Enzymregulation durch Enzymmodifikation

Enzymregulation – Biologie

Manchmal erinnert unser Körper an eine große, komplexe Fabrik, die Tag und Nacht arbeitet: Er wandelt die Nahrung in Energie um, sodass wir uns bewegen, denken und lernen können, und am Ende kommen nicht verwertete Ausscheidungsprodukte wieder heraus. Für diese Umwandlung ist der Stoffwechsel im Körper verantwortlich und die Enzyme. Und damit der Stoffwechsel gut funktioniert und sich an unterschiedliche Situationen anpasst, müssen diese Enzyme reguliert werden. Doch wie macht der Körper das? Was Enzymregulation genau ist und wie sie funktioniert, lernst du in diesem Text.

Enzymregulation – Definition

Enzyme sind für den Stoffwechsel unbedingt notwendige Moleküle. Sie beschleunigen wichtige Reaktionen und setzen bestimmte Substrate in bestimmte Produkte um. Das Substrat wird dabei gespalten oder verändert. Wie viele aktive Enzyme eines Typs in einer Zelle vorhanden sind, beeinflusst also maßgeblich die Stoffwechselprozesse in der Zelle. Die Anzahl aktiver Enzyme kann reguliert werden. Das nennt man Enzymregulation. Enzymregulation ist die Kontrolle von enzymatischen Reaktionen, also der katalytischen Umsetzung von Substraten zu Produkten durch Enzyme, durch Aktivierung oder Hemmung der Enzymaktivität.
Die Menge an aktiven Enzymen in einer Zelle kann dabei auf zwei Ebenen reguliert werden: auf der Ebene der Proteinbiosynthese und auf der Ebene der Enzymmodifikation.

Enzymregulation – Proteinbiosynthese

Wie du sicher weißt, handelt es sich bei Enzymen meist um Proteine, die durch Proteinbiosynthese von der Zelle hergestellt werden. Die Proteinbiosynthese gliedert sich dabei in zwei große Schritte: die Transkription und die Translation. Dabei kann die Menge an Enzym, die erzeugt wird, sowohl durch das Ablesen der Gene und die damit entstehende Menge an mRNA, also auf transkriptioneller Ebene, als auch durch die Menge an entstehendem Protein, also auf translationaler Ebene, reguliert werden. Dieser Prozess dauert einige Zeit und ist daher für die langfristige Regulation der Enzymaktivität gedacht. Wenn dich das Thema interessiert, findest du unter diesem Link mehr Informationen zur Regulation der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten.

Enzymregulation – Enzymmodifikation

Viel schneller kann der Körper auf Veränderungen reagieren, indem er die Aktivität der bereits vorhandenen Enzyme reguliert. Durch Hemmung (Inhibition) und Aktivierung der Enzyme können die Enzyme kurzzeitig aus- und eingeschaltet werden. Damit ein Enzym aktiv ist, muss es für das zugehörige Substrat möglich sein, an das aktive Zentrum des Enzyms zu binden. Nur so kann das Substrat umgesetzt und die Aufgabe des Enzyms erfüllt werden. Die Inaktivierung von Enzymen geschieht über eine Veränderung, also Modifikation, an den Enzymen selbst. Man spricht deshalb von Enzymmodifikation.

Arten der Enzymmodifikation

Man kann unterschiedliche Arten der Enzymmodifikation unterscheiden.
Die reversible Hemmung, die sich noch einmal in die kompetitive und nichtkompetitive Hemmung unterteilt, und die irreversible Hemmung (nichtreversible Hemmung).
Das Wort reversibel bedeutet umkehrbar. Es handelt sich bei der reversiblen Hemmung also um eine Hemmung, die wieder rückgängig gemacht werden kann.
Die irreversible Hemmung lässt sich, wie der Name vermuten lässt, nicht rückgängig machen.
Was es mit diesen Begriffen auf sich hat, klären wir in den nächsten Textabschnitten auf.

Reversible Hemmung – kompetitive Hemmung

Eine Art der reversiblen Hemmung ist die kompetitive Hemmung. Bei der kompetitiven Hemmung liegt ein Hemmstoff, also ein Inhibitor vor, der dem Substrat, das das Enzym normalerweise umsetzt, strukturell sehr ähnlich ist. Er passt in das aktive Zentrum des Enzyms und blockiert dieses – das Substrat und der Inhibitor konkurrieren also um das aktive Zentrum des Enzyms.

Da es sich um eine reversible Hemmung handelt, können sich kompetitive Inhibitoren im Rahmen einer Gleichgewichtsreaktion immer wieder vom Enzym lösen und erneut binden. Eine hohe Konzentration an Inhibitoren führt dazu, dass eine große Menge an Enzymen inaktiv ist. Ist der Inhibitor gerade nicht gebunden, dann kann stattdessen ein verfügbares Substrat binden und umgesetzt werden. Bei einer hohen Substratkonzentration kann der Inhibitor komplett vom Enzym verdrängt und das Substrat umgesetzt werden.

Kompetitive Hemmung – Dosis-Wirkungs-Beziehung

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Dosis-Wirkungs-Beziehung des Hemmstoffs zu beachten. Je nach Dosis des Stoffs verändert sich demnach die Wirkung: In einem niedrigen Konzentrationsbereich kann ein Stoff etwa noch als Medikament hilfreich sein, bei hohen Konzentrationen wirkt er jedoch toxisch.
Ein Beispiel dafür ist das Atropin, das Gift der Tollkirsche, das die Acetylcholinesterase hemmt. Dies ist ein Enzym, das bei der Signalübertragung an Synapsen eine wichtige Rolle spielt.
In geringen Konzentrationen kann es als Therapeutikum verwendet werden. Ein Gift wird es erst in hohen Konzentrationen, bei denen es zu negativen Effekten kommt.

