In vielen Veröffentlichungen wird berichtet, dass einige Reste im aktiven Zentrum von Enzymen protoniert werden müssen, um ein funktionelles Enzym zu erhalten, wobei diese Reste einen niedrigen pKa-Wert haben (z. B. 5).
Wie kann das unter den physiologischen Bedingungen (bei pH=~7,4) passieren?
Es wird erwähnt, dass während der katalytischen Aktivität eine Erhöhung des pKa-Werts stattfindet, um diesen Protonierungszustand zu erreichen. Aber wie geht das?
Hier ist eine Veröffentlichung, in der diese Protonierung und pKa-Erhöhung beschrieben wird.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7306491
Diese Schlussfolgerung wird durch das Ergebnis bestätigt, dass eine Gruppe mit einem pK-Wert von 6,7 für die Bindung von Methotrexat protoniert werden muss. Es wird vorgeschlagen, dass die Bindung die Bildung einer Wasserstoffbindung mit N-5 von Dihydrofolat oder N-1 von Methotrexat beinhaltet, die einen beträchtlichen ionischen Charakter hat und in einer hydrophoben Umgebung liegt. Ferner wird vorgeschlagen, dass der gleiche Wasserstoff als Hilfskatalysator wirkt, der die Hydridübertragung von NADPH auf Dihydrofolat für dessen Umwandlung in Tetrahydrofolat erleichtert. Ein Beweis, der diesen Vorschlag stützt, stammt aus der Feststellung, dass das V-Profil dem V/K-Profil ähnlich ist, außer dass der pK-Wert der Gruppe, die für eine maximale Enzymaktivität protoniert werden muss, um etwa 2 pH-Einheiten nach oben verschoben ist. Eine solche Erhöhung des pK-Werts steht im Einklang mit der Bildung einer Wasserstoffionenbindung im ternären Enzym-NADPH-Dihydrofolat-Komplex. Die Ergebnisse von Inaktivierungsexperimenten mit Trinitrobenzolsulfonat scheinen darauf hinzudeuten, dass ein Lysinrest notwendig ist, um das Enzym in seiner aktiven Konformation zu halten.
Obwohl der physiologische pH-Wert im Allgemeinen ~ 7,4 beträgt, ist dies im Allgemeinen nicht unbedingt der pH-Wert innerhalb des aktiven Zentrums des Enzyms. Die katalytische Maschinerie des Enzyms kann aus einem von zwei Gründen einen völlig anderen pH-Wert erfahren: 1) weil sich das Enzym an einer Stelle befindet, an der der pH-Wert einfach nicht 7,4 beträgt, und 2) die Aminosäurezusammensetzung des Enzyms entweder den pH-Wert im aktiven Zentrum verschiebt oder der pKa-Wert der Reste der aktiven Stelle relativ zur Umgebung, so dass der effektive lokale pH-Wert in der katalytischen Stelle niedriger oder höher als 7,4 ist.
Beispielsweise gibt es beim Menschen Stellen wie den Magen oder um die Muskelzellen herum während der anaeroben Atmung, wo der pH-Wert aufgrund des Vorhandenseins von HCl bzw. Milchsäure relativ zum physiologischen Standard-pH-Wert von 7,4 tatsächlich sauer ist. Außerdem sind bestimmte subzelluläre Organellen, wie Lysosomen, ebenfalls relativ sauer, da sie eine Stelle zum Abbau von Proteinen in Aminosäuren darstellen.
Der in diesem Artikel vorgestellte Fall scheint jedoch ein Beispiel für die zweite Situation zu sein, in der ein Enzym, das sich in einer pH-neutralen Umgebung befindet, auf eine oder mehrere protonierte Aminosäuren angewiesen ist, um die Katalyse durchzuführen. Dies ist relativ häufig. Grundsätzlich hat das aktive Zentrum des Enzyms eine Aminosäurezusammensetzung, die bei korrekter Faltung den lokalen pH-Wert um die katalytischen Reste herum verändert, um die Katalyse zu begünstigen. Zum Beispiel wird in dem Enzym Acetylcholinesterase das Serin der aktiven Stelle nukleophil gemacht, indem es in einer als katalytische Triade bezeichneten Anordnung neben einem Glutamat und einem Histidin positioniert wird. Das Glutamat ist ein saurer Rest, und seine Nähe zum Histidin bedeutet, dass es die protonierte Form des Histidins stabilisiert. Dies macht die Protonierung des Histidins energetisch sehr günstig. Dies bewirkt, dass das Histidin ein Proton vom Serin der aktiven Stelle nimmt. Da der Sauerstoff von Serin nun deprotoniert ist, kann es als starkes Nukleophil wirken. Nachdem das Serin eine kovalente Wechselwirkung mit dem Substrat bildet, erleichtert das Histidin einen ähnlichen nukleophilen Angriff durch ein Wassermolekül, wodurch das Enzym regeneriert und der katalytische Zyklus abgeschlossen wird.
Etwas Ähnliches wird bei der Beta-Lactamase TEM-1 beobachtet . In diesem Fall verwendet TEM-1 ein Lysin (pKa ~11) anstelle von Histidin (pKa ~6), sodass sich mehrere Säurereste im aktiven Zentrum befinden, um die Deprotonierung des Lysins während des Katalysezyklus zu erleichtern. Tatsächlich ermöglicht die Aminosäurezusammensetzung des aktiven Zentrums das Mischen von Protonen, die für die Katalyse benötigt werden.
Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass der katalytische Mechanismus eines Enzyms, während der physiologische pH-Wert allgemein als 7,4 angesehen wird, entweder aufgrund der zellulären/physiologischen Lokalisierung oder aufgrund der Aminosäurezusammensetzung des aktiven Zentrums einen sehr unterschiedlichen pH-Wert erfahren kann. Im letzteren Fall kann das Vorhandensein saurer oder basischer Reste den Protonierungszustand anderer saurer oder basischer Reste verändern, was bedeutet, dass der effektive pKa dieser Reste oder der effektive pH-Wert um sie herum höher oder niedriger als 7,4 ist.
Benutzer37894
Kanadier
Hayden S
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