die Muskelkraft aus einer integrierten Wirkung der durch ATP-Hydrolyse erzeugten aktiven Strömung resultiert.