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Enzymregulation durch Enzymmodifikation 05:05 min

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Transkript Enzymregulation durch Enzymmodifikation

Thema dieser Einheit ist die Regulation von Enzymen. Für die Regulation von Enzymen gibt es 2 wesentliche Regulationsebenen. Einerseits kann auf der Ebene der Proteinbiosynthese eine Regulation über die Menge an gebildetem Enzym stattfinden. Andererseits kann die Aktivität bereits gebildeter Enzyme reguliert werden, indem die Enzyme modifiziert, also verändert werden. Dieser Mechanismus hat den Vorteil gegenüber dem ersten, dass er wesentlich schneller ablaufen und damit anders auf Veränderung reagieren kann. Im Folgenden werden wir uns ausschließlich mit der Regulationsebene der Enzymmodifikation beschäftigen. Bevor wir uns die unterschiedlichen Möglichkeiten der Regulation angucken, müssen wir noch klären, warum Enzyme reguliert werden müssen. Betrachten wir den Stoffwechsel der Organismen, sind die Enzyme die Kreuzungen. Ohne eine Regulation würde der Stoffwechsel zusammenbrechen. Als Analogie können wir die Aufrechterhaltung eines geregelten Verkehrs durch Ampelsignale sehen. Zusätzlich noch ein genereller Aspekt der Enzymregulation: Die Frage, wie Stoffwechselwege reguliert werden. Die stets wirkende Kraft der Selektion führt dazu, dass nur die jeweils am besten angepassten Baupläne erhalten bleiben. Im Falle der Regulation von Stoffwechselwegen bedeutet das, dass nicht alle Enzyme einer Stoffwechselkette reguliert werden, sondern nur einige wenige Schlüsselenzyme. Mit diesem Vorwissen können wir jetzt die Enzymregulation genauer betrachten. Enzyme können reversibel oder irreversibel reguliert werden. Das bedeutet für den ersten Fall, dass die Veränderung des Enzyms nicht permanent ist, wohingegen im zweiten Fall die Veränderung am Enzym dauerhaft ist. Für den Fall der reversiblen Enzymregulation können wir zwischen kompetitiven und nicht-kompetitiven Inhibitoren, also Hemmstoffen, unterscheiden. Im Fall der nicht-kompetitiven Regulation gibt es auch Effektoren, die aktivierend auf die Enzymaktivität wirken. Geben wir der kompetitiven Hemmung ein Gesicht. Unser bekanntes Enzym bindet im Bereich des aktiven Zentrums ein Substrat und setzt es um. Ein kompetitiver Hemmstoff hat Ähnlichkeit zum Substrat und bindet an genau dieser Stelle des Enzyms. Der Unterschied ist: Er kann vom Enzym nicht umgesetzt werden und blockiert damit das aktive Zentrum des Enzyms. Erhöht sich aber die Substratkonzentration, wird der kompetitive Hemmstoff verdrängt. Substrat und Hemmstoff konkurrieren also um das aktive Zentrum des Enzyms. Ein therapeutisch wichtiger Aspekt der kompetitiven Hemmstoffe ist ihre Dosis-Wirkungs-Beziehung. Atropin, ein Alkaloid der Tollkirsche ist zum Beispiel ein Hemmer der Acetylcholinesterase. In geringen Dosen verabreicht, hat es einen therapeutischen Nutzen, aber in zu hohen Dosen sind die Auswirkungen negative. Es wäre also falsch, den Stoff alleine als Gift zu bezeichnen. Weiter geht's mit nicht-kompetitiven Inhibitoren. Wie bereits erwähnt, gibt es auch positive Effektoren. Ein analoger Begriff zur nicht-kompetitiven Regulation ist die allosterische Regulation. Anders als bei der kompetitiven Hemmung bindet der Effektor nicht im Bereich des aktiven Zentrums, sondern an einer anderen Stelle des Enzyms, dem allosterischen Zentrum. Der Effektor hat auch keine Ähnlichkeit mit dem Substrat. Durch die Bindung eines Effektors ändert sich die räumliche Struktur des Enzyms und damit auch seine Aktivität. Anders als bei der kompetitiven Hemmung wird der Hemmstoff nicht durch eine steigende Substratkonzentration verdrängt. Die irreversible Enzymregulation unterscheidet sich grundlegend von den bereits besprochenen reversiblen Regulationsmechanismen. Durch eine kovalente Bindung zwischen Enzym und irreversiblem Hemmstoff verändert sich die räumliche Struktur des Enzyms bleibend. Es verliert dadurch auch seine katalytischen Fähigkeiten. Auch in diesem Fall können wir von Giften sprechen, deren toxische Wirkung aber um einiges potenter ist als im ersten Fall der reversiblen kompetitiven Hemmung.

