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Kurs: Biologie Bibliothek > Lerneinheit 7
Lektion 6: EnzymregulationEnzymregulation
Cofaktoren und Coenzyme. Reversible, irreversible, kompetitive und nicht-kompetitive Inhibitoren. Allosterische Enzyme. Feedback-Hemmung.
Einführung
Die Zellen deines Körpers sind in der Lage, viele verschiedene Enzyme herzustellen, und zuerst denkst du vielleicht: Klasse, lass uns alle diese Enzyme ankurbeln und den Stoffwechsel so schnell wie möglich machen! Wie sich aber herausstellt, willst du nicht wirklich alle diese Enzyme zur gleichen Zeit oder in der gleichen Zelle produzieren und aktivieren.
Die Bedürfnisse und Bedingungen sind von Zelle zu Zelle unterschiedlich und ändern sich in einzelnen Zellen im Laufe der Zeit. Magenzellen benötigen zum Beispiel andere Enzyme als Fettspeicherzellen, Hautzellen, Blutzellen oder Nervenzellen. Außerdem arbeitet eine die Verdauung fördernde Zelle viel stärker in der Zeit nach einer Mahlzeit, um Nährstoffe zu verarbeiten und aufzuspalten, als viele Stunden nach der Mahlzeit. Und so wie die zellulären Ansprüche und die Bedingungen sich ändern, so ändern sich auch die Mengen und Funktionen verschiedener Enzyme.
Weil Enzyme den Stoffwechsel einer Zelle regulieren, werden sie sorgfältig kontrolliert. In diesem Artikel schauen wir uns die Faktoren an, die die Enzymaktivität beeinflussen oder kontrollieren können. Zu diesen gehören der pH-Wert und die Temperatur (wie im Artikel Aktives Zentrum beschrieben) und auch:
- Regulatorische Moleküle. Die Enzymaktivität kann durch Aktivatoren und Inhibitoren, die spezifisch an das Enzym binden, "hoch-" oder "runtergedreht" werden.
- Cofactoren. Viele Enzyme sind nur aktiv, wenn an sie an ein helfendes Nicht-Protein-Molekül, einem Cofaktor, gebunden ist.
- Kompartimentierung. Speicherung von Enzymen in bestimmten Kompartimenten kann sie davon abhalten, Schaden anzurichten, oder die richtigen Bedingungen für ihre Aktivität zu bieten.
- Feedback-Hemmung. Metabolische Schlüsselenzyme werden häufig durch das Endprodukt des Weges, den sie kontrollieren, gehemmt (Feedback-Hemmung).
Im Rest dieses Artikels werden wir einen dieser Faktoren nach dem anderen untersuchen und uns anschauen, wie jeder die Enzymaktivität beeinflussen kann.
Regulatorische Moleküle
Enzyme können durch andere Moleküle reguliert werden, die ihre Aktivität entweder erhöhen oder reduzieren. Moleküle, die die Aktivität eines Enzyms erhöhen, werden Aktivatoren genannt. Moleküle, welche die Aktivität eines Enzyms reduzieren, heißen Inhibitoren.
Es gibt viele Arten von Molekülen, die die Enzymfunktion hemmen oder fördern und auf verschiedene Weisen beeinflussen.
Kompetitive versus nicht-kompetitive
In vielen gut untersuchten Fällen ist die Bindung eines Aktivators oder Inhibitors reversibel, das heißt, das Molekül bindet nicht dauerhaft an das Enzym. Einige wichtige Arten von Medikamenten fungieren als reversible Inhibitoren. Zum Beispiel der Wirkstoff Tipranavir, der zur Behandlung von HIV eingesetzt wird, ist ein reversibler Inhibitor.
Reversible Inhibitoren können auf Basis ihres Bindungsverhaltens in Gruppen eingeteilt werden. Wir werden hier nicht alle Arten besprechen, aber wir werden uns zwei wichtige Gruppen anschauen: kompetitive und nicht-kompetitive Inhibitoren.
