Wie kann die ionisierte Aminosäureform für die katalytische Aktivität wichtig sein?

Enzymatische Reaktionen sind chemische Reaktionen . Chemische Reaktionen beinhalten Ladungsübertragung ("Elektronen") . Die Ladungsübertragung tritt leichter auf, wenn es einen großen Gradienten in der Ladungsdichte zwischen der angreifenden Gruppe der aktiven Stelle und dem angegriffenen Atom des Substrats gibt. Viele Enzyme (ja, es ist wirklich weit verbreitet) verwenden ionische Formen von Aspartat oder Glutamat als katalytischen Aminosäurerest.

Beispielsweise verwenden einige Enzyme, die zur Alpha/Beta-Hydrolase-Faltungsfamilie gehören (z. B. Haloalkan-Dehalogenasen, Epoxidhydrolasen), ein deprotoniertes Aspartat als Nukleophil (das ein elektrophiles Atom des Substrats angreift); Die spezifische Position des Nukleophils innerhalb des Enzyms und seine Wechselwirkung mit anderen Gruppen im Enzym verstärken die nukleophile Natur des Aspartats, ein Phänomen, das als "Oxyanion-Loch" bezeichnet wird.

Olliset al. (1992) Protein Eng 5: 197-211. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1409539

Obwohl die Antwort von @MartinKlvana richtig ist, möchte ich die Frage nach den Stärken nichtkovalenter Wechselwirkungen in Proteinen klären, da dies die Grundlage des Problems des Posters zu sein scheint. Wie ich es ausdrücken würde:

Das Leben ist dynamisch. Die Chemie des Lebens hängt also von schwachen Wechselwirkungen ab, die hergestellt und gebrochen werden können.

Ionische Wechselwirkungen haben eine ähnliche Energie wie andere nicht-kovalente Wechselwirkungen

Nach Berg et al. und der Wikipedia-Artikel typische Bereiche für nicht-kovalente Wechselwirkungen sind:

• Ionenwechselwirkung: 1,4 kcal/mol (3Å in Wasser – abhängig von Abstand und Dielektrizitätskonstante)
• Wasserstoffbrücke: 1–3 kcal/mol (abhängig von Abstand und Winkel)
• Van-der-Walls-Wechselwirkung: 0,5–1,0 kcal/mol (abhängig von der Entfernung)

Dies steht im Gegensatz zu beispielsweise der kovalenten C-C-Bindung mit einer Energie von etwa 100 kcal/mol gemäß dieser Seite . Somit ist die ionische Bindung eindeutig eine relativ schwache Bindung.

Der geladene Zustand eines Rests, der an Enzymmechanismen beteiligt ist, ist oft partiell und dynamisch

Wie der Leser wissen wird, hängt die prozentuale Ionisierung eines Rückstands von seinem pK _a -Wert und dem des Mediums ab. In neutraler Lösung wäre eine Histidin-Seitenkette (pK _{a 6,0) nur zu 10 % protoniert.} Am aktiven Zentrum eines Proteins kann es jedoch anders sein. In einer hydrophoben Umgebung können die sauren Seitenketten von Asparagin- oder Glutaminsäure eine viel geringere Neigung zur Ionisierung haben und daher einen effektiven pK a haben, der _viel höher ist als der in Wasser (4.1). Die Nähe anderer Reste kann auch die Ionisierung oder Protonierung beeinflussen, indem sie ein Wasserstoffion aufnehmen oder abgeben.

Der Punkt dabei ist, dass die an der Katalyse beteiligten Reste oft effektiv weniger geladen sind als ein vollständig geladener Rest in Lösung, und dies ermöglicht die Umkehrung der Ionisierung oder Protonierung am Ende der Reaktion, wodurch der Enzymkatalysator in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.

Einige Beispiele

Obwohl die funktionelle Rolle von Asp-27 (die vermutete pK _a 4,7-Gruppe) in der Tetrahydrofolatreduktase darin zu bestehen scheint, ein Proton an das Substrat abzugeben, sind die Details dieser Reaktion nicht vollständig klar. Daher ist es einfacher, diesen Punkt mit zwei klassischen Enzymen zu veranschaulichen.

Serinproteasen (Trypsin etc.)

Weitere Details dazu finden sich im Internet und in jedem biochemischen Text, aber die folgende Illustration von Berg et al. veranschaulicht den entscheidenden Punkt, den ich ansprechen möchte.

Dies liegt daran, dass das Histidin während der Reaktion zwischen protoniert und nicht protoniert wechseln kann und ein Proton vom benachbarten Serin erhält.

Lysozym

Hier umfasst der Wirkungsmechanismus zwei Säuregruppen, eine geladene (Asp-52) und eine (Glu-35) ungeladen. Dieser Unterschied liegt daran, dass sich letzteres in einer hydrophoben Umgebung befindet. Im Verlauf der Reaktion kann es jedoch ionisieren, kehrt aber nach Beendigung der Reaktion in seine protonierte Form zurück. Dies wird in der folgenden Abbildung gezeigt, die einem Übersichtsartikel in Nature Structural Biology von AJ Kirby entnommen ist .