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Enzymspezifität
Der Begriff Enzymspezifität oder Substratspezifität bezeichnet das Phänomen, dass Enzyme zumeist nur ein Substrat bzw. eine beschränkte Anzahl von …
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Grundidee der Enzymspezifität
Enzymspezifität, auch Substratspezifität, bedeutet, dass Enzyme in ihrem aktiven Zentrum meist nur ein Substrat oder eine begrenzte Zahl von Substraten aufnehmen können. Das aktive Zentrum ist der Bereich des Enzyms, an dem das Substrat bindet und die enzymatische Umsetzung stattfindet. Die Spezifität ist ein Aspekt des Schlüssel-Schloss-Prinzips und für Organismen ebenso wie für wissenschaftliche Anwendungen grundlegend.
Neben der Frage, welche Stoffe ein Enzym bindet, gibt es die Wirkungsspezifität: Der Aufbau eines Enzyms bestimmt, welche Art chemischer Reaktion es katalysiert, zum Beispiel bei Hydrolasen, Hydroxylasen oder Synthasen. Es ist vergleichsweise selten, dass ein Enzym ausschließlich ein einziges Substrat binden kann.
Grundlagen der Bindung
Die begrenzte Zahl bindbarer Substrate beruht auf der Komplementarität zwischen Substrat und aktivem Zentrum. Geometrische Komplementarität bedeutet, dass Form und Größe des Substrats zum aktiven Zentrum passen müssen. Sie betrifft den stereochemischen Aufbau; außerdem dürfen sich Aminosäurereste des aktiven Zentrums und das Substrat nicht abstoßen, etwa durch eine Unterschreitung der Van-der-Waals-Radien. Deshalb sind meist auch die funktionellen Gruppen wichtig, die die Form des Substrats bilden.
Elektronische Komplementarität beschreibt passende elektrostatische Wechselwirkungen. Dazu zählen besonders Wasserstoffbrückenbindungen, Dispersionskräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Sie ermöglichen die Aufnahme des Substrats und stabilisieren es im aktiven Zentrum. Seltener entstehen zur Stabilisierung kovalente Bindungen zwischen Aminosäureresten des Enzyms und dem Substrat.
Diese Wechselwirkungen können eine konformationelle Anpassung des aktiven Zentrums an das Substrat auslösen. Dieser Vorgang heißt Induced fit und initiiert die enzymatische Umsetzung. Ein Substrat kann zwar aufgenommen werden, aber wegen anders angeordneter funktioneller Gruppen keine vollständige elektronische Komplementarität besitzen. Dann bleibt die für die Umsetzung nötige substratinduzierte Anpassung aus. Beide Formen der Komplementarität hängen letztlich von der Tertiär- und Quartärstruktur des aktiven Zentrums ab.
Formen der Substratspezifität
Bei einer engen Substratspezifität bindet ein aktives Zentrum tatsächlich nur ein bestimmtes Substrat. Dies kommt selten vor, zum Beispiel bei Meerrettichperoxidase (HRP), Maltase-Glucoamylase, sämtlichen RNasen und Restriktionsenzymen.
Die Gruppenspezifität ist bei biologisch aktiven Enzymen besonders verbreitet. Häufig bindet das aktive Zentrum nicht das vollständige Molekül, sondern nur den Teil, der umgewandelt werden soll. Strukturen außerhalb dieses Bereichs dürfen daher bis zu einem gewissen Maß variieren. Die Variabilität ist jedoch begrenzt: Auch außerhalb liegende Strukturen können das Enzym sterisch oder durch elektrostatische Wechselwirkungen verformen und dadurch seine Aktivität schwächen oder aufheben.
Auch wenn ein aktives Zentrum das gesamte Substrat aufnimmt, können verschiedene Substrate möglich sein, sofern ihre funktionellen Gruppen ähnliche physikalische Eigenschaften wie Polaritäten und Bindungslängen besitzen. Bei Gruppenspezifität können sogar unterschiedlich gebaute Substrate binden, wenn einzelne funktionelle Gruppen gleich angeordnet sind. Das aktive Zentrum bindet dann offenbar vor allem den Bereich dieser invariablen funktionellen Gruppen.
Stereospezifität und Umsetzung
Die Alkoholdehydrogenase zeigt Gruppenspezifität: Sie kann Methanol, Ethanol und, deutlich schwächer, höhere Alkanole binden und umsetzen. Obwohl mehrere Substrate an dasselbe aktive Zentrum binden können, ist ihre Umsetzung unterschiedlich effektiv. Beispielsweise kann die Reaktionsgeschwindigkeit variieren. Für jedes Enzym gibt es daher ein Substrat, das am effektivsten umgesetzt wird; bei der Alkoholhydrogenase ist dies Methanol.
Bei der Stereospezifität kann ein Enzym meist nur eines der Enantiomere eines Substrats aufnehmen. Enantiomere sind spiegelbildliche Varianten eines chiralen Moleküls. Die Substituenten des anderen Enantiomers greifen nicht an denselben Stellen des aktiven Zentrums an wie beim primären Substrat. Dadurch ist die Bindung schwächer oder das Enantiomer wird gar nicht aufgenommen. Die Pfeiffersche Regel beschreibt den Zusammenhang zwischen Affinität und Enantioselektivität eines Enzyms gegenüber einem chiralen Substrat.
Bedeutung in Forschung, Medizin und Analytik
In der Pharmakologie beruht die Wirkung fast sämtlicher wirksamer Medikamente auf der Bindung an Proteine sowie deren Hemmung oder Aktivierung; Enzyme gehören zu diesen Proteinen. Deshalb werden Stoffe entwickelt, die gezielt an ein bestimmtes Enzym binden und dessen Funktion beeinflussen.
In der Biochemie dienen Enzyme als labortechnische Werkzeuge. Bei der Genomsequenzierung wird biologisch aktive DNA, die aus ungefähr 3,2 Mrd. Basenpaaren besteht, mithilfe von Restriktionsenzymen in wenige 100 Basenpaare große Fragmente zerlegt. Restriktionsenzyme schneiden DNA an spezifischen Nukleotidabfolgen und auf spezielle Weise. Bei mangelnder Spezifität kann die Hydrolyse jedoch auch außerhalb der Erkennungssequenz stattfinden, etwa bei suboptimaler Tonizität oder fehlenden Kofaktoren. Die Veränderung der Enzymspezifität ist ein Ziel des Protein-Engineering.
In der Analytik erleichtert Spezifität den Nachweis bestimmter organischer und teilweise hochmolekularer Stoffe, die mit klassischen Verfahren wegen ihrer vielen chemischen Gruppen schwer nachweisbar sind. Die Wahrscheinlichkeit eines spezifischen Nachweises hängt davon ab, an wie viele weitere Substrate das verwendete Enzym binden kann. Beim GOD-Test wird Glucose, beispielsweise im Urin, mit Glucose-Oxidase spezifisch zu Glucono-δ-lacton oxidiert. Das Nebenprodukt Wasserstoffperoxid führt über eine Peroxidase, die spezifisch Peroxide bindet, zu einer charakteristischen Färbung.