12 Kommentare
  1. Obwohl eine Gleichsetzung fachlich nicht ganz richtig ist, ist eine Differenzierung in nicht-kompetitive Hemmung und allosterischen Hemmung nicht immer ganz klar umrissen. Vom Grundmechanismus sind beide Hemmungstypen gleich. Im Gegensatz zur kompetitiven Hemmung binden die Hemmstoffe an einer anderen Bindungsgelle am Enzym und nicht am aktiven Zentrum. Experimentell könnte man die kompetitive Hemmung dadurch identifizieren, dass man einen Hemmstoff in eine Lösung aus Enzym und Substrat einbringt. Man wird ein Stoppen der Reaktion wahrnehmen. Erhöht man dann die Konzentration des Substrates wieder, wird die Reaktion wieder in Gang gesetzt. Bei der nicht-kompetitiven Hemmung müsste man genauere sterische Untersuchungen der Enzyme und des Hemmstoffes durchführen.

    Von Jan R., vor fast 6 Jahren
  2. Und wie erkennen wir ,welchen Hemmungstyp wir haben? Wenn wir einen Stoff x als Hemmstoff zu Enzymen bringen also in einem Experiment abhängig von der Konzentration?
    Hoffentlich haben sie meine Frage verstanden :)

    Von Rankh699, vor fast 6 Jahren
  3. Können Sie bitte andere Beispiele von Nichtkopetitiven Hemmungen (außer allosterischer Hemmung) nennen ?

    Von Rankh699, vor fast 6 Jahren
  4. Hallo,
    in Grundzügen kann man die drei Arten der Hemmung wie folgt unterscheiden:
    Bei der kompetitiven Hemmung bindet ein substratähnlicher Hemmstoff am aktiven Zentrum des Enzyms und blockiert dieses. Das ursprüngliche Substrat kann dann nicht mehr binden. Charakteristisch für die kompetitive Hemmung ist der Umstand, dass dieser Hemmstoff durch eine erhöhte Substratkonzentration wieder verdrängt werden kann. Die Begriffe der nicht-kompetetiven Hemmung und allosterischen Hemmung sind nicht gleichzusetzen. Die allosterische Hemmung ist ein Spezialfall der nicht-kompetetiven Hemmung. Bei der allosterischen Hemmung, bei der der Hemmstoff nicht an das aktive Zentrum des Enzyms bindet, sondern an eine weitere Bindungsstelle am Enzym. Diese wird auch allosterisches Zentrum genannt. Diese Bindung bewirkt eine räumliche Änderung des aktiven Zentrums, sodass das Substrat nicht mehr passt und somit nicht mehr binden kann.

    Von Jan R., vor fast 6 Jahren
  5. Ich habe leider nicht verstanden was der Unterschied zwischen diesen 3 Typen von Hemmungen ist !
    (Kompetitiv - nicht kompetitiv und allosteriche ) .

    Von Rankh699, vor fast 6 Jahren
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Enzymregulation durch Enzymmodifikation Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Enzymregulation durch Enzymmodifikation kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Regulation von Enzymen.

    Tipps

    Zwei der fünf Aussagen sind falsch.

    Das Wort reversibel kommt vom Lateinischen reversāre und bedeutet „umdrehen“ oder „zurückwenden“. Der Präfix ir- wird genutzt, um ein Wort ins Negative zu verkehren.

    Bei der kompetitiven Hemmung konkurrieren das Substrat und ein ähnlich aufgebauter Hemmstoff (Inhibitor) um die Besetzung des aktiven Zentrums.

    Lösung

    Bei der Enzymregulation kann über die Enzymmodifikation viel schneller auf Veränderungen reagiert werden als über die Proteinbiosynthese. Modifikationen geschehen an bestehenden Enzymen, wohingegen durch die Proteinbiosynthese die Produktion neuer Enzyme reguliert wird.

