Schlüssel-Schloss-Prinzip

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10:40 24.11.2021

Das Schlüssel-Schloss-Prinzip stellt eine wichtige Grundlage in der Enzymwirkung dar. Aber auch in vielen anderen Bereichen ist es essenziell für die Organisation und Funktion von Zellen. 

Wie funktioniert das Schlüssel-Schloss-Prinzip? 

Abbildung 1: Modell zum Mechanismus der Enzymwirkung;
Quelle: Abitur-Training - Biologie Band 1, Kapitel "Zellbiologieund Stoffwechsel"

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:

Ein Enzym hat die Aufgabe, die chemischen Reaktionen, die eine Zelle zur Selbstversorgung oder Reizweiterleitung benötigt, zu katalysieren. Allerdings ist für ein Enzym chemische Reaktion nicht gleich chemische Reaktion. Aufgrund seiner Substratspezifität arbeitet es nur mit bestimmten Substraten. Und damit nicht einfach jedes Substrat an ein Enzym andocken kann, kommt das Schlüssel-Schloss-Prinzip zum Einsatz.

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, so entsteht der Enzym-Substrat-Komplex. Das Substrat wird dann in einen Übergangszustand versetzt, wodurch der Enzym-Produkt-Komplex entsteht und das Produkt freigesetzt werden kann.

Das Induced-Fit-Modell im Zusammenhang zum Schlüssel-Schloss-Prinzip

Abbildung 2: Veranschaulichung des Induced-Fit-Modells;
Quelle: commons.wikimedia.org  

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.

Weitere Beispiele für das Schlüssel-Schloss-Prinzip

Nicht nur Enzyme funktionieren nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Hier lernst Du zwei weitere Stoffe kennen, für die ebenfalls dieses Modell verwendet wird.

1. Hormone 

Hormone sind Botenstoffe, die in verschiedenen Hormondrüsen im ganzen Körper produziert und dann durch das Blut in alle Zellen verteilt werden. Dabei hat jedes Hormon eine eigene räumliche Struktur, sodass es auch nur bei spezifischen Zellen und Geweben seine Wirkung entfalten kann. Wie bei so vielen Strukturen besitzen sie Zielzellen für die Hormone Rezeptoren. An diesen können nur die vorbestimmten Hormone binden und die gewünschte Wirkung auslösen. 

Abbildung 3: Spezifische Hormon-Rezeptor-Bindung; Quelle: Fokus Biologie BW 7/8 (2016), Cornelsen Schulverlage, S. 132, über lehrerfortbildung-bw.de

Beispiel Insulin

Insulin wird in der Bauchspeicheldrüse hergestellt und nach der Nahrungsaufnahme im Körper ausgeschüttet. Seine Aufgabe ist es dafür zu sorgen, dass die Glukose aus dem Blut in die Körperzellen gelangen kann.
Das Insulin ist also der Schlüssel zu dem Schloss der Zellen – so kann die Glukose in das Zellinnere kommen.

Antikörper 

Antikörper spielen eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung von Antigenen. 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.