• Vorklinik
  • Physikum-Fokus

Enzyme und Biokatalyse

Abstract

Manche chemischen Reaktionen laufen nicht freiwillig ab, obwohl sie eigentlich exergonisch sind (siehe hierzu: Thermodynamik). Grund hierfür ist meistens, dass die Reaktionen eine hohe Aktivierungsenergie haben, die überwunden werden muss. Soll die Reaktion dennoch ablaufen, dann muss die Reaktion katalysiert werden: Hierzu wird ein Stoff, der sog. Katalysator, zum Edukt gegeben, der mit dem Edukt einen Katalysator-Edukt-Komplex bildet, für den die Aktivierungsenergie deutlich niedriger ist. Ein Katalysator wird bei der Reaktion nicht verbraucht, sondern kann im Laufe der Zeit beliebig viel Edukt umsetzen.

In Zellen werden chemische Reaktionen von Biokatalysatoren, den sog. Enzymen, katalysiert. Dabei handelt es sich meist um Proteine, die über ein aktives Zentrum verfügen, an dem ein Substrat gebunden und umgesetzt werden kann. Sie kommen in allen Kompartimenten der Zelle vor und sind an nahezu allen Stoffwechselprozessen beteiligt.

Enzyme sind sehr spezifisch im Hinblick auf das Substrat, das sie umsetzen, und die Reaktion, die sie katalysieren. Darüber hinaus lassen sich diese Enzyme auf vielfältige Weise regulieren – und mit ihnen der gesamte Zellstoffwechsel. Die Regulierungsstrategien reichen dabei von der Beeinflussung der Transkription und Translation der Enzyme (sehr langsam) bis hin zu schnellen aktivitätsverändernden Konformationsänderungen der Enzyme, die durch bestimmte Effektoren vermittelt werden. Darüber hinaus gibt es verschiedene Möglichkeiten, Enzyme in ihrer Aktivität langfristig oder zeitweise zu hemmen.

Theoretische Grundlagen

Chemische Reaktionen ermöglichen

Auch chemische Reaktionen, die thermodynamisch nicht begünstigt sind (siehe hierzu: Thermodynamik), können unter geeigneten Bedingungen ablaufen. „Geeignet“ bedeutet im Labor, dass man von außen genügend Energie zuführt, damit die Reaktion ablaufen kann. Hierzu werden i.d.R. äußere Parameter wie die Temperatur oder der Druck drastisch verändert. In einer lebenden Zelle ist dies natürlich nicht (bzw. nur sehr begrenzt) möglich. Daher können thermodynamisch ungünstige Reaktionen unter in-vivo-Bedingungen nur stattfinden, wenn sie durch einen Katalysator gefördert werden und die für die Reaktion nötige Energie aus einem anderen (einen Energieüberschuss produzierenden) Prozess gezogen werden kann. Man nennt solche Reaktionen „gekoppelt“.

  • Katalyse: Herabsetzung der Aktivierungsenergie einer Reaktion
    • Funktion: Macht eine Reaktion energetisch günstiger, sodass sie leichter ablaufen kann.
    • Katalysator: Stoff, der die Reaktion energetisch günstiger macht
      • Prinzip: Der Katalysator wird bei der Reaktion selbst nicht verbraucht, sondern am Ende zurückgewonnen und erneut für die gleiche Reaktion genutzt.
      • Beispiel: Enzym
  • Chemische Reaktionskopplung: Verbindung einer energetisch ungünstigen Reaktion mit einem energieliefernden Prozess
    • Funktion: Sorgt dafür, dass eine ungünstige Reaktion dennoch ablaufen kann = Energietransformation.
    • Kopplungspartner der Reaktionen

„Energiereiche“ Verbindungen als Energieträgermoleküle

„Energiereiche“ Verbindungen sind kleine Moleküle, auf die reversibel funktionelle Gruppen übertragen werden können, wodurch sie zu Energieträgern werden. Die Abspaltungsreaktion der funktionellen Gruppe (i.d.R. Phosphatgruppen) vom Energieträgermolekül erfolgt mittels Wasser , sie setzt eine große Menge Energie frei. Der wichtigste Energieträger ist das ATP. Details zur ATP-Synthese siehe: Atmungskette.

