Schlüssel-Schloss-Prinzip: Definition, Enzyme & Hormone
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Schlüssel-Schloss-Prinzip

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Biologie

dilek.oezyildirim@studysmarter.de

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10:40 24.11.2021

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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 Schlüssel-Schloss-Prinzip wurde 1894 von dem Chemiker Emil Fischer entdeckt.


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.



Schlüssel-Schloss-Prinzip - Das Wichtigste


  • Das Schlüssel-Schloss-Prinzip kommt bei vielen verschiedenen Prozessen zum Einsatz – zum Beispiel bei Enzymen, Hormonen und Antikörpern.
  • Es sagt aus, dass beispielsweise ein Enzym nur dann ein Substrat annimmt, wenn dieses die passende Struktur aufweist. Tut es das nicht, entsteht keine Bindung und damit auch keine Wirkung.
  • 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.


Häufig gestellte Fragen zum Thema Schlüssel-Schloss-Prinzip

Ein Antigen ist eine Substanz/Struktur, welche vom Immunsystem als fremd angesehen wird. Dadurch binden sich normalerweise Antikörper an der Oberflächenstruktur der Antigene, um sie unschädlich zu machen.

Der Enzym-Substrat-Komplex ist der Übergangszustand von einem Enzym und dem spezifischen Substrat, welches an ihm gebunden ist. Aus ihm entsteht der Enzym-Produkt-Komplex und schließlich das Produkt, welches dann freigesetzt wird.

Verdauungsenzyme sind Enzyme, welche Nahrung in Grundbausteine zerlegen, damit sie im Stoffwechsel verwertet werden können. Dazu gehören zum Beispiel Pepsin, Gastricin, Amylase, Trypsin und noch viele weitere.

Ein Enzym ist ein Katalysator für die chemischen Reaktionen die eine Zelle braucht, um sich zu versorgen und Reize weiterzuleiten. Bei den meisten Enzymen handelt es sich um Proteine, einzige Ausnahme stellt die katalytisch aktive RNA dar.

Finales Schlüssel-Schloss-Prinzip Quiz

Frage

Was ist die Aufgabe eines Enzyms?

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Antwort

Ein Enzym hat die Aufgabe die chemischen Reaktionen, die eine Zelle benötigt, um sich zu versorgen oder Reize weiterzuleiten, zu katalysieren.

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Was bedeutet Substratspezifität?

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Substratspezifität bedeutet, dass nur spezifische Substrate an einem Enzym binden können.

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Frage

Wie nennt man die Bindungsstelle eines Enzyms, an welchem Substrate binden können?

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Antwort

Die Bindungsstelle wird aktives Zentrum genannt.

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Frage

Welche Substrate können an einem aktiven Zentrum binden?

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Antwort

Nur die Substrate, die in die Form des aktiven Zentrums passen.

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Frage

Wie bezeichnet man die Beziehung der Moleküle von Substrat und Enzym?

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Die Moleküle von Substrat und Enzym sind komplimentär zueinander.

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Frage

Was entsteht, wenn ein Substrat an dem aktiven Zentrum eines Enzyms bindet?

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Antwort

Es entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex.

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Frage

Von wem wurde das Schlüssel-Schloss-Prinzip entdeckt?

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Das Schlüssel-Schloss-Prinzip wurde von dem Chemiker Emil Fischer entdeckt.

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Wann wurde das Schlüssel-Schloss-Prinzip entdeckt?

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Antwort

Das Schlüssel-Schloss-Prinzip wurde 1894 entdeckt.

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Frage

Was ist das Induced-Fit-Modell?

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Antwort

Eine Erweiterung des Schlüssel-Schloss-Prinzips.

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Frage

Wer hat das Induced-Fit-Modell entdeckt?

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Antwort

Daniel E. Koshland Jr. hat das Induced-Fit-Modell entdeckt.

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Frage

Wann wurde das Induced-Fit-Modell entdeckt?

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Antwort

Das Induced-Fit-Modell wurde 1958 entdeckt.

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Frage

Was sagt das Induced-Fit-Modell aus?

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Antwort

Das Induced-Fit-Modell erweitert das Schlüssel-Schloss-Prinzip: Demnach passen Enzyme ihre Bindungsstelle (das aktive Zentrum) häufig erst dann an, wenn das Substrat bereits gebunden ist.

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Frage

Nenne zwei Stoffe, die ebenfalls nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip arbeiten.

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Antwort

  • Hormone.
  • Antikörper.
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Frage

Was sagt das Schlüssel-Schloss-Prinzip aus?

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Antwort

Es sagt aus, dass beispielsweise ein Enzym nur dann ein Substrat annimmt, wenn dieses die passende Struktur aufweist. Tut es das nicht, entsteht keine Bindung und damit auch keine Wirkung.

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Frage

Warum ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip bei Antikörpern so wichtig?

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Antwort

Die Bindungsspezifizierung ist bei Antikörpern deswegen so wichtig, weil sie ansonsten auch an körpereigene Proteine binden und so praktisch gegen die eigenen Zellen kämpfen würden. Man bezeichnet einen solchen Fall auch als Autoimmunerkrankung.

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