Enzymaktivität: pH-Wert, Temperatur und Hemmung optimieren

Der pH-Wert und Enzyme

Enzyme besitzen einen optimalen pH-Wert, bei dem ihre Tätigkeit maximal ist. Dies gilt auch, wenn die Substratkonzentration gering ist und die Reaktionsgeschwindigkeit maximal sein könnte. Kleine Abweichungen vom optimalen pH-Wert bewirken einen plötzlichen Rückgang der Aktivität. Dies geschieht, weil sich die elektrostatischen Kräfte ändern, welche die räumliche Struktur des aktiven Zentrums beeinflussen können. Dies verändert die Ladungen des aktiven Zentrums und des Substrats, wodurch die Bindungskapazität beeinträchtigt wird. Bei einer sehr starken Änderung des pH-Wertes wird das Enzym denaturiert und verliert seine Funktionsfähigkeit.

Einfluss der Temperatur (T)

Im Allgemeinen erhöht eine Zunahme der Temperatur (T) die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Im Falle enzymkatalysierter Reaktionen verdoppelt sich die Aktivität typischerweise alle 10 °C bis zu einem Maximalwert der Aktivität um 40 °C. Oberhalb dieses Wertes sinkt die Enzymaktivität rasch aufgrund des Verlusts der tertiären Struktur des Enzyms (Denaturierung). Eine zu niedrige Temperatur reduziert die Schwingungsenergie der Moleküle, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit langsamer wird.

Enzymhemmung durch Inhibitoren

Inhibitoren sind chemische Stoffe, welche die Aktivität von Enzymen verringern oder blockieren. Je nach ihrer Wirkungsweise unterscheidet man zwei Arten der Hemmung:

• Irreversible Hemmung: Der Effekt ist dauerhaft, da der Inhibitor kovalent an das Enzym bindet und dessen Struktur verändert.
• Reversible Hemmung: Die Hemmung ist zeitlich begrenzt und zerstört nicht die katalytische Aktivität des Enzyms. Die Bindung erfolgt über nicht-kovalente, schwächere Bindungen, die leicht zu brechen sind. Sobald der Inhibitor entfernt wird, nimmt das Enzym sofort seine Tätigkeit wieder auf.

Arten der reversiblen Hemmung

Kompetitive Hemmung

Hier können sich sowohl das Substrat als auch der Inhibitor an das aktive Zentrum des Enzyms binden. Wenn das Substrat bindet, entstehen Produkte; wenn der Inhibitor bindet, findet keine Reaktion statt. Die Wirkung des Inhibitors wird durch eine Zunahme der Substratkonzentration verringert. Der Grad der Hemmung hängt vom relativen Verhältnis zwischen Substrat und Inhibitor ab. Der Inhibitor muss dem Substrat strukturell sehr ähnlich sein (ein Analogon), um an das aktive Zentrum zu passen.

Nicht kompetitive Hemmung

Der Inhibitor bindet an eine andere Stelle des Enzyms als das Substrat. Diese Bindung verändert die Konformation des Enzyms so, dass das Substrat entweder nicht mehr an das aktive Zentrum binden kann oder die Kopplung beeinträchtigt wird. Eine Erhöhung der Substratkonzentration kann diese Art der Hemmung nicht aufheben.

Regulation der Enzymaktivität

Im Zellstoffwechsel wirken Enzyme nacheinander in Gruppen, um Stoffwechselwege durchzuführen. In diesen Ketten (Wegen) wird das Produkt der ersten Enzymreaktion zum Substrat für das nächste Enzym usw. Das Enzym am Anfang der Sequenz ist in der Regel das regulatorische Enzym. Es fördert seine Reaktion nur dann, wenn das Substrat aus den früheren Stadien gebildet wurde. Das Enzym wird gehemmt, sobald eine ausreichende Menge des Produkts vorhanden ist, wobei dieses Produkt selbst als Inhibitor fungiert (Rückkopplungshemmung).