Stammmolekül (ohne übertragene Gruppe) Übertragene Gruppe Energieträgermolekül Freiwerdende Energie bei der Hydrolyse Medizinische Bedeutung Molekülstruktur
ADP Phosphat ATP (Adenosintriphosphat) −31 KJ/mol Ubiquitärer Energieträger
GDP Phosphat GTP (Guanosintriphosphat)

−31 KJ/mol

Citratzyklus
Kreatin Phosphat PKr (Kreatinphosphat)

−43 KJ/mol

Glykolyse, Glycogenabbau, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung
CoA Thioester Acetyl-CoA (= Cysteamin-Gruppe (Bindungsstelle für die Acetyl-Gruppe), die an Pantothensäure bindet, welche wiederum an ein ADP-Molekül, das in 3'-Position zusätzlich phosphoryliert ist, bindet)

−36 KJ/mol

Citratzyklus
Pyruvat Phosphat PEP (Phosphoenolpyruvat)

−62 KJ/mol

Glykolyse

Energieträgermoleküle sind keine Energiespeicher! Energiespeicher müssen eine besonders hohe Energiedichte haben. Fettsäuren bspw. haben einen Energiegehalt von ca. 37KJ/g, wohingegen in 1mol (= 507g) ATP nur 31KJ/mol Energie gespeichert sind.

Enzyme - Definition und Aufbau

Enzyme sind Moleküle, die Reaktionen in biochemischen Systemen katalysieren, sie sind also „Biokatalysatoren“. Zu den Enzymen gehören fast ausschließlich Proteine, lediglich die Ribozyme stellen eine Ausnahme dar. Die Zahl der Proteinenzyme, die auch Nichtproteinbestandteile aufweisen (die sog. Holoenzyme), ist jedoch groß.

Aufbau

Zum allgemeinen Aufbau von Proteinen siehe: Aminosäuren und Proteine.

  • Aktives Zentrum
    • Bereich des Enzyms, an dem die Reaktion stattfindet
    • Oft eine Tasche oder Höhle im Inneren des Proteins
  • Regulatorisches Zentrum
    • Manche Enzyme verfügen neben dem aktiven Zentrum über ein weiteres Bindungszentrum, das der Regulation der Enzymaktivität dient

Arten

  • Ribozyme (siehe hierzu: RNA: Struktur und Eigenschaften)
  • Reine Proteinenzyme
  • Holoenzyme: Bestehen immer aus Apoenzym und Cofaktor
    • Apoenzym: Proteinteil des Enzyms
    • Cofaktor (auch Coenzym): Nichtproteinteil des Enzyms
      • Prosthetische Gruppe
        • Definition: Dauerhaft kovalent ans Protein gebundenes organisches Molekül
        • Beispiele
          • Biotin (Carboxylasen)
          • Häm (Cytochrom c)
          • Flavin (Flavoproteine)
      • Metallion
        • Definition: An der katalytischen Reaktion beteiligtes, koordinativ gebundenes Metallion im aktiven Zentrum
        • Beispiele: Fe3+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, …
      • Cosubstrat: Cofaktoren, die nach der katalytischen Reaktion wieder vom Enzym dissoziieren

Übersicht über ausgewählte Holoenzyme und ihre Nichtprotein-Cofaktoren

Cofaktor Molekülstruktur Funktionelle Gruppe Enzyme Enzymreaktion
Thiamindiphosphat Thiazolium-Ylid

Pyruvat-Dehydrogenase

Oxidative Decarboxylierung
FMN Isoalloxazin Oxidoreduktasen Elektronentransfer
FAD Isoalloxazin Oxidoreduktasen Elektronentransfer
NAD(P)+ Pyridin Oxidoreduktasen Elektronentransfer
Pyridoxalphosphat Aldehydfunktion Aspartataminotransferase

Transaminierung, Decarboxylierung, Dehydratisierung

Biotin Harnstoff bzw. Kohlensäurediamid Carboxylasen Carboxylierung
Cobalamin Co2+-Ion Methylmalonyl-CoA-Mutase Alkyltransfer
S-Adenosylmethionin (SAM) Sulfonamid Methyltransferasen Methylierung (SAM ist ein sog. Methylgruppendonor)
Liponamid Disulfid Pyruvatdehydrogenase Oxidative Decarboxylierung
Tetrahydrofolsäure Amin Methyltransferasen Methylierung