    Häufig werden nur die Schlüsselenzyme eines Stoffwechselweges reguliert, weil dies am effizientesten ist. Schlüsselenzyme stehen meist am Anfang einer solchen Reaktionskette.

    Bei der reversiblen Enzymmodifikation ist die Veränderung am Enzym temporär und kann wieder rückgängig gemacht werden. Irreversible Modifikationen sind dagegen permanent, da solche Hemmstoffe eine kovalente Bindung mit den funktionellen Gruppen des Enzyms eingehen und das aktive Zentrum dauerhaft blockieren.

    Bei der kompetitiven Hemmung konkurriert das Substrat und ein strukturell ähnlich aufgebauter Hemmstoff (Inhibitor) um das aktive Zentrum des Enzyms. Die Tertiärstruktur des Enzyms wird hierbei nicht verändert. Eine Erhöhung der Substratkonzentration führt bei der kompetitiven Hemmung zu einer Verdrängung des Inhibitors.

    Bei der nicht-kompetitiven Enzymregulation können hemmende Effektoren (Inhibitoren) oder aktivierende Effektoren (Aktivatoren) wirken und entsprechend die Enzymaktivität verändern.

  • Erkläre die Unterschiede zwischen kompetitiver und nicht-kompetitiver Hemmung durch einen allosterischen Inhibitor.

    Tipps

    Enzyme sind substratspezifisch. Ein Enzym erkennt „sein“ Substrat mit dem aktiven Zentrum. Nur wenn ein Stoff dem Substrat sehr ähnlich ist, hat dieser die Möglichkeit, ebenfalls in diesem Zentrum zu binden.

    Ein anderes Wort für kompetitive Hemmung ist Verdrängungshemmung.

    Lösung

    Kompetitive Hemmung
    Hierbei konkurrieren das Substrat und ein ähnlich aufgebauter Hemmstoff um die Besetzung des aktiven Zentrums des Enzyms. Bindet der Inhibitor an das Bindungszentrum, so wird es für das Substrat blockiert. Das Enzym kann das Substrat nicht mehr umsetzen. Der Inhibitor kann durch eine Erhöhung der Substratkonzentration vom aktiven Zentrum verdrängt werden.

    Nicht-kompetitive Hemmung
    Hierbei bindet ein inhibitorischer oder aktivatorischer Effektor außerhalb des aktiven Zentrums an das Enzym. Der Effektor hat keine strukturelle Ähnlichkeit mit dem Substrat. In Folge wird eine Konformationsänderung des Enzyms und damit auch des Bindungszentrums ausgelöst. Dabei ist der Effektor nicht von der Substratkonzentration abhängig.

  • Vergleiche Aktivierung und Inhibition von allosterischen Enzymen.

    Tipps

    Das allosterische Zentrum lässt sich gut mit einem Schalter vergleichen: Ein Inhibitor schaltet das Enzym aus, ein Aktivator dagegen an.

    Lösung

    Allosterische Enzyme
    Allosterische Enzyme besitzen ein aktives und ein allosterisches Zentrum. Im aktiven Zentrum wird ein Substrat gebunden und umgesetzt. Im allosterischen Zentrum kann ein inhibitorischer oder aktivatorischer Effektor binden. Die allosterische Bindung löst eine Konformationsänderung des Enzyms aus, wodurch es seine aktive oder inaktive Form annimmt. Die allosterische Hemmung ist ein Spezialfall der nicht-kompetitiven Hemmung.

    Allosterische Regulation
    Bei der Hemmung bindet ein Inhibitor an das allosterische Zentrum. Als Folge verändert sich die räumliche Struktur des Enzyms so, dass das Substrat nicht binden kann. Das Enzym nimmt seine inaktive Form an und die Enzymaktivität wird gehemmt.
    Bindet dagegen ein Aktivator, so verändert sich die Struktur hin zur aktiven Form. Das heißt, dass das Substrat an das Enzym binden kann und umgesetzt wird. Die Enzymaktivität steigt.

  • Begründe, warum die Endprodukthemmung eine effiziente Form der Enzymregulation darstellt.

    Tipps

    Zwischenprodukte von Reaktionsketten liegen in niedrigeren Konzentrationen vor, weil sie weiterverarbeitet werden.

    Das erste Enzym einer Reaktionskette ist meist das Schlüsselenzym.

