Aktives Zentrum (Schlüssel-Schloß-Modell)

Jedes Enzym ist offensichtlich
einzigartig in seiner Spezifität. Dieses Merkmal läßt
sich aus der Tatsache ableiten, daß Enzyme Proteine sind, denn jedes
Enzym hat eine typische Primärstruktur (Aminosäuresequenz)
und deshalb auch eine einzigartige Konformation.

Wie ist denn nun der genaue molekulare
Wirkungsmechanismus
der enzymatischen Katalyse?

Aussage: er wird durch die Primärstruktur
und Konformation ermöglicht!

Betrachten wir einmal ganz genau die äußere
Form
der bisher gezeigten Enzyme.

Hier eine Auswahl von 4 Enzymen. Man sieht je nach
räumlicher Position typische Vertiefungen (
rot
mit Pfeil gekennzeichnet
).


carbox2

ribona

Chyma
Carboxypeptidase ARibonukleaseChymotrypsin

azent3

Erinnern wir uns nochmal, wie eine enzymatische Katalyse
abläuft:

Das Enzym beschleunigt die Gleichgewichtseinstellung
der Reaktion
und erniedrigt die zur Reaktion des Substrats notwendige
Aktivierungsenergie
.

Dazu muß es Kontakt mit
dem Substrat aufnehmen. Man hat es geschafft Enzyme genau in dem Moment
des Kontaktes mit ihrem Substrat zu kristallisieren und zu röntgen.
In den
Abb. 23 – 25
sind die Computermodelle verschiedenener Enzyme abgebildet , die diesen
Moment zeigen.

Substrat und eventuelle Kofaktoren
liegen umrahmt von bestimmten Aminosäureresten im Inneren der Vertiefung
des Enzyms.

Das ist typisch für alle Enzyme.
Offensichtlich geschieht hier der eigentliche katalytische Vorgang. Man
nennt die Zusammenlagerung von Enzym und Substrat im Augenblick der Katalyse:


Enzym-Substrat-Komplex.

Die Position im Enzym, an der sich das Substrat anlagert
nennt man


aktive
Stelle
oder
aktives Zentrum
oder
katalytisches
Zentrum
.

Wenn der katalytische Vorgang vorbei ist, lösen
sich die Produkte vom Enzym
. Man kann den Gesamtvorgang also wie folgt
darstellen:

esk3

In die Vertiefung passen tatsächlich nur Stoffe
mit einer bestimmten Größe und räumlicher Struktur. So
erklärt sich die Substratspezifität.

Was passiert nun in diesen Vertiefungen mit dem
Substrat? Betrachten wir uns dazu die aktive Stelle der
Carboxypeptidase
genauer. Dort finden wir ein
Zinkion,
das durch 3 Aminosäurereste gehalten wird: His 196, His 69 und Glu
72. Glu 72 bedeutet Glutaminsäure in Position 72 vom Aminoende her.

 

 

 

 

 


Abb. 22

Aktive Stelle

Ureasea
Urease

 

 


Abb. 23

Carboxypeptidase mit Substrat
cpep4

 


Abb. 24

Amylase mit Substrat

amylas4 

 

 


Abb. 25

Aktive Stelle mit Substrat
adipobp

Abb. 26

Carboxypeptidase mit aktiver Stelle
cpepa4

cpact3

 

Das aktive Zentrum ist herausvergrößert
mit dem Substrat (Gly-Tyr) und den Aminosäureresten der Polypeptidkette,
die dem Substrat benachbart sind (Arg 145, Tyr 248, Glu 270).
Kurz zur Erinnerung nochmal die Struktur der beteiligten Aminosäuren
Arg, Tyr, Glu:


arg2

glu2

tyr1

Alle 3 im aktiven Zentrum befindlichen Reste besitzen
polarisierte Gruppen, die in der Lage sind
H-Brücken zu bilden. Das Substrat lagert sich so ein, daß es
über H-Brücken zu den genannten Resten festgehalten wird, wobei
Zn++ hilft und die doppelte Einwirkung von Tyr und Arg auf
die Peptidbindung erniedrigt die zur Spaltung notwendige Aktivierungsernergie;
das Peptid wird hydrolysiert. (H2O wird hier nicht gezeigt)

Aktive Zentren bestehen also aus bestimmten
polaren Resten!

Die katalytische Wirkung beruht also auf der gleichzeitigen
Einwirkung verschiedener polarer Gruppen auf eine Bindung, Atom oder Atomgruppe.
Kofaktoren helfen bei dieser Destabilisierung
des Substrats.

Um einen dreidimensionalen Eindruck des bisher Erläuterten
zu erhalten, sollte man unbedingt mit der Software MAGE der
Protein Society USA
arbeiten. Man erhält einen hervorragenden
Eindruck über die aktiven Stellen verschiedener Enzyme.

Index der vorhandenen Proteine:
http://www.faseb.org/protein/kinemages/KinemageIndex.html

Ansonsten steht auch dort, wie man sich die Software
samt Proteinmoleküle herunterlädt.

Informationen zu MAGE und KINEMAGE zum herunterladen:
http://www.faseb.org/protein/ProTeach/ProTeach1/index.html
und
http://www.faseb.org/protein/ProTeach/ProTeach2/index.html
und
http://www.prosci.org/Kinemage/MageInstall.html

Ein MUSS für den Durchblick!!!!

Wen z. B. der Mechanismus der H2O2-Oxidation
durch Katalase interessiert siehe unten bei weiterführende Quellen.

Auch die Wirkungsspezifität läßt sich
nun erklären. Je nach Rest im aktiven Zentrum
wird eine spezielle Wirkung auf das Substrat ausgeübt.

Da dies bei fast allen Enzymen so funktioniert, faßt
man diese Erkenntnisse in einem Modell der Enzymwirkung zusammen: dem
Schloß-Schlüssel-Modell!

Ein enzymatisch katalysierter Vorgang kann also wie folgt
modellhaft dargestellt werden:


ssm1

Nicht zu vergessen ist, daß Enzyme je nach Bedingungen
auch die Umkehrreaktion katalysieren können.

 


Abb. 27

Aminosäuren der aktiven Stelle der Carboxypeptidase

 

 

 

 

 

 


Abb. 28

Pilz Peroxidase
perox3
Aktives Zentrum mit Häm und Substrat

 

 

 


Abb. 29

Carboanhydrase
canhy3
Aktive Stelle mit Zn2+ und Inhibitor HCN

 

 

 


Abb. 30

Trypsin aktive Stelle
atryps3

Abb. 31

Subtilisin mit aktiver Stelle
sub34
Weiterführende
Quellen:
Katalase; Aktive Stelle: http://www.seps.org/cvoracle/faq/catalase.html
Katalase; Mechanismus:
http://www.clunet.edu/BioDev/omm/catalase/frames/cattx.htm

Chymotrypsin; Mechanismus:
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/course/section12/serprot3.html

Acetylcholinesterase:
http://www.gwdg.de/~mmuelle4/ache.html

Aspartat-Protease-Mechanismus:
http://cti.itc.virginia.edu/~cmg/Demo/mechanism/mech.html

Suche nach Enzymen:
http://life.nthu.edu.tw/~g854239/ExPASy/5cofactor.htm
oder http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/search.html

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