Coenzym A

Thiol Citratsynthase

Acyltransfer

Ascorbinsäure Endiol-Struktur mit benachbarter Carbonylfunktion Prolyl-4-Hydroxylase

Redoxchemie, Hydroxylierung

Phyllochinon Chinon Carboxylase Oxidative Carboxylierung
Tetrahydrobiopterin Pterin Hydroxylasen

Hydroxylierung

Enzymdiagnostik
Da Enzyme an allen Stoffwechselprozessen beteiligt sind, kann man anhand ihrer Verteilung und der vorhandenen Menge überprüfen, ob der jeweilige Stoffwechselprozess im Körper regulär funktioniert. Dies macht man sich heute in einer großen Zahl enzymdiagnostischer Verfahren zunutze, besonders innerhalb der Leber- und Herzdiagnostik. Bspw. weist eine erhöhte Konzentration von Kreatinkinase im Blut auf einen Herzinfarkt hin, da das Sterben myokardialer Zellen zur Freisetzung von Kreatinkinase führt, die noch bis zu 4 h im Serum nachgewiesen werden kann.

Enzyme sind i.d.R. Proteine, umgekehrt sind aber Proteine nicht unbedingt auch Enzyme!

Enzymklassifikation

Die Endung „-ase“ im Namen weist bereits darauf hin, dass es sich bei einem Molekül um ein Enzym handelt. Darüber hinaus gibt es aber auch eine international gültige Klassifikation von Enzymen nach ihrer jeweiligen Funktion oder ihrem Substrat:

Die sechs Hauptklassen der Enzyme
Klasse Name Katalysierte Reaktion Beispiele
1 Oxidoreduktasen Redoxreaktionen
  • (De‑)Hydrogenasen
  • Oxidasen
  • Oxygenasen
2 Transferasen Übertragen funktionelle Gruppen von einem auf ein anderes Substrat
  • Kinasen
  • Aminotransferasen
  • Glycosyltransferasen
3 Hydrolasen Hydrolytische Spaltung kovalenter Bindungen
  • Phosphatasen
  • Esterasen
4 Lyasen Bildung und Spaltung aller kovalenten Bindungen, die nicht in die Klassen 1 und 3 fallen
5 Isomerasen Umwandlung von Substraten in ihre Isomere
  • Mutasen
  • Epimerasen
6 Ligasen Knüpfung kovalenter Bindungen und Kopplung der Reaktion an die Hydrolyse eines Energieträgermoleküls (s.o.)

Die Endung „-ase“ im Namen weist bereits darauf hin, dass es sich bei einem Molekül um ein Enzym handelt!

Isoenzyme katalysieren die gleiche Reaktion, auch wenn sie strukturell verschieden sind!

Biokatalyse

Biokatalysatoren beschleunigen Reaktionen in biochemischen Systemen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen oder alternative Reaktionswege ermöglichen. Biokatalysatoren sind enorm effektiv und synthetischen Katalysatoren im Hinblick auf Selektivität und Aktivität bei weitem überlegen, da sie sich evolutionär genau an ihr Substrat und ihre Reaktion angepasst haben.

Enzymspezifität

Eine katalytische Umsetzung in lebenden Zellen ist eine Katalyse unter erschwerten Bedingungen: Es liegt eine Vielzahl von Stoffen gleichzeitig nebeneinander vor, die sich z.T. sehr ähnlich sind. Dennoch muss gewährleistet werden, dass ein Enzym das richtige Substrat umsetzt und dabei ausschließlich das gewünschte Produkt entsteht, da die Produktion anderer Substanzen sowohl toxisch sein kann, als auch den fein abgestimmten Stoffwechsel der Zelle durcheinander bringen würde.

  • Substratspezifität
    • Definition: Enzyme erkennen selektiv „ihr“ Substrat.
    • Ursache: Komplementäre Strukturen von Enzym und Substrat
  • Reaktionsspezifität
    • Definition: Enzyme setzen ein Substrat nur auf eine bestimmte Weise um.
    • Ursache: Das Substrat wird im aktiven Zentrum immer gleich ausgerichtet, sodass die beteiligte funktionelle Gruppe des Enzyms immer gleich angreifen kann
  • Stereospezifität
    • Definition: Eine Reaktion, bei der nur eines von mehreren möglichen Stereoisomeren entsteht (Details zur Isomerie siehe: Grundlagen der Organischen Chemie)
    • Ursache: Proteine sind aus chiralen Aminosäuren aufgebaut und daher selber chiral; die chirale Umgebung des aktiven Zentrums sorgt dafür:
      • Dass nur ein bestimmtes Isomer überhaupt gebunden und umgesetzt werden kann
      • Dass (wenn aus einem nicht chiralen Molekül ein chirales entsteht) das Substrat so umgesetzt wird, dass räumlich nur eines der möglichen Stereoisomere entstehen kann.

