Enzymregulation: Mechanismen der Hemmung und Aktivierung

Wenn außer dem eigentlichen Substrat andere Stoffe an das Enzymmolekül binden, kann die Enzymaktivität beeinträchtigt oder auch gesteigert werden. Dies sind zentrale Mechanismen der Enzymregulation.

Schwermetallhemmung: Irreversible Enzymblockade

Schwermetalle binden an -SH-Gruppen von Aminosäureresten im Enzym. Dies führt zu:

• Einer Änderung der Konformation des Enzyms, inklusive des aktiven Zentrums.
• Einer Herabsetzung oder vollständigen Aufhebung der Enzymaktivität.

Die Bindung ist irreversibel. Die Giftigkeit bestimmter Metalle beruht darauf, dass sie bei Enzymen Veränderungen ihrer Passform bewirken, die nicht rückgängig zu machen sind.

Effekt: Der Km-Wert ist höher, und die Enzymaktivität erreicht kein Maximum.

Kompetitive Hemmung: Substratkonkurrenz am Enzym

Konkurrieren zwei chemisch ähnliche Stoffe um das Bindungszentrum eines Enzyms, beeinflusst dies die Enzymaktivität, wenn einer das Substrat ist und der andere als Hemmstoff wirkt. Der Hemmstoff kann zwar an das Enzym gebunden, aber nicht umgesetzt werden. Er verdrängt somit das eigentliche Substrat. Die Wirkung solcher Hemmstoffe ist umso größer, je höher ihre Konzentration im Vergleich zum eigentlichen Substrat ist. Diese Hemmung endet nach dem Absetzen des Medikaments und ist reversibel.

Effekt: Der Km-Wert ist höher, aber die maximale Enzymaktivität (Vmax) kann bei hoher Substratkonzentration erreicht werden.

Allosterische Effekte: Regulation durch Formänderung

Bestimmte Enzyme haben nicht nur eine Bindungsstelle für das umzusetzende Substrat, sondern eine weitere Bindungsstelle, an der ein ganz anders aufgebautes Molekül binden kann. Die Passform eines solchen Enzyms hängt davon ab, ob an dieser Stelle ein Effektor (Hemmstoff oder Aktivator) gebunden ist oder nicht. Dies führt zu:

• Einer Änderung der Tertiärstruktur und des aktiven Zentrums.
• Daraus folgt, dass das Substrat entweder besser oder schlechter binden kann.

Die Bindung des Effektors ist reversibel. Je mehr Hemmstoff vorhanden ist, desto stärker ist die Hemmung (Kontrolle über die Konzentration des Hemmstoffs).

Manche Enzyme erreichen erst durch allosterische Veränderungen ihre volle katalytische Wirkung.

Allosterische Aktivierung: Steigerung der Enzymleistung

Bestimmte Enzyme, sogenannte Apoenzyme, entfalten ihre katalytische Wirkung, wenn Kofaktoren oder Kosubstrate außerhalb des aktiven Zentrums gebunden werden. Diese Form der Aktivierung nennt man auch Substratinduktion (z.B. durch Coenzyme). Die Kofaktoren und Kosubstrate arbeiten mit verschiedenen Enzymen zusammen und sind somit nicht wie Enzyme substratspezifisch.

Effekt: Der Km-Wert sinkt, die Affinität des Enzyms zum Substrat wird größer.

Allosterische Hemmung: Endprodukt-Feedback-Kontrolle

Wenn Endprodukte eines bestimmten Stoffwechselweges anfallen, so kann deren Überschuss eine allosterische Hemmung der an diesem Stoffwechsel beteiligten Enzyme bewirken. Aufgrund des negativen Feedbacks der Endprodukte erfolgt eine Drosselung der Enzymsynthese. Man spricht von Endprodukthemmung.

Effekt: Der Km-Wert wird größer, die Affinität des Enzyms zum Substrat sinkt.