Chemische Spezifität -Chemical specificity
Chemische Spezifität ist die Fähigkeit der Bindungsstelle eines Makromoleküls (z. B. eines Proteins ), spezifische Liganden zu binden . Je weniger Liganden ein Protein binden kann, desto größer ist seine Spezifität.
Spezifität beschreibt die Stärke der Bindung zwischen einem gegebenen Protein und Liganden. Diese Beziehung kann durch eine Dissoziationskonstante beschrieben werden , die das Gleichgewicht zwischen gebundenen und ungebundenen Zuständen für das Protein-Ligand-System charakterisiert. Im Kontext eines einzelnen Enzyms und eines Paares von Bindungsmolekülen können die beiden Liganden aufgrund ihrer Dissoziationskonstanten als stärkere oder schwächere Liganden (für das Enzym) verglichen werden. (Ein niedrigerer Wert entspricht einer stärkeren Bindung.)
Die Spezifität für einen Satz von Liganden steht in keinem Zusammenhang mit der Fähigkeit eines Enzyms , eine gegebene Reaktion mit dem Liganden als Substrat zu katalysieren .
Wenn ein bestimmtes Enzym eine hohe chemische Spezifität aufweist, bedeutet dies, dass der Satz von Liganden, an die es bindet, begrenzt ist, sodass weder Bindungsereignisse noch Katalyse mit einer nennenswerten Geschwindigkeit mit zusätzlichen Molekülen stattfinden können.
Ein Beispiel für ein Protein-Liganden-Paar, dessen Bindungsaktivität hochspezifisch sein kann, ist das Antikörper - Antigen - System. Die Affinitätsreifung führt typischerweise zu hochspezifischen Wechselwirkungen, während naive Antikörper promiskuitiv sind und eine größere Anzahl von Liganden binden. Umgekehrt ist ein Beispiel für ein Protein-Ligand-System, das Substrate binden und mehrere Reaktionen effektiv katalysieren kann, das Cytochrom-P450- System, das aufgrund seiner breiten Spezifität für mehrere Liganden als promiskuitives Enzym angesehen werden kann . Proteasen sind eine Gruppe von Enzymen, die ein breites Spektrum an Spaltungsspezifitäten aufweisen. Promiscuous Proteasen als Verdauungsenzyme bauen Peptide unspezifisch ab, während hochspezifische Proteasen an Signalkaskaden beteiligt sind.
Basis
Bindung
Die Wechselwirkungen zwischen dem Protein und dem Liganden beeinflussen wesentlich die Spezifität zwischen den beiden Einheiten. Elektrostatische Wechselwirkungen und hydrophobe Wechselwirkungen sind bekanntermaßen die einflussreichsten in Bezug darauf, woher die Spezifität zwischen zwei Molekülen stammt. Die Stärke dieser Wechselwirkungen zwischen Protein und Ligand korreliert oft positiv mit ihrer Spezifität füreinander.
Die Spezifität eines Bindungsprozesses hängt stark von der Flexibilität der Bindungspartner ab. Ein starres Protein ist in seinen Bindungsmöglichkeiten sehr eingeschränkt. Ein flexibles Protein kann seine Konformation an eine größere Anzahl von Liganden anpassen und ist daher promiskuitiv. Da der Bindungsprozess normalerweise zu einer Versteifung beider Bindungspartner im Komplex führt, ist die Bindung eines flexiblen Proteins normalerweise mit einem Entropienachteil verbunden. Dies ist der Hauptgrund für die häufig gefundene positive Korrelation von Bindungsaffinität und Bindungsspezifität. Antikörper zeigen eine starke Korrelation zwischen Rigidität und Spezifität. Diese Korrelation reicht weit über das Paratop der Antikörper hinaus
Katalyse
Enzymspezifität bezieht sich auf die Wechselwirkungen zwischen einem bestimmten Enzym und seinem entsprechenden Substrat. Zusätzlich zur Spezifität bei der Bindung seiner Substrate liefern die richtige Nähe und Orientierung sowie die Bindung des Übergangszustands eine zusätzliche Ebene der Enzymspezifität.
