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).

Carboxypeptidase A	Ribonuklease	Chymotrypsin

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.

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

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

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. 23

Carboxypeptidase mit Substrat

Abb. 25

Aktive Stelle mit Substrat

Abb. 26

Carboxypeptidase mit aktiver Stelle

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:

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

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:

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

Abb. 30

Trypsin aktive Stelle

Abb. 31

Subtilisin mit aktiver Stelle