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kompetetive Hemmung

Prozesse zur ATP-Gewinnung
Enzymatik - Grundlage: Proteinwissen generell / Möglichkeiten der Enzymbeeinflussung

Das optimale Zusammenspiel von Enzym und Substrat ermöglicht eine schnellstmögliche Umsetzung des Substrats.

Liegt die maximale Substratkonzentration vor (Sättigungsbereich der Michaelis-Menten-Kinetik), kann die Wechselzahl bestimmt werden. Die Wechselzahl beschreibt die Anzahl Substratmoleküle, die pro Zeiteinheit umgesetzt werden.

Michaelis-Menten-Kinetik
Michaelis-Menten-Kinetik

Das Enzym Carboanhydrase kann 600.000 Substrate pro Sekunde umsetzten, Lysozym hingegen nur 30 Substratmoleküle pro Minute. Die Werte für KM und vmax sowie die Wechselzahl sind für ein Enzym und ein Substrat spezifisch.

Wird das optimale Zusammenspiel gestört, spricht man von EnzymHemmung. Hierbei wird die Aktivität des Enzyms durch einen Inhibitor (Hemmstoff) negativ beeinflusst. Die Enzymhemmung kann reversibel oder irreversibel sein. Der Ablauf dieser Hemmung lässt sich wie folgt beschreiben:

  • Das Inhibitormolekül ist der Struktur des Enzymsubstrats sehr ähnlich (= Substratanalogon)
  • Inhibitor bindet im aktiven Zentrum!
  • Das Substratanalogon (= Inhibitor) kann vom Enzym nicht umgesetzt werden und hemmt dadurch die Enzymwirkung
  • Substrat und Inhibitor können nicht gleichzeitig an das Enzym binden, da beide die gleiche Position im Enzym besetzen (aktives Zentrum). Ein Wettbewerb (engl. competition) zwischen dem eigentlichen Substrat und dem Inhibitor setzt ein.
  • Der Inhibitor wird durch Zugabe von hohen Mengen Substrat verdrängt!

Beispiel

Die Alkohol-Dehydrogenase (ADH) baut Ethanol ab, es entsteht Pyruvat, das nun im Stoffwechsel z.B. zur Energiegewinnung verwendet werden kann. Alkohole wie z.B. Methanol binden ebenso an die ADH. Methanol wird in Formaldehyd umgewandelt, was zu Vergiftungen im Körper führt. Der kompetitive Hemmstoff Methanol wird durch Gabe von Ethanol (dem eigentlichen Substrat) verdrängt, die Vergiftung verhindert.

Wie sieht die Kompetitive Hemmung grafisch aus?

Wie in der Michaelis-Menten-Kinetik beschrieben, ist die Geschwindigkeit des Enzyms von der Substratkonzentration abhängig.

Je mehr Substrat vorhanden ist, desto schneller arbeitet eine gegebene Menge Enzym. Die Enzymaktivität wird bis zu einer für jedes Enzym und jedes Substrat spezifischen maximalen Geschwindigkeit (vmax) gesteigert. Eine sogenannte Sättigung wird erreicht (der Graph entspricht einer Sättigungskurve). Alle aktiven Zentren sind mit Substrat besetzt. Erst nach Umsatz dieses Substrats kann das nächste Substratmolekül aufgenommen und umgesetzt werden.

Wie sieht eine Enzymhemmung in der grafischen Darstellung aus? In den folgenden Abbildungen ist immer in BLAU die nicht gehemmt Reaktion gezeigt, in ROT die Reaktion mit Inhibitor.

Der Inhibitor ist sehr ähnlich der Substratstruktur. Beide – Substrat und Inhibitor – haben ihre Bindestelle im aktiven Zentrum. Entsprechend können nicht beide möglichen Bindungspartner gleichzeitig an das Enzym binden!
Es resultieren insgesamt drei Möglichkeiten, wie das Enzym vorliegen kann:

  • als freies Enzym E,
  • als Enzym-Substrat-Komplex ES oder
  • als Enzym-Inhibitor-Komplex EI.

Die Anfangssteigerung der gehemmten Enzymreaktion ist flacher, die Messung betrachtet nur umgesetztes Substrat. Da nun ein Wettbewerb zwischen ES und EI besteht, aber nur ES zu einem messbaren Produkt führt, wird die Enzymreaktion langsamer. Bei steigender Substratkonzentration verdrängt das Substrat den Inhibitor nach und nach. Die enzym- und substratspezifische Maximalgeschwindigkeit wird erreicht!

Situation: Inhibitor ist sehr ähnlich der Subtratstruktur. Beide – Substrat und Inhibitor – haben ihre Bindestelle im aktiven Zentrum. Daher können nicht beide möglichen Bindungspartner gleichzeitig an das Enzym binden! Es gibt daher drei Möglichkeiten, wie das Enzym vorliegen kann: Als freies Enzym E, als Enzym-Substrat-Komplex ES oder als Enzym-Inhibitor-Komplex EI. Die Anfangssteigerung der gehemmten Enzymreaktion ist flacher, die Messung betrachtet nur umgesetztes Substrat. Da nun ein Wettbewerb zwischen ES und EI besteht, aber nur ES zu einem messbaren Produkt führt, wird die Enzymreaktion langsamer. Bei steigender Substratkonzentration, verdrängt das Substrat den Inhibitor nach und nach. Die enzym- und substratspezifische Maximalgeschwindigkeit wird erreicht!

Video: kompetetive Hemmung

Wird das optimale Zusammenspiel gestört, spricht man von Enzymhemmung. Hierbei wird die Aktivität des Enzyms durch einen Inhibitor (Hemmstoff) negativ beeinflusst. Die Enzymhemmung kann reversibel (= kann rückgängig gemacht werden) oder irreversibel (= nicht rückgängig zu machen) sein.
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Autor: Dr. Martina Henn-Sax

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