Typen
Enzyme unterscheiden sich in der Spezifität der Substrate, an die sie binden, um spezifische physiologische Funktionen auszuführen. Einige Enzyme müssen möglicherweise weniger spezifisch sein und können daher an zahlreiche Substrate binden, um eine Reaktion zu katalysieren. Andererseits erfordern bestimmte physiologische Funktionen eine extreme Spezifität des Enzyms für ein einzelnes spezifisches Substrat, damit eine geeignete Reaktion und ein physiologischer Phänotyp auftreten können. Die verschiedenen Arten der Kategorisierung unterscheiden sich aufgrund ihrer Spezifität für Substrate. Am allgemeinsten werden sie in vier Gruppen eingeteilt: absolute, Gruppen-, Verknüpfungs- und stereochemische Spezifität.
Absolute Spezifität
Absolute Spezifität kann als exklusiv angesehen werden, bei der ein Enzym auf ein spezifisches Substrat einwirkt. Absolut spezifische Enzyme katalysieren nur eine Reaktion mit ihrem spezifischen Substrat. Beispielsweise ist Laktase ein Enzym, das für den Abbau von Laktose in zwei Zuckermonosaccharide, Glucose und Galactose, spezifisch ist. Ein weiteres Beispiel ist Glucokinase , ein Enzym, das an der Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-Phosphat beteiligt ist. Es ist hauptsächlich in der Leber aktiv und das Hauptisozym von Hexokinase . Seine absolute Spezifität bezieht sich darauf, dass Glucose die einzige Hexose ist, die sein Substrat sein kann, im Gegensatz zu Hexokinase, die viele Hexosen als ihr Substrat aufnimmt.
Gruppenspezifität
Gruppenspezifität tritt auf, wenn ein Enzym nur mit Molekülen reagiert, die spezifische funktionelle Gruppen aufweisen, wie etwa aromatische Strukturen, Phosphatgruppen und Methylgruppen. Ein Beispiel ist Pepsin, ein Enzym, das für die Verdauung von Lebensmitteln, die wir mit unserer Nahrung aufnehmen, von entscheidender Bedeutung ist, das Peptidbindungen zwischen hydrophoben Aminosäuren hydrolysiert und aromatische Seitenketten wie Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin erkennt. Ein weiteres Beispiel ist Hexokinase, ein Enzym, das an der Glykolyse beteiligt ist und Glucose phosphoryliert, um Glucose-6-Phosphat zu produzieren. Dieses Enzym zeigt Gruppenspezifität, indem es mehrere Hexosen (6-Kohlenstoff-Zucker) als sein Substrat zulässt. Glucose ist aufgrund ihrer Rolle bei der Glykolyse eines der wichtigsten Substrate in Stoffwechselwegen, an denen Hexokinase beteiligt ist, ist jedoch nicht das einzige Substrat, mit dem Hexokinase eine Reaktion katalysieren kann.
Bindungsspezifität
Die Bindungsspezifität erkennt im Gegensatz zur Gruppenspezifität bestimmte chemische Bindungstypen. Dies unterscheidet sich von der Gruppenspezifität, da sie nicht auf das Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen angewiesen ist, um eine bestimmte Reaktion zu katalysieren, sondern vielmehr auf einen bestimmten Bindungstyp (z. B. eine Peptidbindung).
Stereochemische Spezifität
Diese Art von Spezifität ist empfindlich gegenüber der optischen Orientierungsaktivität des Substrats. Stereochemische Moleküle unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie linear polarisiertes Licht drehen, oder in der Ausrichtung von Bindungen (siehe alpha-, beta-glykosidische Bindungen). Enzyme, die stereochemisch spezifisch sind, binden Substrate mit diesen besonderen Eigenschaften. Beta-Glykosidase reagiert beispielsweise nur mit beta-glykosidischen Bindungen, die in Cellulose vorhanden sind, aber nicht in Stärke und Glykogen, die alpha-glykosidische Bindungen enthalten. Dies ist relevant dafür, wie Säugetiere Nahrung verdauen können. Zum Beispiel ist das Enzym Amylase im Speichel von Säugetieren vorhanden, das stereospezifisch für Alpha-Bindungen ist, weshalb Säugetiere Stärke und Glykogen als Energieformen effizient nutzen können, aber nicht Zellulose (weil es eine Beta-Bindung ist). ).
