Unkompetitive Hemmung

Hast Du schon mal versucht, einen Ball über ein Hindernis zu rollen? Dann sollte Dir aufgefallen sein, dass Du dafür Energie aufwenden musstest und er nicht einfach so darüber gerollt ist.

Du warst in diesem Experiment der Katalysator, der die weitere Reaktion, also das Hinunterrollen des Balles, möglich gemacht hat.

Nach diesem Prinzip funktionieren Enzyme, sie sind Biokatalysatoren für chemische Reaktionen. Enzyme können durch verschiedene Weisen, durch Inhibitoren, gehemmt werden. Zwei bekannte Typen dieser Hemmungen sind die unkompetitive und die nicht-kompetitive Enzymhemmung.

Unkompetitive Hemmung – Enzymhemmung

• Enzym: Ein Enzym ist ein Biokatalysator, der ein spezifisches Substrat umsetzt und dabei nicht verändert wird.

• Enzymhemmung bzw. Hemmung der Biologie: Durch die Enzymhemmung wird die enzymatische Reaktion negativ, durch einen bestimmten Hemmstoff (Inhibitor), beeinflusst.

• Inhibitor: Inhibitoren sind spezifische Hemmstoffe, die an verschiedene Bindestellen an Enzyme binden und dessen Aktivität hemmen können.

• Enzym-Substrat-Komplex: Der Enzym-Substrat-Komplex entsteht vorübergehend bei der Bindung des Substrats an das Enzym.

• Reversible und irreversible Hemmung: Eine Hemmung ist reversibel, wenn sie umkehrbar ist. Irreversible Hemmungen sind nicht umkehrbar.

• Aktives Zentrum: Das aktive Zentrum ist eine Bindestelle an Enzymen, an der das Substrat binden kann.

Unkompetitive Hemmung – Definition

Bei der unkompetitiven Hemmung muss erst ein Substrat an das Enzym binden, dabei entsteht dann ein Enzym-Substrat-Komplex. Danach kann dann der Inhibitor an die vorgesehene Bindestelle binden und das Enzym hemmen. Das hat zur Folge, dass bei steigender Substratmenge die Hemmung zunimmt.

Die Enzymhemmung ist in Zellen ein lebenswichtiger Prozess, durch welchen wertvolle Ressourcen und Energie eingespart werden können. Wenn ein Enzym ungehemmt immer weiter die Bildung von Produkten katalysieren würde, wäre die Zelle überlagert, sodass die Produkte abgebaut werden müssten, was erneut Energie kostet. Durch die Hemmung kann eine solche Überproduktion vermieden werden.

Unkompetitive Hemmung – Ablauf

Während einer allgemeinen Enzymreaktion bindet das Substrat an das Enzym und es bildet sich der Enzym-Substrat-Komplex, danach kommt es zur Freisetzung der Produkte. Bei der unkompetitiven Hemmung bindet ein Inhibitor an die passende Bindestelle des Enzym-Substrat-Komplexes, bevor es zur Freisetzung des Produkts kommt.

Der Inhibitor konkurriert nicht mit dem Substrat um die Bindungsstelle am aktiven Zentrum, wie es bei der kompetitiven Hemmung der Fall ist.

Die unkompetitive Hemmung ist reversibel, das heißt sie kann rückgängig gemacht werden. Dies kann durch eine Verringerung der Substratkonzentration der Fall sein. Wenn weniger Substrate vorhanden sind, bilden sich weniger Enzym-Substrat-Komplexe und so kann auch der Inhibitor seltener an den Komplex binden.

Unkompetitive Hemmung Michaelis-Menten-Diagramm

Mit dem Michaelis-Menten-Diagramm und der dazugehörigen Gleichung ist es möglich, die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration zu bestimmen.

Abbildung 1: Darstellung eines typischen Michaelis-Menten-Diagramms

Auf der y-Achse des Diagramms ist die Reaktionsgeschwindigkeit angegeben, in der die Bildung des Produkts abläuft. Auf der x-Achse kannst Du die vorhandene Substratkonzentration ablesen.

