bokhylla

mekanismer för enzymatisk katalys

bindningen av ett substrat till det aktiva stället för ett enzym är en mycket specifik interaktion. Aktiva platser är klyftor eller spår på ytan av ett enzym, vanligtvis sammansatt av aminosyror från olika delar av polypeptidkedjan som samlas i den tertiära strukturen hos det vikta proteinet. Substrat binder initialt till det aktiva stället genom icke-kovalenta interaktioner, inklusive vätebindningar, jonbindningar och hydrofoba interaktioner. När ett substrat är bundet till det aktiva stället för ett enzym kan flera mekanismer påskynda dess omvandling till reaktionsprodukten.

Även om det enkla exemplet som diskuterades i föregående avsnitt endast involverade en enda substratmolekyl, involverar de flesta biokemiska reaktioner interaktioner mellan två eller flera olika substrat. Till exempel innefattar bildandet av en peptidbindning sammanfogningen av två aminosyror. För sådana reaktioner accelererar bindningen av två eller flera substrat till det aktiva stället i rätt läge och orientering reaktionen (figur 2.23). Enzymet tillhandahåller en mall på vilken reaktanterna förs samman och är korrekt orienterade för att gynna bildandet av övergångstillståndet i vilket de interagerar.

enzymer accelererar reaktioner också genom att ändra konformationen av deras substrat för att närma sig övergångstillståndet. Den enklaste modellen för enzym-substratinteraktion är lås-och-nyckelmodellen, där substratet passar exakt in i det aktiva stället (figur 2.24). I många fall modifieras dock konfigurationerna av både enzymet och substratet genom substratbindning—en process som kallas inducerad passform. I sådana fall förändras substratets konformation så att den mer liknar övergångstillståndet. Spänningen som produceras av sådan förvrängning av substratet kan ytterligare underlätta dess omvandling till övergångstillståndet genom att försvaga kritiska bindningar. Dessutom stabiliseras övergångstillståndet genom sin täta bindning till enzymet, vilket sänker den erforderliga aktiveringsenergin.

förutom att föra samman flera substrat och snedvrida konformationen av substrat för att närma sig övergångstillståndet deltar många enzymer direkt i den katalytiska processen. I sådana fall kan specifika aminosyrasidokedjor på det aktiva stället reagera med substratet och bilda bindningar med reaktionsmellanprodukter. De sura och basiska aminosyrorna är ofta involverade i dessa katalytiska mekanismer, vilket illustreras i följande diskussion av chymotrypsin som ett exempel på enzymatisk katalys.

Chymotrypsin är medlem i en familj av enzymer (serinproteaser) som smälter proteiner genom att katalysera hydrolysen av peptidbindningar. Reaktionen kan skrivas enligt följande:

de olika medlemmarna i serinproteasfamiljen (inklusive chymotrypsin, trypsin, elastas och trombin) har distinkta substratspecificiteter; de klyver företrädesvis peptidbindningar intill olika aminosyror. Till exempel, medan chymotrypsin smälter bindningar intill hydrofoba aminosyror, såsom tryptofan och fenylalanin, smälter trypsin bindningar bredvid basiska aminosyror, såsom lysin och arginin. Alla serinproteaser är emellertid likartade i struktur och använder samma mekanism för katalys. De aktiva platserna för dessa enzymer innehåller tre kritiska aminosyror-serin, histidin och aspartat—som driver hydrolys av peptidbindningen. Faktum är att dessa enzymer kallas serinproteaser på grund av serinrestens centrala roll.

substrat binder till serinproteaserna genom införande av aminosyran intill klyvningsstället i en ficka på enzymets aktiva plats (figur 2.25). Arten av denna ficka bestämmer substratspecificiteten hos de olika medlemmarna i serinproteasfamiljen. Till exempel innehåller bindningsfickan av chymotrypsin hydrofoba aminosyror som interagerar med de hydrofoba sidokedjorna hos dess föredragna substrat. Däremot innehåller bindningsfickan av trypsin en negativt laddad sur aminosyra (aspartat), som kan bilda en jonbindning med lysin-eller argininresterna i dess substrat.

Substratbindning placerar peptidbindningen som ska klyvas intill det aktiva stället serin (figur 2.26). Protonen av denna serin överförs sedan till den aktiva platsen histidin. Konformationen av det aktiva stället gynnar denna protonöverföring eftersom histidin interagerar med den negativt laddade aspartatresten. Serin reagerar med substratet och bildar ett tetraedralt övergångstillstånd. Peptidbindningen klyvs sedan och den C-terminala delen av substratet frigörs från enzymet. Emellertid förblir den N-terminala peptiden bunden till serin. Denna situation löses när en vattenmolekyl (det andra substratet) kommer in i det aktiva stället och reverserar de föregående reaktionerna. Vattenmolekylens proton överförs till histidin och dess hydroxylgrupp överförs till peptiden och bildar ett andra tetraedralt övergångstillstånd. Protonen överförs sedan från histidin tillbaka till serin, och peptiden frigörs från enzymet och fullbordar reaktionen.

detta exempel illustrerar flera funktioner i enzymatisk katalys; specificiteten av enzym-substratinteraktioner, placeringen av olika substratmolekyler i det aktiva stället och involveringen av aktiva platsrester i bildandet och stabiliseringen av övergångstillståndet. Även om tusentals enzymer i celler katalyserar många olika typer av kemiska reaktioner, gäller samma grundläggande principer för deras funktion.