Feinmechanismen der Enzymreaktionen
Viele Reaktionen der organischen Chemie erfordern eine starke Polarisierung des
Reaktionsorts durch Protonen sowie kräftiges Kochen zur Aktivierung, wenn man sie
im Reagenzglas ("in vitro") durchführt. Beispiele sind die
Esterspaltung
oder die Hydrolyse von Proteinen.
Das alles ist nicht nötig in Anwesenheit eines Enzyms.
Enzyme wirken letztlich wie heterogene Katalysatoren. Auch hier gibt es vor der
Reaktion eine Anlagerung des Substrats mit einer mehr oder weniger festen Bindung.
Meist handelt es sich dabei um Ionen-, Wasserstoffbrücken-, Komplex- oder nur van
der Waals-Bindungen. In einzelnen Fällen gibt es sogar feste Atombindungen (wie
beim Chymotrypsin). Durch die Bindung an das Anlagerungszentrum werden die
Substratmoleküle nicht nur optimal sterisch zueinander ausgerichtet, sondern zugleich
oftmals auch polarisiert; ihre Orbitale werden angeregt, die Moleküle bindungsbereit
(vergl. den Mechanismus der ADH).
Dadurch können die Reaktionen eingeleitet werden, und zwar ohne extreme pH-Wertänderungen und
ohne zu kochen. Anderes wäre in biologischen Systemen ("in
vivo") kaum denkbar.
Es wird aber auch deutlich, dass diese genaue sterische Ausrichtung die hohe
Spezifität bezüglich Reaktion und Substrat der Enzyme zur Folge hat.
Mittlerweile kennt man von vielen Enzymen die genauen Mechanismen. Wie auch bei den Feinmechanismen der technischen heterogenen Katalysatoren haben wir es hier mit Redox-Katalysereaktionen einerseits und Säure/Base-Katalysereaktionen andererseits zu tun.
Die Redox-Katalysereaktion findet man zum Beispiel an Metallo-Enzymen, die als aktives Zentrum eine Hämgruppe haben. Hierzu gehören die Katalase, Peroxidasen und Cytochrome.
Bei der Säure/Base-Katalysereaktion wirken bei vielen Enzymen Säuren und Basen simultan ("kooperative Katalyse"). Das ist der Fall bei der Urease sowie beim Chymotrypsin. Um das zu erläutern, haben wir für die beiden Enzyme je eine extra Webseite gestaltet.
Bei der Alkoholdehydrogenase wirkt sich eine koordinative Bindung des Substrats an ein Metall-Ion polarisierend aus.
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