Nichtkompetitive Hemmung und allosterische Regulation

Eine andere Art der reversiblen Hemmung liegt bei der nichtkompetitiven Hemmung vor. Bei dieser Art der Hemmung hat der Inhibitor keine strukturelle Ähnlichkeit zum Substrat und bindet damit auch nicht am aktiven Zentrum. Nichtkompetitive Inhibitoren binden an einer anderen Stelle des Enzyms und verändern dadurch dessen räumliche Struktur.
Eine Form der nichtkompetitiven Hemmung ist die allosterische Hemmung, wobei der Effektor am sogenannten allosterischen Zentrum des Enzyms bindet. Da es genau genommen auch zu einer vorteilhaften Änderung der Enzymstruktur durch einen sogenannten Effektor kommen kann, die zu einer Aktivierung eines bisher inaktiven Enzyms führt, ist es passender, von einer allosterischen Regulation zu sprechen. Auch diese Prozesse sind reversibel, sodass je nach Menge an Inhibitor trotzdem noch eine Substratumsetzung stattfinden kann. Doch anders als bei der kompetitiven Hemmung kann eine hohe Menge an Substrat den Hemmstoff nicht verdrängen, sodass eine maximale Substratumsetzung nicht mehr möglich ist, wenn der Hemmstoff vorhanden ist.

Feedbackhemmung

Anwendung findet die allosterische Enzymregulation in vielen Stoffwechselwegen im Rahmen einer Feedbackhemmung. Oft gibt es in Stoffwechselwegen ein sogenanntes Schlüsselenzym, dessen Aktivität einen maßgeblichen Einfluss darauf hat, ob ein Endprodukt entsteht oder nicht. Innerhalb einer Enzymkette ist oft das Endprodukt ein Hemmstoff des Schlüsselenzyms, das am Anfang der Kette steht. Bei hohen Konzentrationen des Endprodukts wird das Schlüsselenzym also deaktiviert und die gesamte Kette wird lahmgelegt. Wenn die Konzentration des Endprodukts sinkt, löst sich das Endprodukt vom Enzym, die Hemmung wird aufgehoben und es wird wieder Substrat umgesetzt.
Durch ein Enzym entsteht also ein Produkt oder Folgeprodukt, das das Enzym selbst inaktiv macht. Das nennt man Feedbackhemmung.
Die unterschiedlichen Formen der reversiblen Hemmung sind in der folgenden Abbildung noch einmal dargestellt.

Irreversible Hemmung

Anders ist das bei der irreversiblen Hemmung, bei der ein irreversibler Hemmstoff kovalent an das Enzym bindet. Das Enzym ist so lange durch einen gebundenen Inhibitor gehemmt, bis es vom Körper abgebaut wird. Das passiert in der Regel bei Zellgiften wie Quecksilber oder organischen Phosphorverbindungen, die unseren Körper stark schädigen können. Der Hemmung kann dabei nur entgegengewirkt werden, indem der Körper wieder neues Enzym produziert.

Einen Überblick über die Arten der Enzymmodifikation findest du in der folgenden Tabelle.

Kompartimentierung von Enzymen – Biologie

Wichtig für die Aktivität von Enzymen ist die Kompartimentierung der Zellen. Die Definition von Kompartimentierung allgemein ist die Unterteilung einer Zelle in einzelne Bereiche, in denen unterschiedliche Prozesse stattfinden, die sich gegenseitig nicht unkontrolliert beeinflussen sollen. Die Unterbringung von Enzymen in unterschiedlichen Kompartimenten entsprechend ihrer Funktion schützt den Rest der Zelle vor ungewollten Substratumsetzungen.

Ein Beispiel dafür ist das Enzym Pepsin im Magen, das für den Abbau von Proteinen zuständig ist. Ist der Magen leer, wird kein Magenenzym benötigt. Doch das Enzym kann auch nicht frei im Magen oder den Magenzellen vorliegen, da es dann beginnen würde, die Strukturproteine der Magenzellen zu verdauen und die Zellen damit zu zerstören. Deshalb wird das Pepsin direkt nach seiner Synthese in kleinen Bläschen, sogenannten Vesikeln, innerhalb der Magenzellen gespeichert und nur freigesetzt, wenn die Nahrungsaufnahme startet. Auch diese Unterbringung in bestimmten Kompartimenten der Zelle trägt also zur regulierten Aktivität von Enzymen bei.

Enzymregulation durch Enzymmodifikation – Zusammenfassung

In diesem Text hast du gelernt, was Enzymregulation ist und wie Enzyme durch Enzymmodifikation reguliert werden können. Du hast die verschiedenen Arten der Hemmungen und Regulationen kennengelernt und kannst diese nun voneinander unterscheiden. Außerdem hast du gelernt, warum es wichtig sein kann, Enzyme durch Kompartimentierung einzuschließen und auf diese Weise ihren Wirkort oder -zeitpunkt zu bestimmen. Im Anschluss an das Video und den Text kannst du dein Wissen zur Enzymregulation in einem Arbeitsblatt oder einer interaktiven Übung testen. Viel Spaß!