Eine aktive Stelle ist der Teil eines Enzyms, der direkt an ein Substrat bindet und eine Reaktion durchführt. Sie enthält katalytische Gruppen, d. h. Aminosäuren, die die Bildung und den Abbau von Bindungen fördern. Durch die Bildung und den Abbau dieser Bindungen fördert die Interaktion von Enzym und Substrat die Bildung der Übergangszustandsstruktur. Enzyme helfen einer Reaktion, indem sie das Übergangszustandsintermediat stabilisieren. Dies wird durch die Senkung der Energiebarriere oder Aktivierungsenergie erreicht – der Energie, die erforderlich ist, um die Bildung des Übergangszustands-Zwischenprodukts zu fördern. Der dreidimensionale Spalt wird von den Gruppen gebildet, die aus verschiedenen Teilen der Aminosäuresequenzen stammen. Die aktive Stelle ist nur ein kleiner Teil des Gesamtvolumens des Enzyms. Sie verbessert die Bindung des Enzyms an das Substrat und die Katalyse durch viele verschiedene schwache Wechselwirkungen aufgrund ihrer unpolaren Mikroumgebung. Zu den schwachen Wechselwirkungen gehören die Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatische Wechselwirkungen. Die Anordnung der Atome im aktiven Zentrum ist entscheidend für die Bindungsspektivität. Das Gesamtergebnis ist die Beschleunigung des Reaktionsprozesses und die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit. Darüber hinaus besitzen Enzyme nicht nur katalytische Fähigkeiten, sondern das aktive Zentrum beinhaltet auch die Erkennung von Substrat.
Die aktive Stelle des Enzyms ist die Bindungsstelle für katalytische und inhibitorische Reaktionen von Enzym und Substrat; die Struktur der aktiven Stelle und ihre chemische Charakteristik sind von spezifischer Bedeutung für die Bindung eines bestimmten Substrats. Die Bindung des Substrats an das Enzym bewirkt Veränderungen in den chemischen Bindungen des Substrats und löst die Reaktionen aus, die zur Bildung von Produkten führen. Die Produkte werden von der Enzymoberfläche freigesetzt, um das Enzym für einen weiteren Reaktionszyklus zu regenerieren.
StrukturEdit
Das aktive Zentrum hat die Form eines dreidimensionalen Spalts, der aus Aminosäuren verschiedener Reste der primären Aminosäuresequenz zusammengesetzt ist. Die Aminosäuren, die für die Bindungsspezifität der aktiven Stelle eine wichtige Rolle spielen, liegen in der Primärstruktur in der Regel nicht nebeneinander, sondern bilden die aktive Stelle durch die Faltung beim Aufbau der Tertiärstruktur. Dieser Bereich des aktiven Zentrums ist im Vergleich zum Rest des Enzyms relativ klein. Ähnlich wie bei einer Ligandenbindungsstelle dient der Großteil eines Enzyms (nicht-bindende Aminosäurereste) in erster Linie als Gerüst, um die Struktur der aktiven Stelle zu unterstützen, indem sie für die richtige Orientierung sorgen. Die einzigartigen Aminosäuren, die in einer aktiven Stelle enthalten sind, fördern spezifische Wechselwirkungen, die für die richtige Bindung und die daraus resultierende Katalyse notwendig sind. Die Enzymspezifität hängt von der Anordnung der Atome im aktiven Zentrum ab. Komplementäre Formen zwischen Enzym und Substrat(en) ermöglichen eine größere Menge schwacher nicht-kovalenter Wechselwirkungen, einschließlich elektrostatischer Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophober Wechselwirkungen. Spezifische Aminosäuren ermöglichen auch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Das zeigt die Einzigartigkeit der Mikroumgebung für das aktive Zentrum.
Um das aktive Zentrum zu lokalisieren, wird das interessierende Enzym in Gegenwart eines Analogons kristallisiert. Das Analogon, das dem Originalsubstrat ähnelt, würde als potenter kompetitiver Inhibitor betrachtet werden, der die ursprünglichen Substrate an der Bindung an die aktiven Stellen hindert. Man kann dann die aktiven Stellen auf einem Enzym lokalisieren, indem man verfolgt, wo das Analogon bindet.
Active Site vs. Regulatory Site
Ein Enzym, zum Beispiel ATCase, enthält zwei verschiedene Untereinheiten: eine aktive Stelle und eine regulatorische Stelle. Die aktive Stelle ist die katalytische Untereinheit, während die regulatorische Stelle keine katalytische Aktivität besitzt. Die zwei Untereinheiten des Enzyms wurden von John Gerhart und Howard Schachman durch ein Ultrazentrifugationsexperiment bestätigt. Zunächst behandelten sie die ATCase mit p-Hydroxymercuribenzoat, um mit den Sulfhydrylgruppen zu reagieren und die beiden Untereinheiten zu dissoziieren. Da sich die beiden Untereinheiten in ihrer Größe unterscheiden, wobei die katalytische Untereinheit größer ist, zeigten die Ergebnisse beim Zentrifugieren der dissoziierten Untereinheiten zwei Sedimentationen im Vergleich zu der einen Sedimentation des nativen Enzyms. Dies bewies, dass ATCase, wie viele andere Enzyme, zwei Bindungsstellen für Substrate enthält.
ModelleBearbeiten
Es gibt drei verschiedene Modelle, die die Enzym-Substrat-Bindung darstellen: das Schlüssel-Schloss-Modell, das induzierte Passungsmodell und das Übergangszustandsmodell.
Das Schlüssel-Schloss-Modell wurde von Emil Fischer 1890 vorgeschlagen. Dieses Modell geht davon aus, dass es eine perfekte Passung zwischen dem Substrat und der aktiven Stelle gibt – die beiden Moleküle sind komplementär in ihrer Form. Das Lock-and-Key-Modell ist das Modell, bei dem die aktive Stelle des Enzyms gut zum Substrat passt, ohne dass die Struktur des Enzyms nach der Bindung des Substrats verändert werden muss.
