Substratspezifität

Substratspezifität bezeichnet die Eigenschaft eines Enzyms oder eines katalytischen Systems, bevorzugt bestimmte Substrate zu erkennen, zu binden und in ein Produkt umzuwandeln. Sie beschreibt, wie eng die Substratstruktur mit der Bindungsstelle des Katalysators übereinstimmen muss, um eine Reaktion effizient zu ermöglichen. Man unterscheidet Formen der Substratspezifität: absolute Substratspezifität (nur ein bestimmter Substrat wird umgesetzt); Gruppen- oder Substratgruppen-Spezifität (Substrate mit einer gemeinsamen funktionellen Gruppe werden akzeptiert); Verknüpfungsspezifität (Bestimmte Bindungsarten im Substrat werden selektiv erkannt) und Stereospezifität (Enantiomere oder Diastereomere werden unterschiedlich behandelt).

Die Spezifität ergibt sich aus der räumlichen Passung des Substrats zum aktiven Zentrum, Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken, Ionenbindungen und Hydrophobie sowie aus der Fähigkeit des Enzyms zur induzierten Passform. Der Übergangszustand wird durch spezifische Bindungen stabilisiert, was die Reaktionsrate bestimmt. Umweltfaktoren wie pH-Wert, Temperatur und Cofaktoren können die Substratspezifität beeinflussen. Mutationen im aktiven Zentrum oder chemische Modifikationen können die Substratspezifität verändern.

Typische Beispiele sind Enzyme wie Sucrase, die Saccharose bevorzugt, und Lactase (β-Galaktosidase), die Lactose abbaut. Proteasen wie Trypsin reagieren bevorzugt mit bestimmten Aminosäureresten (z. B. Lysin oder Arginin) am C-Terminus. Restriktionsendonukleasen erkennen spezifische DNA-Sequenzen. Manche Enzyme zeigen Substrat-Promiskuität und können mehrere nahe verwandte Substrate betreffen; andere sind Moonlighting-Enzyme mit unterschiedlichen Funktionen.

Die Substratspezifität wird oft durch kinetische Parameter beschrieben, insbesondere kcat, Km und die Spezifitätskonstante kcat/Km. Methoden zur Bestimmung umfassen Enzymkinetik, Strukturanalysen (Kristallographie, Cryo-EM) und Mutationsstudien. In der Praxis ist die Substratspezifität zentral für Stoffwechselwege, biotechnologische Anwendungen und die Wirkstoffentwicklung, wobei gezielte Änderungen der Spezifität erwünscht sein können, etwa durch Proteinengineering oder Enzymverbesserung.