Katalytische Enzymaktivität

Um die katalytische Aktivität eines Enzyms anzugeben, gibt es verschiedene Bezugsgrößen, die sich auf das Volumen, die Masse, die Stoffmenge oder die Stoffmenge unter Berücksichtigung der Zahl der aktiven Zentren eines Enzyms beziehen. Die SI-Einheit der Enzymaktivität ist das „Katal“ (kat; 1kat = die Menge Enzym, die 1mol Substrat in 1s unter definierten Bedingungen in Produkt umwandelt). Auch die historische Einheit „Unit“ (U; 1U = die Menge Enzym, die 1μmol Substrat in 1min unter Standardbedingungen in Produkt umwandelt) ist noch in einigen Arbeiten zu finden.

  • Volumenaktivität: Enzymaktivität pro Volumen
    • Einheit: kat/L bzw. U/ml
  • Spezifische katalytische Aktivität: Aktivität bezogen auf die Masse des Enzyms
    • Einheit: kat/kg bzw. U/mg
  • Molare katalytische Aktivität: Aktivität bezogen auf die Stoffmenge des Enzyms
    • Einheit: kat/mol
  • Wechselzahl: Molare katalytische Aktivität bezogen auf die Zahl der aktiven Zentren des Enzyms
    • Wird in der biochemischen Praxis sehr oft verwendet
    • Ist auch unter dem englischen Begriff „turn-over-rate“ bekannt

Angaben zu Enzymen werden nicht immer unter Standardbedingungen gemacht: Als Bezugstemperatur verwendet man im Labor oft 25°C oder 30°C, wohingegen klinische Untersuchungen fast ausschließlich 37°C verwenden!

Abhängigkeit von physikalischen Faktoren

Die Aktivität eines Enzyms ist von äußeren Faktoren abhängig.

  • Temperatur
    • Verhalten: Innerhalb eines kleinen Schwankungsbereichs steigt die Enzymaktivität mit der Temperatur, bei Überschreiten des Optimums sinkt die Enzymaktivität drastisch.
    • Optimum: Temperatur, bei der die höchste Aktivität des Enzyms beobachtet wird
  • pH-Wert
    • Verhalten: Die meisten Proteine zeigen ein Aktivitätsmaximum zwischen pH 4 und pH 9.
    • Gründe
  • Salzkonzentration
    • Strukturelle Voraussetzung: Eine bestimmte Menge an Salzen kann nötig sein, um die räumliche Struktur oder sogar die chemische Funktion von Proteinen zu stabilisieren (Toleranzbereich).
    • Grund: Denaturierung der Enzyme außerhalb des Toleranzbereichs
  • Oxidative Umgebung
    • Einfluss: Oxidationsmittel wie Luftsauerstoff und Übergangsmetallionen in der Umgebung des Enzyms können das Enzym inaktivieren (oder gezielt aktivieren)
    • Grund: Veränderung der räumlichen Struktur eines Enzyms oder seiner Stabilität
    • Beispiel: Sulfhydrylgruppen des Enzyms, die an der Katalysereaktion beteiligt sind, werden zu Disulfidbrücken oxidiert, wodurch das Enzym seine Konformation ändert.

Proximitätseffekt

Durch die Bindung des Substrats an das Enzym wird formal aus einer Reaktion zwischen verschiedenen Teilchen (intermolekulare Reaktion) eine Reaktion innerhalb eines Teilchens (intramolekulare Reaktion). Durch die räumliche Nähe aller an der Reaktion beteiligten Komponenten und ihre räumliche „Prä-Organisation“ ist ihre effektive Konzentration am Ort der Reaktion stark erhöht – und damit die Wahrscheinlichkeit, dass es zur Reaktion kommt. Zudem ist die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion erfolgt, erhöht. Diesen Effekt nennt man „Proximitätseffekt“.