Das Induced-Fit-Modell beinhaltet die Veränderung der Konformation der aktiven Stelle, um sie nach der Bindung an das Substrat anzupassen. Auch im induced-fit-Modell wurde festgestellt, dass es Aminosäuren gibt, die dem richtigen Substrat helfen, an die aktive Stelle zu binden, was zur Formung der aktiven Stelle in die komplementäre Form führt. Der induzierte Fit ist das Modell, bei dem die Struktur des aktiven Zentrums des Enzyms nach der Bindung von Enzym und Substrat leicht verändert werden kann.
Die Bindung im aktiven Zentrum beinhaltet Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen und temporäre kovalente Bindungen. Das aktive Zentrum stabilisiert dann das Übergangszustand-Zwischenprodukt, um die Aktivierungsenergie zu verringern. Aber das Zwischenprodukt ist höchstwahrscheinlich instabil, so dass das Enzym das Substrat freisetzen und in den ungebundenen Zustand zurückkehren kann.
Das Übergangszustandsmodell beginnt mit einem Enzym, das an ein Substrat bindet. Es benötigt Energie, um die Form des Substrats zu verändern. Sobald die Form verändert ist, wird das Substrat vom Enzym losgelöst, was schließlich die Form des Enzyms verändert. Ein wichtiger Aspekt dieses Modells ist, dass es die freie Energie erhöht.
ÜbersichtBearbeiten
Eine Bindungsstelle ist eine Position auf einem Protein, die an ein ankommendes Molekül bindet, das vergleichsweise kleiner ist und Ligand genannt wird.
In Proteinen sind Bindungsstellen kleine Taschen auf der Tertiärstruktur, an die Liganden mit Hilfe schwacher Kräfte (nicht-kovalente Bindung) binden. Nur wenige Reste sind tatsächlich an der Bindung des Liganden beteiligt, während die anderen Reste im Protein als Gerüst für die richtige Konformation und Orientierung sorgen. Die meisten Bindungsstellen sind konkav, aber auch konvexe und flache Formen kommen vor.
Eine Ligandenbindungsstelle ist ein Ort der massenchemischen Spezifität und Affinität auf dem Protein, der mit anderen Molekülen und Ionen oder Proteinliganden bindet oder chemische Bindungen bildet. Die Affinität der Bindung eines Proteins und eines Liganden ist eine chemisch attraktive Kraft zwischen dem Protein und dem Liganden. So kann es zu einer Konkurrenz zwischen verschiedenen Liganden um die gleiche Bindungsstelle von Proteinen kommen, und die chemische Reaktion führt zu einem Gleichgewichtszustand zwischen bindenden und nicht bindenden Liganden. Die Sättigung der Bindungsstelle ist definiert als die Gesamtzahl der Bindungsstellen, die pro Zeiteinheit von Liganden besetzt sind.
Das gebräuchlichste Modell für enzymatische Bindungsstellen ist das Modell der induzierten Anpassung. Es unterscheidet sich von der einfacheren „Lock & key“-Schule, da das induzierte Passungsmodell besagt, dass das Substrat eines Enzyms nicht perfekt in die Bindungsstelle passt. Beim „lock & key“-Modell wird davon ausgegangen, dass das Substrat ein relativ statisches Modell ist, das seine Konformation nicht verändert und sich einfach perfekt an die aktive Stelle bindet. Nach dem Modell der induzierten Anpassung ist die Bindungsstelle eines Enzyms komplementär zum Übergangszustand des jeweiligen Substrats, nicht zum normalen Substratzustand. Das Enzym stabilisiert diesen Übergangszustand, indem seine NH3+-Reste die negative Ladung des Substrats im Übergangszustand stabilisieren. Dies führt zu einer drastischen Verringerung der Aktivierungsenergie, die erforderlich ist, um die beabsichtigte Reaktion hervorzubringen. Das Substrat wird dann in sein(e) Produkt(e) umgewandelt, indem die Reaktion schneller ins Gleichgewicht kommt.
Eigenschaften, die die Bindung beeinflussen
- Komplementarität:Die molekulare Erkennung hängt von der Tertiärstruktur des Enzyms ab, die einzigartige Mikroumgebungen in den aktiven/Bindungsstellen schafft. Diese spezialisierten Mikroumgebungen tragen zur Katalyse der Bindungsstellen bei.
- Flexibilität:Die Tertiärstruktur ermöglicht es Proteinen, sich an ihre Liganden anzupassen (induzierte Passung) und ist für die große Vielfalt biochemischer Funktionen wesentlich (der Grad der Flexibilität variiert je nach Funktion)
- Oberflächen:Bindungsstellen können konkav, konvex oder flach sein. Für kleine Liganden – Spalten, Taschen oder Hohlräume. Katalytische Stellen befinden sich oft an den Grenzflächen von Domänen und Untereinheiten.
- Nicht-kovalente Kräfte:Nicht-kovalente Kräfte sind ebenfalls charakteristische Eigenschaften von Bindungsstellen. Solche Eigenschaften sind: überdurchschnittlich viel exponierte hydrophobe Oberfläche, (kleine Moleküle – teilweise konkav und hydrophob), und die Verdrängung von Wasser kann Bindungsereignisse antreiben.
- Affinität: Bindungsfähigkeit des Enzyms an das Substrat (kann als Partialdruckerhöhung des Substrats gegen die Affinitätserhöhung grafisch dargestellt werden (0 bis 1,0); Affinität der Bindung von Protein und Ligand ist chemische Anziehungskraft zwischen Protein und Ligand.