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Enzyme sind an verschiedensten Stoffwechselprozessen beteiligt und essentiell für einen Organismus. Um diese Prozesse jedoch regulieren zu können, brauchen die Zellen bestimmte Mechanismen, die die Aktivität der Enzyme beeinflussen. Diese können auf unterschiedliche Art und Weise funktionieren.
Die Aktivität von Enzymen kann beispielsweise durch Bindung von bestimmten Stoffen, nämlich den sogenannten Effektoren, beeinflusst werden. Die Effektoren werden je nach Wirkungsweise auf ein Enzym in Aktivatoren oder Inhibitoren unterteilt. Während die Aktivatoren die Aktivität von Enzymen erhöhen, senken die Inhibitoren dagegen die Aktivität. Die Inhibitoren sind folglich für die Enzymhemmung verantwortlich.
Eine Enzymhemmung, selten auch Enzyminhibition genannt, ist die Hemmung einer enzymatischen Reaktion durch einen Hemmstoff, nämlich den eben genannten Inhibitor. Bei der Enzymhemmung wird die Aktivität des Enzyms gesenkt und die Geschwindigkeit der katalysierten Reaktion somit herabgesetzt.
Die Inhibitoren binden dabei an verschiedene Reaktanten, zum Beispiel an das Enzym oder an den umzusetzenden Stoff, auch Substrat genannt. An welche Stelle genau der Inhibitor bindet, hängt von der Art der Hemmung ab.
Die Folge der Enzymhemmung ist, dass das Enzym das Substrat entweder nur noch sehr langsam oder gar nicht mehr zum Produkt umsetzen kann. Die Enzymhemmung spielt also eine wichtige Rolle bei der Regulation des Stoffwechsels in allen Lebewesen.
Es gibt mehrere Arten von Enzymhemmungen. Meist erfolgt die Einteilung in die reversiblen (umkehrbaren) und irreversiblen (unumkehrbaren) Enzymhemmungen.
Die reversible Hemmung ist deshalb umkehrbar, weil der Hemmstoff wieder vom Enzym gelöst werden kann, er bindet also nicht fest an das Enzym. Allgemein wird die reversible Form der Enzymhemmung häufig zur Regulation verschiedener Stoffwechselprozesse genutzt, die nicht immer ablaufen sollen.
Die reversible Enzymhemmung kann man wiederum in verschiedene Unterarten einteilen:
Bei der kompetitiven Enzymhemmung bindet der Hemmstoff an das aktive Zentrum eines Enzyms, er konkurriert also mit dem Substrat um den Platz am Enzym. Der Inhibitor hat eine ähnliche Struktur wie das Substrat, damit er an das aktive Zentrum binden kann. Dabei spricht man auch vom sogenannten Substratanalogon. Dennoch unterscheidet sich die Struktur noch soweit, dass das Enzym den Inhibitor nicht mit dem Substrat verwechselt. Aus diesem Grund wird der Inhibitor auch nicht vom Enzym zu Produkten umgesetzt.
Die kompetitive Hemmung ist reversibel, da der Inhibitor durch Erhöhung der Substratkonzentration wieder aus dem aktiven Zentrum des Enzyms verdrängt werden kann.
Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet der Inhibitor nicht an das aktive Zentrum des Enzyms, sondern an eine andere Stelle. Meist handelt es sich dabei um das sogenannte allosterische Zentrum. In diesem Fall wird die nicht-kompetitive Hemmung auch allosterische Hemmung genannt.
Da der nicht-kompetitive Inhibitor an eine andere Stelle als das Substrat bindet, konkurriert er folglich nicht direkt mit dem Substrat um den Platz am Enzym. Er hemmt die Reaktion stattdessen dadurch, dass er durch das Andocken am Enzym die Form des aktiven Zentrums verändert. Dadurch kann das Substrat, das eigentlich an die Stelle gepasst hätte, nicht mehr oder nur noch erschwert an das Enzym binden.
Die nicht-kompetitive Hemmung ist ebenfalls reversibel, denn der Hemmstoff kann sich wieder vom Enzym lösen. Dadurch nimmt das aktive Zentrum des Enzyms wieder seine ursprüngliche Form an und das passende Substrat kann wieder an das Enzym binden.
