Jeder kennt es, man ist unkonzentriert und versucht seine Haustür aufzuschließen. Aber irgendwie stimmt etwas nicht. Du bekommst den Schlüssel zwar ins Schloss, aber rumdrehen lässt er sich nicht. Dann fällt Dir auf, dass Du den falschen Schlüssel verwendet hast. Du nimmst den richtigen und in null Komma nix ist die Tür geöffnet. Möchte man das Schloss öffnen, passt nur der eine genau richtige Schlüssel.
Dieses Schlüssel-Schloss-Prinzips, ist auch häufig in der Biologie zu finden. Allgemein beschreibt das Schlüssel-Schloss-Prinzip, wie mindestens zwei Strukturen genau zusammenpassen. Solch ein System ist etwa ein Enzym, welches ein ganz bestimmtes Substrat bindet. Aufgrund des Schlüssel-Schloss-Prinzips ist das Enzym nicht in der Lage, ein anderes Substrat zu binden.
Schlüssel-Schloss-Prinzip einfach erklärt
Das Schlüssel-Schloss-Prinzip kann einfach erklärt werden: Es beschreibt, dass zwei oder mehrere räumliche Strukturen, genau zueinanderpassen. Solche zusammengesetzte Komplexe können ihre Funktion erst erfüllen, wenn sie miteinander verbunden sind.
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.
Lerne mehr über Enzyme und Enzym-Substrat-komplexe in der entsprechenden StudySmarter Erklärung.
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?
Enzyme sind biologische Katalysatoren, die in allen Lebewesen unterschiedliche biochemische Prozesse beschleunigen. In der Regel sind Enzyme Proteine, es gibt aber auch RNA-Moleküle, die als Biokatalysatoren fungieren.
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.
Als
Substrat wird ein Stoff bezeichnet, welcher im Zuge einer enzymatischen Reaktion in ein Produkt umgesetzt wird.
Eine Veränderung im aktiven Zentrum eines Enzyms kann dazu führen, dass das Substrat nicht binden und somit nicht umgesetzt werden kann. Dies spielt eine Rolle, wenn es darum geht, Enzymaktivität zu regulieren.
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.
Enzymhemmung
Nicht nur das Substrat kann an das Enzym binden, sondern auch bestimmte Inhibitoren. Davon gibt es zwei Arten: kompetitive und allosterische Inhibitoren.
Kompetitive Inhibitoren binden a, aktiven Zentrum eines Enzyms und konkurriert somit mit dem Substrat um dieses. Bindet der Inhibitor am aktiven Zentrum, kann das Substart dies nicht mehr. Kompetitive Inhibitoren sind daher strukturell komplementär zum aktiven Zentrum eines Enzyms. Somit kann der Inhibitor an die aktive Stelle des Enzyms binden. Dies funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip.
Neben dem aktiven Zentrum besitzt einige Enzyme eine weitere Bindungsstelle: das allosterische Zentrum. An das allosterische Zentrum des Enzyms binden allosterische Inhibitoren. Hingegen sind allosterische Inhibitoren komplementär zum allosterischen Zentrum eines Enzyms. Durch diese zwei Arten der Hemmstoffe können Enzyme auf zwei verschiedene Arten gehemmt bzw. reguliert werden.
In den StudySmarter Artikeln zur kompetitiven Hemmung und allosterischen Hemmung kannst Du mehr über den Ablauf der einzelnen Enzymhemmung lernen.
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
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.
Adrenalin
Adrenalin, ein Stresshormon, bewirkt einerseits eine Minderung der Durchblutung im Magen-Darm-Trakt, andererseits bewirkt es in der Skelettmuskulatur das Gegenteil. In der Skelettmuskulatur wird die Durchblutung angeregt.
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.
Schlüssel-Schloss-Prinzip – Das Wichtigste auf einen Blick
- Das Schlüssel-Schloss-Prinzip kommt bei vielen verschiedenen Prozessen zum Einsatz – zum Beispiel bei Enzymen, Hormonen und Antikörpern.
- Es sagt aus, dass unter anderem ein Enzym nur dann ein Substrat annimmt, wenn dieses die passende Struktur aufweist. Tut es das nicht, entsteht keine Bindung und bestimmte Funktionen können erfüllt werden.
- Das Induced-Fit-Modell erweitert dieses Prinzip: Demnach passen Enzyme ihre Bindungsstelle (das aktive Zentrum) häufig erst dann an, wenn das Substrat bereits gebunden ist.
- Beispiele für das Schlüssel-Schloss-Prinzip sind Hormone, Diabetes und Antikörper.
Nachweise
- Karp (2005). Molekulare Zellbiologie. Springer.
- Birch (2016). 50 Schlüsselideen Chemie. Springer.
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