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Aktives Zentrum
Als aktives Zentrum (engl. active site) bezeichnet man in der Chemie diejenigen Stellen eines Katalysators, an denen die katalysierte Reaktion stattfindet.
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Bedeutung und Katalyseformen
Ein aktives Zentrum (englisch active site) ist in der Chemie eine Stelle eines Katalysators, an der die katalysierte Reaktion stattfindet. Der Begriff wird auch für Enzyme verwendet, die als Biokatalysatoren wirken.
Bei der heterogenen Katalyse ist das aktive Zentrum eine bestimmte Anordnung von Atomen auf der Oberfläche eines Festkörpers. Diese Anordnung dient als Bindungsplatz für adsorbierte Stoffe, also Stoffe, die sich an einer Oberfläche anlagern.
Bei der Biokatalyse bezeichnet das aktive Zentrum den Bereich eines Enzyms, der für dessen katalytische Wirkung zuständig ist. Dort bindet das Substrat, also der Stoff, der umgesetzt werden soll, an das Enzym und kann anschließend reagieren.
Aufbau, Bindung und Spezifität von Enzymen
Bei allen bisher gut untersuchten Enzymen ist das aktive Zentrum eine taschen- oder spaltenförmige Einbuchtung im Proteinmolekül. Die Einbuchtung vergrößert die Kontaktfläche zwischen Enzym und Substrat. Dadurch kann das Substrat stärker und spezifischer gebunden werden; zum Teil ist auch Enantioselektivität möglich, also die bevorzugte Umsetzung einer bestimmten räumlichen Form eines Stoffes. Bei geringerer Kontaktfläche sinkt umgekehrt die Substratspezifität.
Die Bindung beruht auf ionischen Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen, hydrophoben Effekten und vorübergehenden kovalenten Bindungen im Übergangszustand. Durch die Bindung entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex. Dies kann nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip erfolgen oder nach dem Induced-fit-Modell.
Das aktive Zentrum umfasst den Substratbindungsbereich und das katalytische Zentrum, beispielsweise mit einer katalytischen Triade; gelegentlich gehört auch ein Coenzym dazu. Das katalytische Zentrum kann jeweils nur eine Reaktion katalysieren, zum Teil auch Hin- und Rückreaktion. Es ist deshalb wirkungsspezifisch. Welche Reaktion abläuft, hängt von vorhandenen Cofaktoren und Aminosäuren ab, die am Umsatz des Substrats beteiligt sind.
Hemmung, Abgrenzung und Anwendungen
Kompetitive Inhibitoren können ebenfalls an das aktive Zentrum binden. Wegen ihrer ähnlichen Form wie das Substrat passen sie in den Substratbindungsbereich.
Nicht zum aktiven Zentrum gehören ein gelegentlich vorkommendes allosterisches Zentrum sowie Bindungsstellen für andere nichtkompetitive oder unkompetitive Enzyminhibitoren. Ein Beispiel für ein aktives Zentrum ist das Oxyanion-Loch in manchen Enzymen.
Molekulare Modellierung nutzt computergestützte Verfahren zur Darstellung aktiver Zentren, um neue Wirkstoffe für die Entwicklung von Medikamenten zu finden. Durch Proteindesign kann ein aktives Zentrum gezielt verändert werden. Das kann eine höhere Spezifität ermöglichen oder den Umsatz anderer Substrate, die zuvor nicht in das aktive Zentrum passten.