- Ein Inhibitor kann an ein Enzym binden und die Bindung des Substrats, zum Beispiel durch Anlagerung an das aktive Zentrum, hemmen. Dies wird als kompetitive Hemmung bezeichnet, weil der Inhibitor mit dem Substrat des Enzyms "konkurriert". Das heißt, das zur gleichen Zeit nur der Inhibitor oder das Substrat gebunden werden kann.
- Bei der nicht-kompetitiven Hemmung verhindert der Inhibitor nicht, dass das Substrat an das aktive Zentrum bindet. Stattdessen lagert er sich an einer anderen Stelle an und verhindert, dass das Enzym seine Aufgabe erfüllen kann. Diese Hemmung wird als "nicht-kompetitiv" bezeichnet, weil Inhibitor und Substrat gleichzeitig gebunden sein können.
Kompetitive und nicht-kompetitive Inhibitoren unterscheiden sich darin, wie sie die Enzymaktivität bei verschiedenen Substratkonzentrationen beeinflussen.
- Wenn ein Inhibitor kompetitiv ist, wird er die Reaktionsrate verringern, wenn nicht viel Substrat vorhanden ist. Er kann aber durch eine große Menge an Substrat "verdrängt" werden. Das heißt, dass das Enzym immer noch seine maximale Reaktionsrate erreichen kann, wenn ausreichend Substrat vorhanden ist. In diesem Fall sind fast alle aktiven Zentren fast aller Enzymmoleküle von dem Substrat statt von dem Inhibitor besetzt.
- Wenn ein Inhibitor nicht-kompetitiv ist, wird die Enzym-katalysierte Reaktion niemals ihre gewöhnliche maximale Rate erreichen, auch nicht bei einer hohen Menge an Substrat. Das liegt daran, dass die Enzymmoleküle mit einem gebundenen nicht-kompetitiven Inhibitor "vergiftet" sind und nicht ihre Aufgabe erfüllen können, unabhängig davon, wieviel Substrat vorhanden ist.
In einem Diagramm der Reaktionsgeschwindigkeit (y-Achse) bei verschiedenen Substratkonzentrationen (x-Achse) kannst du beide Arten von Inhibitoren anhand der Form der Kurven unterscheiden.
Bist du nicht vertraut, mit dieser Art von Diagrammen? Keine Sorge! Der Artikel zu den Grundlagen zu Graphen der Enzymkinetik beinhaltet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung.
Allosterische Regulation
Die allosterische Regulation ist im Großen und Ganzen nur eine Form der Regulation, bei der das regulatorische Molekül (ein Aktivator oder Inhibitor) irgendwo anders als am aktiven Zentrum an das Enzym bindet. Die Stelle, an der der Regulator bindet, wird allosterisches Zentrum genannt.
Fast alle Fälle der nicht-kompetitiven Hemmung (zusammen mit einigen Einzelfällen der kompetitiven Hemmung) sind Formen der allosterischen Regulation.
Einige Enzyme jedoch, die allosterisch reguliert werden, besitzen ein paar einzigartige Eigenschaften, die sie davon abgrenzen. Diese Enzyme, zu denen einige unserer wichtigsten metabolischen Regulatoren gehören, werden häufig allosterische Enzyme genannt.
Es gibt auch allosterische Aktivatoren. Einige allosterische Aktivatoren binden woanders als am aktiven Zentrum, wodurch die Funktion des aktiven Zentrums erhöht wird. In einem Prozess, der Kooperativität genannt wird, kann das Substrat selbst auch als allosterischer Aktivator fungieren: wenn es an das aktive Zentrum bindet, erhöht sich die Aktivität anderer aktiver Zentren.