Enzymkinetik

Die Kinetik beschreibt die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und Prozesse . Bei einer enzymatischen Reaktion hängt die Geschwindigkeit sowohl von der Menge des vorhandenen Enzyms als auch von der Konzentration des Substrats ab. Wird die Konzentration des Enzyms konstant gehalten, dann zeigt die Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Substratkonzentration einen Sättigungsverlauf.

Michaelis-Menten-Modell

Enzymkatalysierte Reaktionen haben eine besondere Kinetik, die man mit Hilfe des Michaelis-Menten-Modell beschreibt. Dabei geht man von der Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes während der Reaktion aus:

Dieser Enzym-Substrat-Komplex (ES) steht mit den anderen Komponenten des Reaktionsgemischs (dem Enzym (E), dem Substrat (S) und dem Produkt (P)) in einem Fließgleichgewicht . Ein Fließgleichgewicht ist ein Zustand, bei dem ständig Substanzen in gleichem Maße zuströmen wie abfließen. Dies ist eine Konsequenz daraus, dass Zellen offene Systeme sind, die mit ihrer Umgebung im ständigen Austausch stehen.

  • Michaelis-Menten-Gleichung: v = vmax × c(S) / (KM + c(S))
  • Michaelis-Menten-Konstante: KM = (k+22 + k−1) / k+11
    • Einheit: mol/L
    • KM = Michaelis-Menten-Konstante, k+22 = Geschwindigkeitskonstante der Reaktion ES → E + P, k−1 = Geschwindigkeitskonstante der Reaktion ES → E + S, k+11= Geschwindigkeitskonstante der Reaktion E+S → ES
    • Entspricht der Substratkonzentration, bei der die Hälfte der aktiven Zentren der an der Reaktion beteiligten Enzyme von Substrat besetzt sind
    • Entspricht der Substratkonzentration, bei der die Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion halb-maximal ist
  • Maximale Geschwindigkeit: vmax = k+22 × c(ET)
    • vmax = maximale Geschwindigkeit, k+22 = Geschwindigkeitskonstante der Reaktion ES → E + P, c(ET) = Gesamtkonzentration des Enzyms im Gemisch
    • vmax ist definitionsgemäß die Enzymkonzentration, die benötigt wird, um 1Mol Substrat in 1s umzusetzen und wird daher in M/s angegeben
  • Geschwindigkeitskonstante k+22: Wechselzahl
    • k+22 = Geschwindigkeitskonstante der Reaktion ES → E + P
    • Zahl der Substratmoleküle, die pro Enzym und Sekunde zu Produkt umgesetzt werden
  • Maximale katalytische Aktivität: k+22/kM
    • Katalytische Wirksamkeit wird begrenzt durch das diffusionsbedingte Aufeinandertreffen von Enzym und Substrat.
    • In wässriger Lösung ca. 109×1/sM

Herleitung der Michaelis-Menten-Gleichung

  • Die Reaktion E + S → ES ist eine Reaktion zweiter Ordnung (siehe: Reaktionsordnung), daher gilt für die Geschwindigkeit der Reaktion
    • v = k1 × [E] × [S]
  • Gleichzeitig laufen aber auch zwei Reaktionen 1. Ordnung ab, die die Konzentration des Enzym-Substratkomplexes verringern:
  • Im Gleichgewichtszustand laufen die Reaktionen, die zur Bildung von ES führen mit der gleichen Geschwindigkeit, wie die Reaktionen, die zum Abbau von ES führen:
    • 0 = (k1 × [E] × [S]) − (k−1 × [ES]) − (k+22 × [ES])
  • Weil die Konzentration von E unbekannt ist und sich auch nicht einfach messen lässt, versucht man sie in der Gleichung zu ersetzen und führt zunächst die Gesamtkonzentration des Enzyms E0 ein: [E]0 = [E] + [ES] bzw [E] = [E0] – [ES]
    • ⇔ 0 = (k1 × ([E0] – [ES]) × [S]) − (k−1 × [ES]) − (k+22 × [ES])
  • Ausmultiplizieren der Klammer:
    • ⇔ 0 = (k1 × [E0] × [S]) – (k1 × [ES] × [S]) − (k−1 × [ES]) − (k+22 × [ES])
  • Ausklammern von – [ES]:
    • ⇔ 0 = (k1 × [E0] × [S]) – [ES] × (k1 × [S] + k−1 + k+22)
  • [ES] auf eine Seite bringen:
    • k1 × [E0] × [S] = [ES] × (k1 × [S] − k−1k+22)
    • ⇔ (k1 × [E0] × [S]) / (k1 × [S] − k−1k+22) = [ES]
    • ⇔ ([E0] × [S]) / (((k−1 + k+22)/k1) + [S]) = [ES]
  • Für den Term (k−1 + k+22)/k1 wird nun die Konstante KM, die Michaelis-Menten-Konstante, eingeführt
    • ⇔ ([E0] × [S]) / (kM + [S]) = [ES]
  • Setzt man nun die Anfangsgeschwindigkeit v0 = k2 × [ES] => [ES] = v0 / k2 ein, dann folgt
    • v0 = (k2 × [E0] × [S])/(kM+[S])
  • Weil k2 × [E0] die maximale Geschwindigkeit vmax der Reaktion ist, kann auch dies ersetzt werden:
    • v0 = (vmax × [S])/(kM+[S])