Wenn der betrachtete Enzym-Substrat-Komplex jetzt unkompetitiv von einem Inhibitor gehemmt wird, sinken sowohl der K_m-Wert als auch der V_max - Wert. Das passiert, weil nach der Bindung des Inhibitors keine Produktbildung mehr stattfindet. Wenn nun die Substratkonzentration ansteigt, sinkt der K_m-Wert immer weiter, weil so auch immer mehr Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplexe entstehen.

Michaelis-Menten-Gleichung

Die Michaelis-Menten-Gleichung sieht wie folgt aus:

$v_0=\frac{v_{max}\times \left[S\right]}{K_m+\left[S\right]}$

• V₀: Ist die Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion, bei der, bei einer bestimmten Substratkonzentration noch kein Produkt umgesetzt wurde.

• V_max: Ist die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, die das Enzym erreichen kann. Sie ist erreicht, wenn alle Enzyme mit einem Substrat besetzt sind.

• K_m: Ist die Michaelis-Menten-Konstante, die beschreibt, wann genau die Hälfte aller Enzyme mit einem Substrat besetzt und die halbmaximale Geschwindigkeit der Umsetzung erreicht ist.

• $\left[S\right]$: Beschreibt die Substratkonzentration.

Unkompetitive Hemmung Substratkonzentration

Wenn die Substratkonzentration des spezifischen Substrats steigt, sinkt der K_m -Wert immer weiter, weil so auch immer mehr Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplexe entstehen. Das bedeutet, dass bei höherer Substratkonzentration auch das Ausmaß der Hemmung zunimmt.

Umkompetitive Hemmung Reaktionsgeschwindigkeit

Nach der Hemmung durch den Inhibitor sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit stark ab, weil danach die Produktbildung nicht mehr stattfinden kann. Somit hat die Hemmung eine Verringerung der Maximalgeschwindigkeit V_max zur Folge, die durch eine höhere Substratkonzentration noch weiter sinkt.

Lineweaver-Burk-Diagramm

Durch das Lineweaver-Burk-Diagramm und die dazugehörige Gleichung ist es möglich, die Michaelis-Menten-Gleichung in eine Geradengleichung zu verwandeln.

$\frac{1}{V_0}=\frac{K_M}{V_{max}}\times \frac{1}{\left[S\right]}+\frac{1}{V_{max}}$

In einem Lineweaver-Burk-Diagramm ist auf der y-Achse $\frac{1}{V_0}$ und auf der x-Achse $\frac{1}{\left[S\right]}$ aufgetragen. Auf der, durch die Gleichung resultierende Gerade, kann man folgendes ablesen:

• Steigung: $\frac{K_m}{V_{max}}$

• Schnittpunkt mit der y-Achse: $\frac{1}{V_{max}}$

• Schnittpunkt mit der x-Achse: $\frac{-1}{K_m}$

Abbildung 2: Hemmungsvarianten im Überblick mit zugehörigem Lineweaver-Burk-Diagramm

Nicht kompetitive Hemmung – Beispiel

Unkompetitive Hemmung – nicht kompetitive Hemmung

Bei der nicht kompetitiven Hemmung kann der Inhibitor, anders als bei der unkompetitiven Hemmung, unabhängig vom Substrat an einer eigenen Bindungsstelle, dem allosterischen Zentrum, binden. Die nicht kompetitive Hemmung wird auch als allosterische Hemmung bezeichnet.

So kann der Inhibitor entweder an einen Enzym-Substrat-Komplex oder an ein freies Enzym binden. Dabei besetzt der Inhibitor jedoch nicht das aktive Zentrum, sondern eine andere Bindestelle in der Nähe.

Diese Inhibitorbindung verursacht eine Konformationsänderung, woraufhin die Bindung eines Substrats entweder nicht mehr möglich ist oder die Produktbildung enorm reduziert wird. Der Prozess der nicht kompetitiven Enzymhemmung ist reversibel, das bedeutet, wenn sich der Inhibitor wieder vom Enzym gelöst hat, kann das Enzym seine normale Wirkung erneut ausführen.