Citrat-Synthase

Die Citrat-Synthase ist ein Enzym aus dem Citratzyklus. Es katalysiert die Kondensation von Oxalacetat mit Acetyl-CoA zu Citrat.

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Abb. 1 zeigt die röntgenkristallographisch ermittelte Quartärstruktur des Enzyms, welches als Dimer zweier gleichartiger Untereinheiten vorliegt (PDB-Bezeichnung 1CSI).

  Bei der Reaktion (Abb. 2) tritt zunächst das Anion des Asparaginsäurerestes ASP-375 als katalysierende Base auf, das, zusammen mit der polarisierend auf die Carbonylgruppe des Acetyl-CoA wirkenden Imidazolyl-Gruppe des Histidinrestes HIS-274, aus der aktivierten Essigsäure 1 über eine Deprotonierung ein als reaktives Zwischenprodukt zu formulierendes Enolat 2 erzeugt, welches analog einer Claisen-Kondensation mit dem Oxalacetat stereospezifisch zum S-Citryl-CoA 3 reagiert.

Die nachfolgende Hydrolyse des Thioesters zum prochiralen Citrat 4 ist stark exergon (ΔG^o < -30 kJ/mol), was diesen Schritt und damit die von der Citrat-Synthase katalysierte Gesamtreaktion irreversibel macht. Citrat als Produkt dieser Reaktion konkurriert mit Oxalacetat um die Bindung an die Citrat-Synthase, so dass eine große Konzentration an Citrat - trotz der hohen Exergonie der Reaktion - die Reaktion inhibiert. Es liegt eine kompetitive Produkthemmung vor.

Das in der Abb. 3 wiedergegebene katalytische Zentrum enthält statt des natürlich auftretenden Acetyl-CoA ein synthetisches Analogon (CMX, Carboxymethyldethia-CoA), welches, im Aufbau der Enolform des Acetyl-CoA sehr ähnelnd, gut an dessen Stelle an die Citrat-Synthase bindet, aber nicht als Reaktionspartner im Sinne der Claisen-Kondensation taugt. Dieses Acetyl-CoA-Analoge inhibiert folglich die Reaktion, macht aber die Lage der Substrate im Substrat-Enzym-Komplex sichtbar und ermöglicht somit einen tiefen Einblick in den Mechanismus dieser enzymkatalysierten Reaktion.

Der Mechanismus der Claisen-Kondensation gilt für diese Reaktion mittlerweile als umstritten (auch wenn er weiterhin in den meisten Lehrbüchern anzutreffen ist), da die Abstraktion eines Protons (hoher pKs) durch einen Aspartat-Rest (niedriger pKs) extrem unwahrscheinlich ist. Nach neueren Erkenntnissen bringt das Enzym durch Konformationsänderungen beide Reaktionspartner einander derart nahe, dass das betrachtete Proton weder der Methylgruppe noch dem Aspartat-Rest zugeordnet werden kann und ein Übergang hierdurch begünstigt wird. Dies erinnert an den Mechanismus von Low Barrier Hydrogen Bonds, welche nur durch räumliche Nähe von Donor und Akzeptor ausgebildet werden können und mit -40 bis -80 KJ/mol deutlich stabiler sind als "gewöhnliche" Wasserstoffbrücken, doch auch dieses Modell wird dem realen Reaktionsmechanismus nur ansatzweise gerecht. Es muss an dieser Stelle festgestellt werden, dass der Mechanismus der Citrat-Synthase trotz zahlloser Arbeiten und Publikationen auf diesem Gebiet noch immer nicht vollständig geklärt ist.

Literatur

1. ↑ : K. C. Usher, S. J. Remington, D. P. Martin, D. G. Drueckhammer, A very short hydrogen bond provides only moderate stabilization of an enzyme-inhibitor complex of citrate synthase. In: Biochemistry 33, S. 7753-7759, 1994