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Tutorial MenueGrundlagen der BiokatalyseLerneinheit 2 von 4

Reaktionsmechanismen in der Biokatalyse

Metallionen-Katalyse

Fast ein Drittel der bekannten Enzyme sind Metalloenzyme mit fest oder schwach gebundenen Metallionen. Die Metallionen können auf verschiedene Weise den Katalyseverlauf beeinflussen:

  • Sie binden an Substrate und bringen diese in eine für die Reaktion günstige Konformation oder dienen mittels ionischer Wechselwirkung der Ausrichtung des Substrates.
  • Bei den Metallionen kann es zu reversiblen Änderungen des Oxidationszustandes kommen (Fe2+ - Fe3+ oder Cu2+ - Cu+). Dieser Elektronentransfer ermöglicht eine Redoxreaktion zwischen Enzym und Substrat.
  • Das Metallion kann negative Ladungen abschirmen oder stabilisieren. Im Gegensatz zu einem Wasserstoff-Ion ist es auch im alkalischen Medium wirksam und kann, bedingt durch seine höhere Ladung, auch eine höhere Ladungsdichte aufweisen.
  • Das Metallion hat die Fähigkeit, Wasser-Moleküle über Ion-Dipol-Wechselwirkung zu binden. Durch die Wechselwirkung mit dem Metallion werden die Wasser-Moleküle azider als freies Wasser und können als nucleophile OH--Ionen agieren.
Beispiel
Abb.1

Ein Beispiel ist die Substratbindung am aktiven Zentrum der Carboxypeptidase A. Dieses Verdauungsenzym hydrolysiert Carboxy-endständige Peptidbindungen in Polypeptidketten. Das fest gebundene Zink-Ion aktiviert ein Wasser-Molekül unter Beteiligung der Carboxylat-Gruppe des Glutamats 270. Das Zn-gebundene Wasser verhält sich fast wie ein OH- -Ion. Durch den Angriff des Sauerstoff-Atoms des aktivierten Wasser-Moleküls an der Carbonyl-Gruppe der zu spaltenden Peptidbindung entsteht ein tetraedrisches Zwischenprodukt. Anschließend findet der Transfer eines Wasserstoff-Ions statt; gleichzeitig wird die Peptidbindung gespalten.

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