Lineweaver-Burk-Plot

Zur praktischen Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstante KM und der maximalen Geschwindigkeit vmax ist die von Michaelis und Menten vorgeschlagene Auftragung der Geschwindigkeit gegen die Substratkonzentration wenig geeignet. Stattdessen wird eine lineare Auftragung gewählt, die man nach ihren Entwicklern den Lineweaver-Burk-Plot nennt:

  • Graphische Darstellung
    • Formel der Geraden: 1/v = 1/vmax + KM/vmax × 1/c(S)
      • Die Steigung der Geraden ist also KM/vmax
    • Wichtige Punkte
      • Schnittpunkt der Geraden mit der y-Achse: Hier kann 1/vmax abgelesen werden
      • Schnittpunkt der Geraden mit der x-Achse: Hier kann −1/KM abgelesen werden

Enzymregulation

Um Prozesse in Zellen aufeinander abzustimmen und gezielt steuern zu können, sollten nicht alle Enzyme immer mit voller Aktivität ihre Reaktionen katalysieren. Für die Regulation von Enzymen gibt es daher diverse Mechanismen, die die Aktivität erhöhen, erniedrigen oder sogar (für einen bestimmten Zeitraum) ganz inaktivieren.

Hemmung von Enzymen

Verminderung der Enzymaktivität durch Einwirkung sog. Inhibitoren.

Reversible Hemmung

Zeitweise Hemmung eines Enzyms, die wieder rückgängig gemacht werden kann.

Übersicht über Mechanismen der reversiblen Hemmung
Inhibitor Mechanismus Reaktionsschema Beendigung der Hemmung Beispiel
Kompetitive Hemmung
  • Stoff, der dem Substrat ähnlich ist und an derselben Stelle ans Enzym bindet
  • Inhibitor konkurriert mit dem eigentlichen Substrat
  • Bindet reversibel ans aktive Zentrum, blockiert das Enzym also nur zeitweise
  • => vmax des Enzyms bleibt gleich, KM steigt
  • Entfernung des Inhibitors
  • Vergrößerung der Substratkonzentration, bis diese wesentlich größer ist als die des Inhibitors
Nicht-kompetitive Hemmung
  • Stoff, der dem Substrat nicht ähnlich ist und an einer anderen Stelle an das Enzym bindet
  • Inhibitor bindet an das Enzym und inaktiviert es
  • Senkt die Konzentration der aktiven Enzyme im Gemisch
  • => vmax des Enzyms sinkt, KM bleibt gleich
  • Entfernung des Inhibitors
Unkompetitive Hemmung
  • Stoff, der dem Substrat nicht ähnlich ist und an einer anderen Stelle an das Enzym bindet
  • Inhibitor bindet nur an den Enzym-Substrat-Komplex, nicht aber an das freie Enzym
  • => vmax des Enzyms sinkt, KM sinkt ebenfalls
  • Entfernung des Inhibitors
  • Lithiumchlorid als Inhibitor der Inositolmonophosphatase

ACE-Hemmer
ACE-Hemmer sind Substratanaloga von Angiotensin I und damit kompetitive Inhibitoren. Sie verhindern durch Hemmung des Enzyms ACE (Angiotensin Converting Enzyme, Kininase II) die Synthese von Angiotensin II, indem sie mittels SH-Gruppe mit einem Zinkion aus dem aktiven Zentrum von ACE interagieren. Als Medikament finden ACE-Hemmer Verwendung in der Therapie von Bluthochdruck.