Auf dem folgenden Bild erkennst du vereinfacht dargestellt die verschiedenen Bindungsstellen des Hemmstoffs oder Inhibitors (abgekürzt mit I) an das Enzym (E) und die Folgen für das Substrat (S). Bei der kompetitiven Hemmung (links) kann das Substrat nicht an das Enzym binden, da der Inhibitor an dieselbe Stelle andockt. Bei der nicht-kompetitiven Hemmung konkurrieren Substrat und Inhibitor nicht um den Platz am Enzym, das Substrat kann aber aufgrund der Veränderung der Struktur des aktiven Zentrums nicht mehr dort binden.
via wikipedia.org
Eine spezielle Form der allosterischen Enzymhemmung, bei der das Endprodukt das Enzym hemmt, welches zu der Synthese dieses Stoffes führt, nennt man auch Endprodukthemmung oder Feedback-Hemmung. Zum Beispiel wird die Glykolyse zur Energiegewinnung aus Glucose genutzt. Ein Enzym, das an der Glykolyse beteiligt ist, ist die Pyruvatkinase, ein weiteres die Phosphofructokinase. Ist in der Zelle viel Energie vorhanden, hat sie diese in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert. Dieses ATP hemmt als Inhibitor die Phosphofructokinase und auch die Pyruvatkinase. Somit wird keine Glukose mehr in Energie, also ATP, umgewandelt.
Auch bei dieser Art der Hemmung bindet der Inhibitor nicht an das aktive Zentrum eines Enzyms, sondern an eine eigene Bindungsstelle. Der Unterschied zur nicht-kompetitiven Hemmung besteht allerdings darin, dass der unkompetitive Inhibitor erst dann an das Enzym bindet, wenn bereits ein Enzym-Substrat-Komplex gebildet wurde, wenn das Substrat also bereits am Enzym angedockt ist. Der Inhibitor verändert ebenfalls die Form des aktiven Zentrums, aber erst im Enzym-Substrat-Komplex. Das Substrat wird also sozusagen ausgehebelt.
Durch Verringerung der Substratkonzentration lässt sich auch diese Art der Enzymhemmung rückgängig machen. Das ist darin begründet, dass der Inhibitor umso seltener an einen Enzym-Substrat-Komplex binden kann, je weniger solcher Komplexe auch vorhanden sind.
Ein Beispiel für einen unkompetitiven Inhibitor ist das Unkrautvernichtungsmittel Glyphosat. Glyphosat hemmt ein Enzym, das sich EPSP-Synthetase nennt. Dieses ist für einen wichtigen Stoffwechselweg in Pflanzen zuständig. Die EPSP-Synthetase katalysiert eine Reaktion, bei der für die Pflanzen notwendige Aminosäuren entstehen. Wenn die Aminosäuren nicht gebildet werden können, stirbt die Pflanze. Daher kann Glyphosat in der Landwirtschaft zur Unkrautvernichtung eingesetzt werden.
Bei der irreversiblen Hemmung bindet der Inhibitor so fest beziehungsweise kovalent, dass er nicht mehr vom Enzym zu lösen ist. Die Aktivität des Enzyms geht damit verloren, es bleibt für immer inaktiv. Die irreversible Hemmung findet man zum Beispiel bei Pilzen, die Antibiotika zu deren Schutz produzieren. Diese Antibiotika hemmen oft irreversibel bestimmte Stoffwechselwege, wie zum Beispiel die Proteinbiosynthese.
Ein weiteres bekanntes Beispiel ist das Antibiotikum Penicillin. Penicillin hemmt dauerhaft das Enzym, das bei den Bakterien für die Ausbildung der Zellwand sorgt. Dadurch haben die Bakterienzellen keine Stabilität mehr und können sich nicht weiter teilen. Eine Vermehrung der Bakterien wird somit durch das Antibiotikum verhindert.
Eine irreversible Enzymhemmung erfolgt auch oft bei Vergiftungen durch Nervengase oder Schwermetalle, zum Beispiel Quecksilber.
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