Schlüssel-Schloss-Prinzip

Am Beispiel von Enzymen bedeutet das, dass ein Substrat genau zu dem vorhandenen Enzym passen muss, sonst kann das Substrat von dem Enzym nicht umgesetzt werden. Dieser sogenannte Enzym-Substrat-Komplex wird nach dem Schema des Schlüssels und des Schlosses gebildet.

Enzyme und deren Substrate sind aber nur eines von vielen Beispielen, in denen das Schlüssel-Schloss-Prinzip in der Biologie zutrifft. So binden auch Neurotransmitter des Nervensystems oder Hormone nur an ganz spezifische Bindestellen bestimmter Rezeptoren. Hierbei handelt es sich auch um das Schlüssel-Schloss-Prinzip.

Schlüssel-Schloss-Prinzip – Enzyme

Was hat das Schlüssel-Schloss-Prinzip mit Enzymen zutun?

Nicht alle Enzyme bestehen nur aus Proteinen. Viele Enzyme enthalten Nichtproteinanteile (Cofaktoren), die organisch oder anorganisch sein können. Die Anwesenheit von Cofaktoren ist essenziell für die Enzymfunktion und die Enzymaktivität.

Das Substrat bindet am sogenannten aktiven Zentrum des Enzyms. Für das aktive Zentrum des Enzyms eignen sich jedoch nur ganz bestimmte Substrate. Deswegen sind Enzyme substratspezifisch.

Aktives Zentrum

Das aktive Zentrum eines Enzyms ist die Stelle der Bindung des Substrats und die Stelle der Reaktion zwischen dem Enzym und dem Substrat.

Funktionsweise des Schlüssel-Schloss-Prinzips

Eigentlich beschreibt schon der Name selbst, was man sich unter dem Schlüssel-Schloss-Prinzip vorstellen kann: Man hat einen Schlüssel, der genau in ein Schloss hineinpasst und es beim Drehen so verändert, dass etwas geöffnet werden kann. Dieses Prinzip lässt sich auch auf die biochemische Ebene übertragen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Enzym-Substrat-Komplexes

Jedes Enzym besitzt ein aktives Zentrum. Dieses ist so geformt, dass nur die für das Enzym spezifischen Substrate daran binden können. Die Moleküle von Substrat und Enzym sind komplementär zueinander und passen somit aneinander wie ein Schlüssel zum Schloss.

Bindet das Substrat an dem aktiven Zentrum des Enzyms, entsteht der Enzym-Substrat-Komplex. Das Substrat wird dann in einen Übergangszustand gebracht, wo ein Enzym-Substrat-Komplex gebildet wird und das Produkt freigesetzt werden kann.

Induced-Fit-Modell – Schlüssel-Schloss-Prinzip

Nachdem die Entdeckung des Schlüssel-Schloss-Prinzips sich als wichtig für die Enzymforschung herausgestellt hatte, ging Daniel E. Koshland Jr. 1958 noch einen Schritt weiter und erweiterte das Prinzip mithilfe des Induced-Fit-Modells.

Er stellte fest, dass bei vielen Enzymen das aktive Zentrum sich erst dem Substrat anpasste, wenn dieses schon an dem Enzym band. Das Enzym kann das Substrat also bereits bei der Bindung erkennen und sein aktives Zentrum dementsprechend anpassen, damit ein stabiler Enzym-Substrat-Komplex gebildet werden kann.

Abbildung 2: Veranschaulichung des Induced-Fit-Modells.

Schlüssel-Schloss-Prinzip – Beispiele

Welche Beispiele gibt es für das Schlüssel-Schloss-Prinzip? Jedes Virus, jedes Hormon, jede Antikörper haben spezifische Proteinstrukturen auf der Oberfläche. Die Oberflächenstruktur wird von bestimmten Enzymen oder Antigene erkannt. Enzyme oder Antikörper haben eine Struktur, die der Oberfläche der komplementären Substanz entspricht. Wie Du mittlerweile weißt, handelt es sich auch hierbei um das Schlüssel-Schloss-Prinzip.

Schlüssel-Schloss-Prinzip – Hormone

Hormone sind Botenstoffe, die in verschiedenen Hormondrüsen im ganzen Körper produziert und dann durch das Blut in alle Zellen verteilt werden. Dabei sind Hormone in sehr geringen Mengen wirksam. Jedes Hormon hat eine eigene Form und kann damit nur bei bestimmten Zellen eine Reaktion auslösen. Solche Zellen besitzen Rezeptoren und sind Zielzellen. Die Rezeptoren sind die Stellen, wo spezifische Hormone binden können.

Hormone und Rezeptoren gehören zusammen, wie Schlüssel und Schloss. Die Feinabstimmung eines Hormons auf einen bestimmten Rezeptor ist ein Beispiel für das Schlüssel-Schloss-Prinzip. Erst wenn das Hormon zum Rezeptor passt und an diesen bindet, entfaltet es eine entsprechende Reaktion in der Zelle. Sollte der passende Rezeptor fehlen, kann keine Bindung stattfinden und es wird keine Reaktion in der Zelle stattfinden können.

Abbildung 3: Spezifische Hormon-Rezeptor-Bindung

Schlüssel-Schloss-Prinzip – Antikörper

Antikörper spielen eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung von Antigenen in Deinem Immunsystem. Sie binden nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an die Oberflächenstruktur der Antigene, um diese unschädlich zu machen. Die Bindungsspezifizierung ist dabei deswegen so wichtig, weil die Antikörper sonst auch an körpereigene Proteine binden und so praktisch gegen die eigenen Zellen kämpfen würden. Man bezeichnet einen solchen Fall auch als Autoimmunerkrankung.

Schlüssel-Schloss-Prinzip – Diabetes

Für einen funktionierenden Stoffwechsel benötigt der Körper Energie, die er unter anderem in Form von Glukose aus der Nahrung zieht. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip greift auch an dieser Stelle, da die Glukose durch das Blut zu den Körperzellen transportiert wird, die dann durch körpereigenes Insulin geöffnet werden. Normalerweise wird so die Glukose aus dem Blut direkt in die Körperzellen abgegeben. Bei Menschen mit Diabetes-Erkrankung wird allerdings zu wenig oder gar kein Insulin produziert, weshalb die Glukose im Blut bleibt und der Blutzuckerspiegel ansteigt.