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Lexikon der Biologie: aktives Zentrum

aktives Zentrum, Substraterkennungsbereich, bei Enzymen diejenige Stelle, an der das mit Hilfe des Enzyms umzusetzende Molekül (Substrat) gebunden und umgesetzt wird. Jedes Enzym besitzt ein aktives Zentrum ganz bestimmter Struktur, das nur solche Substratmoleküle binden kann, die genau in das aktive Zentrum hineinpassen ( vgl. Abb. ). Bildlich gesprochen, müssen Substrat und aktives Zentrum eines Enzyms zueinander passen wie Schlüssel und Schloß (Schlüssel-Schloß-Prinzip). Ihre Strukturen sind also in bestimmten Bereichen einander komplementär. Für alle bisher gut untersuchten aktiven Zentren gilt, daß die für die Bindung des Substrats und für den Reaktionsablauf entscheidenden Aminosäuregruppen (Aminosäuren) an den Innenwänden einer Grube oder Tasche stehen. Insbesondere für größere Substrate, wie bei Lysozym, ist das auch ein tiefer Spalt, der durch den Kernbereich des Proteins geht. In manchen Fällen bewirken nicht nur Aminosäuregruppen, sondern in unmittelbarer Nähe des aktiven Zentrums eingelagerte, besondere reaktionsfähige Gruppen die Bindung und den Umsatz der Substratmoleküle. Diese reaktionsfähigen Gruppen sind häufig die sog. Coenzyme, in anderen Fällen auch Metallionen oder beides. Zum Beispiel besitzt Alkohol-Dehydrogenase im aktiven Zentrum ein Molekül NAD+ als Coenzym und ein Zn2+-Ion. Mit der Einlagerung von Substratmolekülen in aktive Zentren werden alle Wassermoleküle aus diesen verdrängt. Dies bietet den Vorteil, daß bei der Umwandlung der Substratmoleküle auch instabile Zwischenstufen durchlaufen werden können, die in Gegenwart von Wasser sofort in anderer als der durch die Reaktionsspezifität des jeweiligen Enzyms festgelegten Richtung weiterreagieren würden. Besonders gut ist die Wirkung der aktiven Zentren bei den eng verwandten, aber in den Substratspezifitäten sehr verschiedenen Proteasen Trypsin, Chymotrypsin und Elastase verstanden. Ein Teil der komplizierten Taschenformen in ihren aktiven Zentren ist verantwortlich für die Aufnahme der neben der zu spaltenden -CO-NH-Bindung stehenden Aminosäureseitengruppe ( vgl. Abb. ). Dieser Teil der Tasche ist tief und am "Boden" mit einer negativen Asparaginsäure-Ladung besetzt beim Trypsin, er ist voluminös und hydrophob beim Chymotrypsin, und er ist hydrophob und klein – nämlich durch zwei von der Seite hineinragende Valin- und Threonin-Gruppen versperrt – bei der Elastase. Das Ergebnis: Trypsin spaltet Proteine an den Peptidbindungen "rechts" neben den basischen Aminosäuren Lysin und Arginin, Chymotrypsin neben aromatischen Aminosäuren und Elastase neben Aminosäuren mit kurzen Seitenketten. asymmetrische Synthese, Komplementarität, Stereospezifität.

H.K.




aktives Zentrum

Das aktive Zentrum bei verwandten, aber unterschiedlich spaltenden Proteasen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) bzw. des Darmtrakts (stark vereinfacht): Trypsin, Chymotrypsin, Elastase




aktives Zentrum

Die Schlüssel-Schloß-Beziehung zwischen einem Substratmolekül und dem aktiven Zentrum eines Enzyms. Der deutsche Chemiker E.H. Fischer fand schon 1894, also lange, bevor die chemische Natur der Enzyme im Detail erforscht war, für das hochspezifische Zusammenpassen von Enzym und Substrat den Vergleich von Schloß und Schlüssel. Die Abb. zeigt die schematische Darstellung einer Enzymreaktion.
a Enzym- und Substrat-Molekül frei, b Verbindung des Enzyms mit dem Substrat, c Reaktion des Substrats (in diesem Fall Spaltung), d Ablösung der Reaktionsprodukte vom Enzym
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