Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen durch Senkung der Aktivierungsenergie mittels mehrerer katalytischer Strategien. Im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren arbeiten Enzyme unter milden Bedingungen von Temperatur, pH-Wert und Druck und zeigen eine bemerkenswerte Spezifität für ihre Substrate.

Der katalytische Zyklus

Enzyme binden ihre Substrate am aktiven Zentrum, einer spezifischen Tasche oder Spalte in der dreidimensionalen Struktur. Die Bindung erfolgt durch komplementäre Form und chemische Wechselwirkungen, beschrieben durch das Schlüssel-Schloss- oder Induced-Fit-Modell. Das Induced-Fit-Modell ist im Allgemeinen genauer, da Enzyme oft Konformationsänderungen durchlaufen, die katalytische Gruppen um das Substrat herum optimieren. Nach der Bindung stabilisiert das Enzym den Übergangszustand, das energiereiche Zwischenprodukt entlang der Reaktionskoordinate, senkt dadurch die Aktivierungsenergie und beschleunigt die Reaktion.

Säure-Base-Katalyse

Die Säure-Base-Katalyse beinhaltet den Protonentransfer zwischen dem Enzym und dem Substrat. Die allgemeine Säurekatalyse gibt ein Proton ab, um eine sich entwickelnde negative Ladung zu stabilisieren, während die allgemeine Basenkatalyse ein Proton entfernt, um die Nukleophilie einer Gruppe zu erhöhen. Viele Enzyme nutzen Aminosäureseitenketten als Protonendonatoren oder -akzeptoren. Histidin ist besonders vielseitig, da seine Imidazolgruppe einen pKa nahe dem Neutralpunkt hat, sodass es bei physiologischem pH-Wert entweder als Säure oder Base fungieren kann. Die Ribonuklease A verwendet zwei Histidinreste, einen als allgemeine Base und einen als allgemeine Säure, um RNA zu spalten.

Kovalente Katalyse

Die kovalente Katalyse beinhaltet die vorübergehende Bildung einer kovalenten Bindung zwischen dem Enzym und dem Substrat, wodurch ein reaktives Zwischenprodukt entsteht, das die Aktivierungsenergie senkt. Das kovalente Zwischenprodukt wird dann abgebaut, um das freie Enzym zu regenerieren. Serinproteasen wie Chymotrypsin verwenden eine katalytische Triade aus Serin, Histidin und Aspartat. Das Serin-Hydroxyl greift den Carbonylkohlenstoff des Substrats an und bildet ein Acyl-Enzym-Zwischenprodukt, das anschließend hydrolysiert wird. Dieses kovalente Zwischenprodukt verhindert die Rückreaktion und beschleunigt den Vorwärtsweg.

Metallionen-Katalyse

Etwa ein Drittel aller Enzyme benötigt Metallionen und Cofaktoren für die katalytische Aktivität. Metalloenzmye binden Metallionen wie Zink, Eisen, Kupfer oder Mangan als integrale Bestandteile fest. Metallaktivierte Enzyme binden Metallionen weniger fest, benötigen sie aber für die Aktivität. Metallionen wirken bei der Katalyse als elektrophile Katalysatoren, stabilisieren negative Ladungen, vermitteln Oxidations-Reduktions-Reaktionen oder orientieren Substrate am aktiven Zentrum. Die Carboanhydrase verwendet ein Zinkion, um ein Wassermolekül für den Angriff auf Kohlendioxid zu aktivieren. Die Cytochrom-c-Oxidase verwendet Eisen- und Kupferionen bei der Elektronenübertragung und Sauerstoffreduktion.

Katalyse durch Nähe und Orientierung

Enzyme erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie Substrate in enge Nähe und in die richtige Orientierung für die Reaktion bringen. Die effektive Konzentration von Substraten am aktiven Zentrum kann tausendfach höher sein als in Lösung. Dieser entropische Vorteil reduziert den Verlust an Translations- und Rotationsfreiheit, der normalerweise mit der Bildung eines Übergangszustands einhergeht. Die Struktur des aktiven Zentrums orientiert reaktive Gruppen präzise und senkt so die Aktivierungsenergie weiter.

Stabilisierung von Übergangszuständen

Enzyme erzielen ihre größte katalytische Wirkung, indem sie den Übergangszustand stärker binden als das Substrat im Grundzustand. Das aktive Zentrum ist komplementär zur Struktur des Übergangszustands, nicht zum Substrat selbst. Diese selektive Stabilisierung kann die Aktivierungsenergie um 10 bis 15 kcal/mol senken, was Geschwindigkeitssteigerungen von 10^7 bis 10^12 entspricht. Übergangszustandsanaloga, Moleküle, die der Struktur des Übergangszustands ähneln, sind oft potente Enzyminhibitoren und wurden als Medikamente entwickelt. Das Konzept der Übergangszustandsstabilisierung ist zentral für das Verständnis der Enzymevolution und des Designs von Enzyminhibitoren.

Elektrostatische Katalyse

Die Umgebung des aktiven Zentrums ist im Vergleich zur wässrigen Phase oft schlecht solvatisiert, und geladene Gruppen sind so positioniert, dass sie sich entwickelnde Ladungen im Übergangszustand stabilisieren. Diese elektrostatische Präorganisation reduziert die für die Ladungsstabilisierung während der Katalyse erforderliche Reorganisationsenergie. Die Superoxiddismutase orientiert geladene Reste, um den Übergangszustand des Superoxid-Anions zu stabilisieren, und erreicht eine der höchsten bekannten katalytischen Geschwindigkeiten, die nur durch die Diffusion begrenzt wird.