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Vielleicht interessierst Du Dich oder hast Dich für das Zusammenbauen von Puzzles interessiert. Deine Lieblingspuzzles sind vielleicht nach dem sogenannten Schlüssel-Schloss-Prinzip aufgebaut, bei denen der Schlüssel auf viele verschiedene Arten ins Schloss passt.
Möglicherweise hältst Du das Schlüssel-Schloss-Prinzip für clever. Es ist so, als würde das Puzzle sagen: “Hier ist meine Form, aber Du wirst herausfinden müssen, wie Du mich in dieses bestimmte Muster einpassen kannst.” Das ist das außergewöhnliche und interessante an dem Prinzip.
Das Prinzip des Schlüssel-Schloss-Prinzips, was Dich fasziniert, gibt es auch in der Biologie. Allgemein beschreibt das Schlüssel-Schloss-Prinzip, wie mindestens zwei Strukturen zusammenpassen. Solche Strukturen, meist Enzyme zu Substrate, können ihre Funktion nur erfüllen, wenn sie miteinander verbunden sind.
Das Schlüssel-Schloss-Prinzip beschreibt, wie genau zwei oder mehrere räumliche Strukturen zueinanderpassen. Solche zusammengesetzte Teile können ihre Funktion erst erfüllen, wenn sie miteinander verbunden sind.
Das bedeutet, dass das Substrat genau zu dem vorhandenen Enzym passen muss, sonst können die Substrate ihre Funktion nicht erfüllen.
Du hast vielleicht schon von dem Schlüssel-Schloss-Prinzip gehört, das hauptsächlich mit Enzymen zusammenhängt. Enzym-Substrat-Komplexe werden nach dem Schema des Schlüssels und des Schlosses gebildet.
Enzyme sind biologische Katalysatoren, die in allen Lebewesen Reaktionen steuern wie die Gärung. Einige Enzyme sind Proteine, andere bestehen aus RNA-Molekülen, die RNA-Katalysatoren oder Ribozyme genannt werden.
Nicht alle Enzyme bestehen nur aus Proteinen. Viele Enzyme enthalten Nichtproteinteile (Cofaktoren), die organisch oder anorganisch sein können. Die Anwesenheit von Cofaktoren ist essenziell für Enzymfunktionen als auch Enzymaktivitäten, wobei Aminosäuren nicht geeignet sind.
Für Dein Fahrradschloss benötigst Du insbesondere einen bestimmten Schlüssel. Für die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes gilt das gleiche Vorgehen. Das Substrat bindet an die aktive Stelle des Enzyms. Für das aktive Zentrum des Enzyms eignen sich jedoch nur ganz bestimmte Substrate. Deswegen sind Enzyme substratspezifisch.
Nähere Informationen zu Enzymen findest Du unter dem gleichnamigen StudySmarter Artikel!
Die aktive Stelle eines Enzyms ist die Stelle der Bindung des Substrats und die Stelle der Reaktion zwischen dem Enzym und dem Substrat.
In der Biochemie sind Substrate die Stoffe für die Funktion biologischer Moleküle und den Stoffwechsel von Organismen.
Jede Änderung der Konformation der aktiven Stelle verändert die Eignung des Substrats und damit die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion.
Wie ein bestimmtes Substrat von einem Enzym entdeckt wird, kann mithilfe des Schlüssel-Schloss-Prinzips erklärt werden. Da das aktive Zentrum eines Enzyms perfekt für ein bestimmtes Substrat geformt ist, kann das Substrat nur in eine ganz bestimmte Richtung gebunden werden.
Im Prinzip passen Substrat und Enzym zusammen, wie ein Schlüssel in ein Schloss. Somit wird die Bindung des Substrats aktiviert, da die Form der aktiven Stelle mit einer Stelle im Substrat übereinstimmt.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Enzym-Substrat-Komplexes
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 gebracht, wo ein Enzym-Substrat-Komplex gebildet wird und das Produkt freigesetzt werden kann.
Das Schlüssel-Schloss-Prinzip wurde 1894 von dem Chemiker Emil Fischer entdeckt.
Nicht nur das Substrat kann an das Enzym binden, sondern auch ein Inhibitor. Davon gibt es zwei Arten: kompetitive und allosterische Inhibitoren.
Kompetitive Inhibitoren binden an die aktive Stelle eines Enzyms. Neben dem aktiven Zentrum besitzt das Enzym eine weitere Bindungsstelle: das allosterische Zentrum. An das allosterische Zentrum des Enzyms binden allosterische Inhibitoren.
Kompetitive Inhibitoren sind daher strukturell komplementär zum aktiven Zentrum eines Enzyms. Somit kann der Inhibitor an die aktive Stelle des Enzyms binden.
Hingegen sind allosterische Inhibitoren komplementär zum allosterischen Zentrum eines Enzyms. Durch diese zwei Arten der Hemmstoffe können Enzyme auf zwei verschiedene Arten gehemmt werden.
In den StudySmarter Artikeln zur kompetitiven Hemmung und allosterischen Hemmung kannst Du mehr über den Ablauf der einzelnen Enzymhemmung lernen.
Abbildung 2: Veranschaulichung des Induced-Fit-Modells
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.
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.
Außerdem findet das Schlüssel-Schloss-Prinzip auch in der Arzneimittelentwicklung Anwendung. Nur so kann festgestellt werden, dass ein Wirkstoff des Medikaments nur an spezifische Stellen angreift.
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 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, 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.
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.
Das Schlüssel-Schloss-Prinzip stellt eine wichtige Grundlage in der Enzymwirkung dar. 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.
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. Aufgrund seiner Substratspezifität arbeitet ein Enzym nur mit bestimmten Substraten. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip sorgt dafür, dass nur bestimmte Substrate an ein Enzym andocken können.
Das Schlüssel-Schloss-Prinzip kommt bei vielen verschiedenen Prozessen zum Einsatz – zum Beispiel bei Enzymen, Hormonen und Antikörpern.
Jedes Hormon hat 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.
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