3D Viewer: Enzyme – Molekülstruktur und induced fit

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Enzyme in drei Dimensionen

Ein Enzym ist ein Protein: eine Kette aus Aminosäuren, gefaltet zu einer bestimmten räumlichen Gestalt. Diese Gestalt bestimmt die Wirkung. Die gezeigten Strukturen stammen aus der Röntgenstrukturanalyse an Kristallen.

Was das Bändermodell zeigt

Das Band folgt dem Verlauf der Kette, genauer den α-C-Atomen – nicht den einzelnen Atomen. Färbung nach Sekundärstruktur: α-Helices (schraubig), β-Faltblätter (gestreckte, parallele Stränge), dazwischen Verbindungsstücke ohne feste Form. Helix und Faltblatt werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den Peptidbindungen zusammengehalten.

Das aktive Zentrum

Das aktive Zentrum ist der Teil des Enzyms, an dem das Substrat bindet und umgesetzt wird – hier grün markiert. Es besteht nur aus wenigen Aminosäure-Resten; der Rest des Moleküls hält diese Reste in der passenden räumlichen Anordnung. Auffällig ist das Größenverhältnis: Das Substrat ist winzig gegenüber dem Enzym. Weil die Wirkung allein von dieser Anordnung abhängt, macht schon eine kleine Formveränderung das Enzym unwirksam.

Induced fit (induzierte Passform)

Das aktive Zentrum ist nicht starr. Beim Binden des Substrats verändert es seine Form und schmiegt sich an – das ist der induced fit. Das ältere Schlüssel-Schloss-Bild erklärt die Passgenauigkeit, aber nicht diese Beweglichkeit. Bei der Adenylat-Kinase ist die Bewegung groß genug, um sie direkt zu messen: Zwei bewegliche Bereiche legen sich über das gebundene Molekül, einzelne Kettenabschnitte verschieben sich dabei bis zu 24 Ångström. Diese Bewegung verdrängt zugleich Wasser aus dem aktiven Zentrum, was für viele Reaktionen Voraussetzung ist.

Adenylat-Kinase

Überträgt eine Phosphat-Gruppe zwischen Nucleotiden. Gezeigt werden zwei echte Röntgenstrukturen desselben Proteins: offen (ohne gebundenes Teilchen) und geschlossen. Der Regler blendet zwischen beiden über.

Die echten Substrate ATP und AMP würden im geschlossenen Zustand sofort zu ADP reagieren, bevor ein Kristall wachsen könnte. Verwendet wird deshalb Ap5A: ein Molekül, das beide Bindestellen künstlich vereint und dadurch nicht umgesetzt wird. Ap5A ist kein Zwischenprodukt dieser Reaktion und ohne Rolle im Katalysezyklus – es macht nur den geschlossenen Zustand messbar.

Lysozym

129 Aminosäuren, aus Hühnereiweiß und Tränenflüssigkeit. Spaltet Bausteine bakterieller Zellwände. Das aktive Zentrum liegt in einer Furche; gezeigt ist ein gebundener, zuckerartiger Hemmstoff.

Hexokinase

An diesem Enzym wurde induced fit erstmals vermutet: Daniel Koshland, 1958, bevor die Struktur bekannt war. Gezeigt ist die geschlossene Form mit gebundener Glucose (3B8A). Die zugehörige offene Form stammt von einem verwandten, aber nicht identischen Isoenzym (1IG8, 77 % Übereinstimmung) und wird deshalb nicht als Bewegung dargestellt.

Der Knopf „Reaktion & Freisetzung abspielen“

Fünf Schritte: Anfahrt des Substrats, Schließen, Reaktion, Öffnen, Freisetzen der Produkte. Gemessen sind drei Röntgenstrukturen desselben Proteins (E. coli): offen, geschlossen mit Ap5A, geschlossen mit den echten Produkten (zwei Molekülen ADP).

Illustration, nicht gemessen: die Anfahrt, das Öffnen mit bereits gebundenem Produkt, das Auseinanderdriften am Ende. Diese Bewegungen folgen der gemessenen Öffnungsrichtung der Spalte, sodass die Teilchen durch die Öffnung diffundieren statt durch das Protein.

Die Atome sind in üblichen Elementfarben gezeichnet: Sauerstoff rot, Stickstoff blau, Kohlenstoff schwarz, Phosphor orange.

Was die Darstellung nicht zeigt

Der Übergang zwischen offener und geschlossener Form ist eine Überblendung zwischen zwei Momentaufnahmen, kein berechneter Bewegungsablauf. Kristallstrukturen sind Aufnahmen im Kristall, keine Bilder des arbeitenden Enzyms in Lösung. Bei der Adenylat-Kinase ist zudem nicht das Substrat selbst gebunden, sondern ein Hemmstoff, der beide Substrate nachahmt.