Multi-Substrat-Enzyme

Die meisten Enzyme wirken auf zwei oder mehr Substrate, und ihre Kinetik ist komplexer als der Michaelis-Menten-Fall mit einem Substrat. Multi-Substrat-Reaktionen verlaufen nach unterschiedlichen Mechanismen, sequenziell oder Ping-Pong, die sich darin unterscheiden, ob alle Substrate binden müssen, bevor ein Produkt freigesetzt wird. Diese Mechanismen können anhand der Muster unterschieden werden, die ihre Geschwindigkeitsgleichungen im stationären Zustand erzeugen, wenn die Anfangsgeschwindigkeit als Funktion jedes Substrats untersucht wird.

Definition

Ein Multi-Substrat-Enzym katalysiert eine Reaktion, an der zwei oder mehr Substrate (und Produkte) beteiligt sind; sein kinetischer Mechanismus spezifiziert die Reihenfolge, in der Substrate binden und Produkte freigesetzt werden, klassifiziert hauptsächlich als sequenziell (alle Substrate binden, bevor ein Produkt freigesetzt wird) oder Ping-Pong (ein Produkt wird zwischen Substratbindungsereignissen über ein modifiziertes Enzym freigesetzt).

Scope

Das Thema behandelt die Klassifizierung von Multi-Substrat-Mechanismen (insbesondere Bisubstrat-Mechanismen) in geordnete sequentielle, zufällige sequentielle und Ping-Pong-Typen, die Geschwindigkeitsgleichungen im stationären Zustand und die grafischen Muster, die zu ihrer Unterscheidung verwendet werden, sowie die dafür eingeführte systematische Nomenklatur. Es handelt sich um Referenzmethodik, nicht um klinische Leitlinien.

Core questions

• In welcher Reihenfolge binden Substrate und dissoziieren Produkte?
• Wie unterscheiden sich sequentielle und Ping-Pong-Mechanismen kinetisch?
• Wie werden diese Mechanismen anhand von Anfangsgeschwindigkeitsdaten unterschieden?
• Was verraten die Steigungen und Achsenabschnitte von doppelt-reziproken Diagrammen?

Key concepts

• Sequenzielle (Ternärkomplex-)Mechanismen
• Geordnete versus zufällige Bindung
• Ping-Pong (Doppelverdrängungs-)Mechanismen
• Substituiertes Enzym-Intermediat
• Anfangsgeschwindigkeits-Doppelreziprok-Muster
• Cleland-Nomenklatur (Uni, Bi, Ter)

Key theories

Cleland-Klassifikation von Multi-Substrat-Mechanismen

Eine systematische Nomenklatur und ein Satz von Geschwindigkeitsgleichungen im stationären Zustand, die Reaktionen nach der Anzahl der Substrate und Produkte sowie nach der Bindungsreihenfolge klassifizieren und geordnete und zufällige sequentielle Mechanismen von Ping-Pong-Mechanismen unterscheiden.

Mechanisms

Bei sequenziellen Mechanismen binden alle Substrate, um einen zentralen Komplex zu bilden, bevor ein Produkt freigesetzt wird; die Bindung kann geordnet, mit einer definierten Reihenfolge, oder zufällig sein. Bei Ping-Pong-Mechanismen wird ein oder mehrere Produkte freigesetzt, bevor alle Substrate gebunden haben, und das Enzym durchläuft zwischen den Halbreaktionen eine kovalent oder anderweitig modifizierte Form. Diese Mechanismen werden kinetisch diagnostiziert, indem die Anfangsgeschwindigkeit gemessen wird, während ein Substrat bei mehreren festen Konzentrationen des anderen variiert wird: Sequenzielle Mechanismen ergeben typischerweise Familien von sich schneidenden Linien in doppelt-reziproken Diagrammen, während Ping-Pong-Mechanismen parallele Linien ergeben, da bei letzteren die beiden Substrate mit unterschiedlichen Enzymformen interagieren. Eine systematische Nomenklatur beschreibt die Anzahl der Substrate und Produkte (Uni, Bi, Ter) und die Bindungsreihenfolge, und die entsprechenden Geschwindigkeitsgleichungen im stationären Zustand ermöglichen es, kinetische Konstanten bestimmten Schritten zuzuordnen.

Clinical relevance

Der Mechanismus eines Multi-Substrat-Enzyms beeinflusst, wie sich seine Inhibitoren in Bezug auf jedes Substrat verhalten, was ein relevanter Hintergrund für die Pharmakologie von Enzym-zielgerichteten Medikamenten und für die Interpretation von Enzymtests ist. Das Thema beschreibt diese Mechanismen und ihre kinetischen Signaturen als Referenzmaterial und ist keine Grundlage für individuelle diagnostische oder Behandlungsentscheidungen.

History

Obwohl Enzyme, die auf mehrere Substrate wirken, lange bekannt waren, entstand eine vereinheitlichte kinetische Behandlung mit Clelands Serie von 1963, die eine systematische Nomenklatur und die Geschwindigkeitsgleichungen im stationären Zustand einführte, die es ermöglichten, anhand von Anfangsgeschwindigkeitsmustern geordnete, zufällige und Ping-Pong-Mechanismen zu identifizieren. Umfassende Lehrbuchbehandlungen wie die von Segel konsolidierten später die Analysemethoden.

Key figures

• W. Wallace Cleland
• Irwin Segel
• Alan Fersht

Seminal works

• cleland-1963

Frequently asked questions

Wie kann man einen sequenziellen Mechanismus von einem Ping-Pong-Mechanismus unterscheiden?

Anhand des Musters von doppelt-reziproken Diagrammen: Die Variation eines Substrats bei mehreren festen Konzentrationen des anderen ergibt in der Regel sich schneidende Linien für sequentielle Mechanismen und parallele Linien für Ping-Pong-Mechanismen.

Was ist ein Ping-Pong-Mechanismus?

Es ist ein Doppelverdrängungsmechanismus, bei dem das Enzym mit einem Substrat reagiert und ein Produkt freisetzt, wobei eine modifizierte Enzymform zurückbleibt, bevor es das nächste Substrat bindet und die Reaktion abschließt.