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

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

Die Carboanhydrase kann 600.000 Substrate pro Sekunde umsetzten, Lysozym hingegen nur 30 Substratmoleküle pro Minute. Diese Werte (KM, vmax und 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 (= kann rückgängig gemacht werden) oder irreversibel (= nicht rückgängig zu machen) sein.

kompetitive Hemmung

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!
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!
  • 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 entsteht.
  • Der Inhibitor wird durch Zugabe von hohen Mengen Substrat verdrängt!

Beispiel

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

Video: Enzymhemmung

Das optimale Zusammenspiel von Enzym und Substrat ermöglicht eine schnellstmögliche Umsetzung des Substrats. Liegt die maximale Substratkonzentration vor (Sättigungsbereich der Michaelis-Menten-Kinetik, siehe Abbildung), dann kann die Wechselzahl bestimmt werden. Die Wechselzahl beschreibt die Anzahl Substratmoleküle, die pro Zeiteinheit umgesetzt werden.

Merke

Kompetitive Hemmung: Das Inhibitormolekül ist der Struktur des Enzymsubstrats sehr ähnlich (= Substratanalogon). => Inhibitor bindet im aktiven Zentrum!

nicht kompetitive Hemmung

Video: Enzymhemmung

Das optimale Zusammenspiel von Enzym und Substrat ermöglicht eine schnellstmögliche Umsetzung des Substrats. Liegt die maximale Substratkonzentration vor (Sättigungsbereich der Michaelis-Menten-Kinetik, siehe Abbildung), dann kann die Wechselzahl bestimmt werden. Die Wechselzahl beschreibt die Anzahl Substratmoleküle, die pro Zeiteinheit umgesetzt werden.

Der Inhibitor bindet außerhalb des aktiven Zentrums bzw. der Substratbindestelle.

  • Die Inhibitorbindung erfolgt weniger spezifisch, verändert aber die Raumstruktur des aktiven Zentrums! Das eigentliche Substrat kann nicht so gut gebunden werden.
  • Inhibitoren sind oft Schwermetalle (Hg2+, Pb2+)
  • Nicht-kompetitive Inhibition kann sehr gut zur Regulation von Stoffwechselwegen eingesetzt werden, z.B. bei der Synthese des Isoleucins. Das Endprodukt Isoleucin hemmt das erste Enzym des Stoffwechselweges. Die Isoleucinproduktion wird damit “heruntergefahren”.
nicht kompetitive Hemmung: Der Inhibitor bindet außerhalb des aktiven Zentrum. Das aktive Zentrum ist frei für das Substrat. Betrachtet man, welche Enzymzustände es gibt, so finden sich das freie Enzym mit Inhibtor (IE) sowie das substratbesetzte Enzym mit Inhibitor (IES). Der Inhibitor bindet unabhängig vom Substrat bzw. der Substratkonzentration an das Enzym! Damit wird – durch Veränderung des aktiven Zentrums durch den Einfluss des Inhibitors – die Geschwindigkeit des Enzyms derart beeinflusst, dass ein „neuer“ Maximalwert erreicht wird, der unter vmax der ungehemmten Enzymreaktion liegt. Die Steigerung der Substratkonzentration führt zum „gehemmten“ Maximalwert, kann aber nie das „ungehemmte“ vmax erreichen!
nicht kompetitive Hemmung: Der Inhibitor bindet außerhalb des aktiven Zentrum. Das aktive Zentrum ist frei für das Substrat. Betrachtet man, welche Enzymzustände es gibt, so finden sich das freie Enzym mit Inhibtor (IE) sowie das substratbesetzte Enzym mit Inhibitor (IES). Der Inhibitor bindet unabhängig vom Substrat bzw. der Substratkonzentration an das Enzym! Damit wird – durch Veränderung des aktiven Zentrums durch den Einfluss des Inhibitors – die Geschwindigkeit des Enzyms derart beeinflusst, dass ein „neuer“ Maximalwert erreicht wird, der unter vmax der ungehemmten Enzymreaktion liegt. Die Steigerung der Substratkonzentration führt zum „gehemmten“ Maximalwert, kann aber nie das „ungehemmte“ vmax erreichen!
Isoleucin-Biosyntheseweg - Die erste Enzymreaktion wird vom Endprodukt gehemmt.
Isoleucin-Biosyntheseweg - Die erste Enzymreaktion wird vom Endprodukt gehemmt.

Merke

nicht kompetitive Hemmung: Der Inhibitor bindet außerhalb des aktiven Zentrums bzw. der Substratbindestelle.

Enzymmodifikationen

  • Enzyme können durch Veränderungen in ihrer Aktivität beeinflusst werden. Die Hauptmodifikation ist dabei die Phosphorylierung des Enzyms. Das heißt, das Enzym wird durch das Anhängen einer Phosphatgruppe an einer bestimmten Bindestelle aktiviert (oder deaktiviert).
  • Diese Enzymmodifikationen finden sich oft bei Schlüsselenzymen des Stoffwechsels. Diese werden durch anhängen eines Phosphatrestes in den enzymatisch aktiven Zustand versetzt. So können beispielsweise Auf- und Abbauwege über ein Signal an- bzw. ausgeschaltet werden.

                  Bsp: Glykogenphosphorylase und Glykogensynthase zum Abbau bzw. Aufbau des   tierischen Speicherstoffs Glykogen.

Allosterische Hemmung und nicht-kompetitive Hemmung können vom Mechanismus her gleich gesetzt werden. Der Inhibitor bindet ausserhalb des aktiven Zentrums, verändert es aber so, dass die Aktivität des Enzyms herabgesetzt wird. Es gibt ebenso den Fall der allosterischen Aktivierung. Auch hier bindet ein Molekül (dann Aktivator genannt) an das Enzym.
Allosterische Hemmung und nicht-kompetitive Hemmung können vom Mechanismus her gleich gesetzt werden. Der Inhibitor bindet außerhalb des aktiven Zentrums, verändert es aber so, dass die Aktivität des Enzyms herabgesetzt wird. Es gibt ebenso den Fall der allosterischen Aktivierung. Auch hier bindet ein Molekül (dann Aktivator genannt) an das Enzym.
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Autor: Dr. Martina Henn-Sax

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