Katalytische Triade

Als katalytische Triade bezeichnet man in der Biochemie eine spezielle Anordnung von drei Aminosäuren, die einige aktive Zentren von Enzymen kennzeichnet. Eine katalytische Triade findet sich in Serinproteasen; sowohl katalytische Triaden als auch Diaden finden sich bei Thiol- und Cysteinproteasen.

Aufbau

Aufbau bei Serinproteasen

In Serinproteasen wird die katalytische Triade aus Aspartat, Histidin und Serin gebildet, deren Aminosäurereste über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Der Aspartat-Rest befindet sich in einer für das Lösungsmittel unzugänglichen Tasche und bildet eine Wasserstoffbrücke zu der N-H-Gruppe des Histidinrestes aus. Das so polarisierte Histidin wiederum bildet mit dem zweiten ringgebundenen Stickstoff eine Wasserstoffbrücke zu der OH-Gruppe des Serinrestes aus. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Bindung wird hierdurch stark polarisiert und die Nukleophilie des Sauerstoffs weiter erhöht.

Aufbau bei Thiol- und Cysteinproteasen

Bei Thiol- und Cysteinproteasen kommen sowohl katalytische Di- als auch Triaden vor. Die katalytische Diade besteht dabei aus Cystein und Histidin, die Triade aus Cystein-Histidin-Asparagin/Aspartat/Glutamin oder Glutaminsäure.

Katalysemechanismus

Reaktionsmechanismus einer Serinprotease

Serinproteinasen katalysieren als Endopeptidasen die hydrolytische Spaltung von Peptidbindungen in Proteinen. Nach Ausbildung des Enzym-Substrat-Komplexes erfolgt ein nukleophiler Angriff des Serin-Sauerstoffs auf den Carbonyl-Kohlenstoff der Peptidbindung unter Ausbildung einer kovalenten Tetraeder-Zwischenstufe. Dabei wird der Wasserstoff aus der Wasserstoffbrücke zum Histidin übertragen. Im zweiten Schritt dient der soeben übertragene Wasserstoff zur Protonierung des Peptid-Stickstoffs, wodurch die Peptidbindung gespalten wird. Der entstandene N-Terminus des gespalteten Proteins diffundiert weg und wird durch Wasser aus dem Lösemittel ersetzt. Eine Wasserstoffbrücke zum Histidin-Rest ermöglicht den nukleophilen Angriff des Wassers am seringebundenen Carbonyl-Kohlenstoff. Nach vollständiger Übertragung des Wasserstoffs zum Histidin erfolgt im letzten Schritt die Ausbildung der ursprünglichen Wasserstoffbrücke zwischen Serin und Histidin wodurch die kovalente Bindung zum Substrat gespalten wird und der neuentstandene C-Terminus des gespaltenen Proteins abdiffundieren kann. Aufgrund der kovalenten Zwischenstufen gehört der Mechanismus zur Gruppe der kovalenten Katalyse, während der Einfluss des Aspartat-Rests auf das Histidin eine elektrostatische Katalyse darstellt.

Literatur


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