Irreversible Hemmung

Hemmung eines Enzyms, die dieses dauerhaft inaktiviert und nicht rückgängig gemacht werden kann. Um die Aktivität wiederherzustellen, muss das Enzym neu synthetisiert werden . Ein Beispiel für eine irreversible Hemmung sind die Monoamin-Oxidase-Hemmer, die v.a. in der Parkinson-Therapie eingesetzt werden.

  • Übergangszustandsanaloga: Inhibitoren, die dem Übergangszustand des Substrats bei der Umsetzung ähneln, aber meist viel fester binden als das eigentliche Substrat
  • Suizidsubstrat: Inhibitor, der am aktiven Zentrum umgesetzt wird und dabei so fest an das Enzym bindet, dass das Produkt nicht wieder entlassen werden kann.

Cyclooxygenase-Hemmer
Cyclooxygenase ist ein Enzym, das in zwei Isoformen auftritt (COX-I und COX-II) und u.a. an der Synthese von Prostaglandinen beteiligt ist. Während die Isoform COX-I v.a. für die Schleimproduktion der Magenschleimhaut und die Nierendurchblutung verantwortlich ist, fördert COX-II v.a. Entzündungsprozesse, die Schmerzsensibilisierung und Temperaturerhöhung im Körper. Um die negative Wirkung von COX-II zu mindern, können unselektive nichtsteroidale Antirheumatika (NSAR) verabreicht werden, die neben COX-II auch COX-I hemmen. Nebenwirkungen können aber Blutungen der Magenschleimhaut und eine Abnahme der Nierenfunktion sein. Aufgrund dieser Nebenwirkungen wurden selektive COX-II-Hemmer entwickelt (sog. Coxibe), die gezielt Entzündungen reduzieren sollten. Im Laufe der Zeit fand man aber heraus, dass auch diese starke Nebenwirkungen verursachen, da sie die Thromboxanproduktion der Cyclooxygenase beeinflussen und so die Gerinnung in engen Gefäßen fördern. Daraufhin wurden mehrere COX-II-Hemmer wieder vom Markt genommen.

Allosterie

Allosterie ist ein wichtiger Mechanismus, um die Aktivität eines Enzyms zu verändern.

  • Effektor: Stoff, der dem Substrat eines Enzyms nicht ähnlich ist, aber an einer anderen Stelle an das Enzym binden kann
  • Mechanismus
    • Effektor bindet an einer regulatorischen Bindungsstelle außerhalb des aktiven Zentrums reversibel an das Enzym.
    • Das Enzym verändert seine Konformation und bindet dann leichter oder schlechter an das Substrat.
    • Der Effektor kann sich vom Enzym wieder lösen, sobald der erzielte Effekt wieder aufgehoben werden soll.
    • Das allosterisch regulierte Enzym oszilliert so zwischen einer aktiven Form und einer inaktiven Form.
  • Funktion: Allosterisch beeinflusste Enzyme nehmen in verzweigten Biosyntheseketten eine zentrale Schalterposition ein.
  • Beispiel: Phosphofructokinase 1
    • Die Phosphofructokinase kommt in fünf Isoformen vor und besitzt eine regulatorische Bindungsstelle am C-Terminus des Proteins. Hier wirken:

Allosterie tritt auch bei Proteinen auf, die keine Enzyme sind!

Negative Rückkopplung

Eine besondere Art der allosterischen Hemmung ist die Substrathemmung, bei der der Effektor das Produkt eines später in der Biosynthesekette auftretenden Enzyms ist. Steigt die Konzentration dieses Stoffs über einen bestimmten Wert (d.h., es wurde genug von dieser Substanz produziert und die Zelle benötigt diesen Stoff nicht in noch größerer Menge), dann kann die Zelle so die Produktion des Stoffes automatisch einschränken.

Chemische Modifikation von Enzymen (Interkonversion)

Auch durch kovalente Modifikation, also die permanente Bindung von Molekülen oder funktionellen Gruppen an ein Enzym, kann dessen Aktivität variieren. Enzyme, die durch kovalente Modifikation in unterschiedlich aktive Formen übergehen, bezeichnet man als „interkonvertierbar“.