Festlegung
, ist als spezifische Gleichgewichtsdissoziationskonstante für die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes bekannt. wird als Maß für die Affinität verwendet, wobei höhere Werte eine geringere Affinität anzeigen.
Für die gegebene Gleichung (E = Enzym, S = Substrat, P = Produkt)
wäre äquivalent zu , wobei und die Geschwindigkeiten der Hin- bzw. Rückreaktion bei der Umwandlung einzelner E und S in den Enzym-Substrat-Komplex sind.
Die Informationstheorie ermöglicht eine quantitativere Definition der Spezifität durch Berechnung der Entropie im Bindungsspektrum.
Anwendung auf die Enzymkinetik
Die chemische Spezifität eines Enzyms für ein bestimmtes Substrat kann unter Verwendung von zwei Variablen gefunden werden, die aus der Michaelis-Menten-Gleichung abgeleitet werden. nähert sich der Dissoziationskonstante von Enzym-Substrat-Komplexen an. stellt die Turnover-Rate oder die Anzahl der Reaktionen dar, die durch ein Enzym über die Enzymmenge katalysiert werden. over ist als Spezifitätskonstante bekannt , die ein Maß für die Affinität eines Substrats zu einem bestimmten Enzym angibt. Diese Beziehung, die auch als Effizienz eines Enzyms bekannt ist, zeigt die Präferenz eines Enzyms für ein bestimmtes Substrat. Je höher die Spezifitätskonstante eines Enzyms ist, desto höher ist die Präferenz für dieses Substrat.
Bedeutung
Relevanz für die medizinische Forschung
Die enzymatische Spezifität bietet nützliche Einblicke in die Enzymstruktur , die letztendlich die physiologischen Funktionen bestimmt und eine Rolle spielt. Spezifitätsstudien können auch Informationen über den katalytischen Mechanismus liefern.
Spezifität ist wichtig für die Entdeckung neuer Arzneimittel und das Gebiet der klinischen Forschung, wobei neue Arzneimittel in verschiedenen Runden klinischer Studien auf ihre Spezifität für das Zielmolekül getestet werden. Medikamente müssen möglichst spezifische Strukturen enthalten, um die Möglichkeit von Off-Target-Wirkungen zu minimieren, die beim Patienten ungünstige Symptome hervorrufen würden. Medikamente hängen von der Spezifität der entworfenen Moleküle und Formulierungen ab, um bestimmte molekulare Ziele zu hemmen. Die Entdeckung neuer Arzneimittel schreitet mit Experimenten mit hochspezifischen Verbindungen voran. Beispielsweise ist die Grundlage, dass Medikamente nachweislich erfolgreich sein müssen, sowohl die Fähigkeit, den Zielrezeptor in der physiologischen Umgebung mit hoher Spezifität zu binden, als auch seine Fähigkeit, ein Signal weiterzuleiten, um eine günstige biologische Wirkung gegen die Krankheit oder das Leiden hervorzurufen Droge soll negieren.
Anwendungen
Wissenschaftliche Techniken wie die Immunfärbung hängen von der chemischen Spezifität ab. Die Immunfärbung nutzt die chemische Spezifität von Antikörpern, um ein interessierendes Protein auf zellulärer Ebene nachzuweisen. Eine andere Technik, die auf chemischer Spezifität beruht, ist Western Blotting, das verwendet wird, um ein bestimmtes interessierendes Protein in einem Gewebe nachzuweisen. Diese Technik beinhaltet Gelelektrophorese, gefolgt von der Übertragung der Probe auf eine Membran, die mit Antikörpern gefärbt ist. Antikörper sind spezifisch für das interessierende Zielprotein und enthalten eine fluoreszierende Markierung, die das Vorhandensein des interessierenden Proteins des Forschers signalisiert.