    Nur eine Aussage ist falsch.

    Lösung

    Das Enzym E1 ist die strategisch günstigste Stelle für die Endprodukthemmung, da damit die gesamte Reaktionskette unterbrochen wird. Das erste Enzym E1 ist meist auch das Schlüsselenzym.

    Das Endprodukt D bietet sich als Hemmstoff an, da es der einzige Stoff in der Reaktionskette ist, der nicht weiterverarbeitet wird und sich in der Zelle anhäufen kann. Die Zwischenprodukte B und C liegen in niedrigeren Konzentrationen vor, weil sie in folgenden Reaktionsschritten verarbeitet werden. Daher eignen sie sich nicht als Hemmstoff.

    Die Endprodukthemmung verläuft nach dem Mechanismus der nicht-kompetitiven Hemmung. Durch die Verarbeitung in mehreren Reaktionsschritten ist das Endprodukt D strukturell vom Ausgangsstoff A verschieden. D fungiert als Effektor – genauer als (allosterischer) Inhibitor. Je höher die Konzentration des Endprodukts D, desto niedriger ist die Enzymaktivität. Sinkt die Konzentration des Endprodukts, erhöht sich der Anteil aktiver Enzymmoleküle.

  • Definiere einige Grundbegriffe der Enzymregulation.

    Tipps

    Eine Enzymregulierung erfolgt durch eine Enzymmodifikation – also eine Veränderung des Enzyms. Diese kann temporär (zeitweilig) oder permanent (dauerhaft) sein.

    Temporäre Veränderungen können wieder rückgängig gemacht werden.

    In einem Gleichnis, in dem es um körperliche Fitness geht, kann man einen Inhibitor mit Fernseher und Couch sowie einen Aktivator mit einem Personal Trainer vergleichen.

    In geringen Dosen ist das Schmerzmittel Paracetamol laut Verpackungsbeilage meist unschädlich. Bei einer Überdosierungen kann es jedoch zu Leberschäden kommen.

    Lösung

    Eine reversible Regulation erfolgt durch eine Veränderung am Enzym, die wieder rückgängig gemacht werden kann.
    Eine irreversible Regulation erfolgt hingegen durch eine permanente Veränderung.

    Ein Inhibitor ist ein Stoff, der die Enzymaktivität hemmt – also ein Hemmstoff.
    Ein Aktivator dagegen fördert die Enzymaktivität.

    Die Dosis-Wirkungs-Beziehung erklärt, dass die Wirkung eines Stoffes abhängig von der jeweiligen Dosis ist. Eine Substanz, welche in niedrigen Dosen therapeutisch wirksam ist, kann in höheren Dosen giftig wirken.

  • Wende dein Wissen über allosterische Enzymregulation am Beispiel der Phosphofructokinase an.

    Tipps

    Die aktiven Zentren sind nur einmalig beschriftet, während die Enzyme (PFK) jeweils bezeichnet werden.

    Die Enzymregulation der Phosphofructokinase (PFK) ist ein Beispiel für die Endprodukthemmung.

    Die Namen des Substrates Fructose-6-phosphat (F-6-P) und des Produktes Fructose-1,6-biphosphat (F-1,6-BP) verraten, wie viele Phosphatgruppen sie enthalten. Die Phosphatgruppen sind im Bild als rote Kreise dargestellt.

    Lösung

    Allosterische Enzymregulation von Phosphofructokinase
    Das Substrat Fructose-6-phosphat (F-6-P) kann vom aktivierten Enzym Phosphofructokinase (PFK) zum Produkt Fructose-1,6-biphosphat (F-1,6-BP) umgewandelt werden. Hierzu muss ein ADP als Aktivator im allosterischen Zentrum des Enzyms sein.
    Ist hingegen ein ATP im allosterischen Zentrum von PFK, findet eine Hemmung statt, da das aktive Zentrum verändert wird. Daher findet keine Reaktion statt.

    Legende

    1. Fructose-6-phosphat (Substrat)
    2. Aktivierung durch
    3. ADP (Aktivator)
    4. Hemmung durch
    5. ATP (Inhibitor)
    6. aktive Zentren
    7. Phosphofructokinase (Enzym)
    8. allosterisches Zentrum
    9. Fructose-1,6-biphosphat (Produkt)
    10. keine Reaktion