Triosephosphatisomerase

Die Triosephosphatisomerase (TIM) ist ein Enzym der Glykolyse. Es stellt ein Gleichgewicht zwischen den Zwischenprodukten Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) her. Die Substrate entstehen aus Fructose-1,6-Bisphosphat in der vorgelagerten Aldolase-Reaktion. Das Gleichgewicht liegt stark auf der Seite des DHAP, für den Fortlauf der Glykolyse wird allerdings GAP benötigt, so dass sich das Gleichgewicht durch Produktentnahme verschiebt (Prinzip von Le Chatelier).

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Die Katalyse erfolgt über ein Endiol- bzw. Endiolat-Intermediat. Hierbei tritt ein Glutamat-Rest (Glu¹⁶⁵) im aktiven Zentrum des Enzyms mit dem ungewöhnlich hohen pK_s-Wert von 6,5 als Base auf, ein Histidin-Rest (His⁹⁵) als Säure.

Die Umsetzung von GAP zu DHAP erfordert einen ausgefallenen Reaktionsmechanismus, in dessen Verlauf Glu¹⁶⁵ ein H⁺-Ion vom C-Atom 2 abstrahiert, während His⁹⁵ ein H⁺-Ion ans C1-Atom abgibt. Dieser Mechanismus kann, da die Carboxylgruppe des Glu viel azider (saurer) als das C2-Atom ist, unter nicht-enzymatischen Bedingungen keinesfalls ablaufen. Die TIM bildet durch die ideal auf das Substrat angelegte Umgebung des aktiven Zentrums hingegen sog. Low Barrier Hydrogen Bonds (LBHB) aus, eine spezielle Art von Wasserstoff-Brücken, die mit -40 bis -80 KJ/mol (anstatt etwa -12 bis -30 KJ/mol) deutlich stabiler sind. Diese LBHB werden durch gleichzeitige Protonierung und Deprotonierung an den C-Atomen C1 bzw. C2 erreicht.

Eine 10 Aminosäuren lange Sequenz des Enzyms, ein sogenannter Loop, verdeckt das aktive Zentrum im substratbeladenen Zustand. Einerseits wird damit das Endiol-Zwischenprodukt stabilisiert und die katalytische Aktivität auf diese Weise um den Faktor 10⁵ erhöht, andererseits wird ein Entweichen dieses Zwischenprodukts verhindert - das Endiolphosphat würde spontan dephosphorylieren und sich zum toxischen Methylglyoxal umlagern.

Die TIM gilt als sog. "perfektes Enzym". Dies bedeutet, dass Veränderungen am Enzym, gleich welcher Art, keine Umsatzsteigerung mehr herbeizuführen vermögen: Die Wechselzahl von 4300 Substratmolekülumsätzen pro Sekunde wird nur durch die Diffusionsgeschwindigkeiten von Substrat und Produkt begrenzt.