Cofaktoren und Coenzyme
Viele Enzyme arbeiten nicht optimal, oder sogar überhaupt nicht, bis sie nicht an andere, helfende Nicht-Protein-Moleküle, die sogenannten Cofaktoren, gebunden sind. Diese können vorübergehend über Ionenbindungen oder Wasserstoffbrückenbindungen oder dauerhaft über stärkere kovalente Bindungen an das Enzym gebunden sein. Häufige Cofaktoren sind zum Beispiel anorganische Ionen wie Eisen
Coenzyme sind eine Untergruppe von Cofaktoren, welche organisch (Kohlenstoff-basiert) sind. Die häufigste Quelle für Coenzyme sind Vitamine aus der Nahrung. Einige Vitamine sind Vorstufen von Coenzymen und andere fungieren direkt als Coenzyme. Vitamin C ist zum Beispiel ein Coenzym für einige Enzyme, die am Aufbau des Proteins Kollagen beteiligt sind, einem Hauptbestandteil des Bindegewebes.
Enzym-Kompartimentierung
Enzyme werden oft kompartimentiert (in bestimmten Teilen der Zelle gespeichert, wo sie ihre Arbeit verrichten) - zum Beispiel in einem bestimmten Organell. Kompartimentierung bedeutet, dass Enzyme, die für bestimmte Prozesse benötigt werden, an den Stellen gehalten werden, an denen sie gebraucht werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sie ihre Substrate leicht finden, die Zelle nicht schädigen und die richtige Mikroumgebung haben, um gut arbeiten zu können.
Verdauungsenzyme der Lysosome arbeiten zum Beispiel am besten bei einem pH-Wert von etwa
Feedback-Hemmung von Stoffwechselwegen
Beim Vorgang der Feedback-Hemmung reguliert das Endprodukt eines Stoffwechselweges das Schlüsselenzym, welches den Eingang zu diesem Weg reguliert. Auf diese Weise verhindert es, dass noch mehr vom Endprodukt hergestellt wird.
Das mag seltsam wirken - warum sollte ein Molekül seinen eigenen Herstellungsweg ausschalten? Aber tatsächlich handelt es sich dabei um eine schlaue Art und Weise für die Zelle, genau die richtige Menge eines Produkts herzustellen. Wenn nur eine geringe Menge vom Produkt vorhanden ist, wird das Enzym nicht gehemmt und der Weg kann mit Volldampf den Vorrat wieder auffüllen. Wenn eine große Menge vom Produkt vorliegt, wird es das Enzym hemmen und eine weitere Produktion des Produkts verhindern, bis der vorhandene Vorrat aufgebraucht ist.
In der Regel wirkt sich die Feedback-Hemmung auf den ersten verpfichtenden Schritt des Stoffwechselweges aus, das heißt der erste Schritt, der tatsächlich irreversibel ist. Die Feedback-Hemmung kann jedoch manchmal auf mehrere Punkte auf dem Stoffwechselweg abzielen, vor allem wenn der Weg viele Verzweigungen hat. Die Schritte des Weges, die durch Feedback-Hemmung reguliert werden, werden häuftig durch allosterische Enzyme katalysiert.
Das Energie-tragende Moleküle ATP ist zum Beispiel ein allosterischer Inhibitor einiger Enzyme, die an der Zellatmung beteiligt sind, einem Vorgang, der ATP herstellt, um zelluläre Reaktionen anzutreiben. Wenn viel ATP vorhanden ist, verhindert die Feedback-Hemmung, das noch mehr ATP hergestellt wird. Dies ist nützlich, weil ATP ein instabiles Molekül ist. Wenn zuviel ATP hergestellt wird, könnte vieles davon vergeudet werden, wenn es spontan in seine Einzelteile (ADP und P
ADP dient andererseits als positiver allosterischer Effektor (ein allosterischer Aktivator) für einige der gleichen Enzyme, die durch ATP gehemmt werden. ADP kann zum Bespiel durch Bindung an ein Enzym dessen Form verändern, sodass es aktiver wird.
Dank dieses Regulationsmusters werden bei im Vergleich zur ATP-Konzentration hohen ADP-Mengen die Enzyme der Zellatmung sehr aktiv und stellen durch Zellatmung viel ATP her.
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