  • Phosphorylierung: Eine Phosphatgruppe wird z.B. von ATP auf das Enzym übertragen.
  • Dephosphorylierung: Eine Phosphatgruppe wird hydrolytisch vom Enzym abgespalten.
    • Funktion: Beide Formen des Enzyms haben eine unterschiedliche Aktivität, es hängt vom konkreten Fall ab, welche der beiden Formen aktiver ist.
    • Beispiele
      • Glycogensynthase (aktive Form ist dephosphoryliert)
      • Phosphorylasekinase (aktive Form ist phosphoryliert)
  • ADP-Ribosylierung: Übertragung einer oder mehrerer ADP-Ribose-Einheiten von NAD auf ein Protein
  • Limitierte Proteolyse: Proteine werden dadurch aktiviert, dass ein dafür vorgesehener inhibierender Peptidrest abgespalten wird.
    • Zymogen/ Proenzym: Inaktive Proteinvorstufe
    • Beispiel: Trypsinogen wird durch das Enzym Enteropeptidase in Trypsin umgewandelt.

Phosphorylierungskaskaden können zu einer enormen Steigerung des regulierten Stoffwechsels führen!


Choleratoxin
Die Giftwirkung von Choleratoxin, das von einem Bakterium produziert wird und beim Menschen schwere Durchfallerkrankungen auslöst, beruht auf der ADP-Ribosylierung einer Untereinheit eines heterotrimeren G-Proteins. Dadurch wird die GTPase-Aktivität dieser Untereinheit gehemmt, während das G-Protein selbst im aktiven Zustand bleibt. Hieraus folgt eine ständige Aktivierung der Adenylatcyclase, die cAMP produziert. Durch den so entstehenden Überschuss an cAMP verändern sich die Aktivitäten von Membrankanälen und es kommt zum erhöhten Ausstrom von Wasser ins Darmlumen.

Steuerung der Gesamtkonzentration eines Enzyms

Die Geschwindigkeit einer enzymkatalytischen Reaktion hängt wesentlich von der Konzentration dieses Enzyms ab (s.o.). Daher kann die Steuerung der Gesamtkonzentration (also die Konzentration des Enzyms unabhängig von seiner Aktivität) auch zur Regulation des katalytischen Prozesses verwendet werden. Da diese Konzentration aber nur über Beeinflussung von Translation und Transkription (siehe hierzu: Regulation der Genexpression) zu erreichen ist, handelt es sich hierbei nicht um eine kurzfristig wirksame Strategie.

Protein-Protein-Wechselwirkungen

Protein-Protein-Wechselwirkungen können auf verschiedene Weise die Aktivität von Enzymen beeinflussen und somit bei der Regulation mitwirken:

  • Oligomere Enzyme: Enzyme, die aus mehreren Untereinheiten bestehen und deren Funktion abhängig ist vom Kooperativitätsverhalten dieser Untereinheiten
  • Adapterproteine: Selbst keine Enzyme, sondern Proteine, die verschiedene Proteinbindungsstellen besitzen und so Proteinbindungspartner räumlich nah zueinander bringen und deren Verknüpfung erleichtern
    • Beispiel: Wachstumsfaktorrezeptor 2 (Grb2)
  • Chaperone: Selbst keine Enzyme, sondern Proteinkomplexe, die die Aggregation von Proteinen verhindern und somit z.B. die Aktivität von Enzymen gewährleisten

Räumliche Trennung von Enzym und Substrat

Die räumliche Trennung von Enzymen und Substrat wird auch als „Sequestrierung“ bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist die Glucokinaseregulation:

  • Enzym: Glucokinase
  • Effektor: Glucokinase-Regulatorprotein
    • Wirkung
      • Wird gesteuert von intrazellulärer Glucosekonzentration.
      • Inaktiviert Glucokinase durch Bindung, wenn Glucosespiegel niedrig ist.
      • Komplex aus Enzym und Effektor wird in den Zellkern transportiert.
      • Steigt der Glucosespiegel, dann dissoziiert der Effektor und das Enzym wird zurück ins Zytosol transportiert.
    • Vorteil: Schnelle Reaktion auf schwankende Glucosekonzentration