Dieses Video zur Enzymregulation ist eingebettet in die Videoreihe, in der alle schulstoffrelevanten Inhalte über Enzyme thematisiert werden. Im letzten, vierten Video haben wir uns mit den unterschiedlichen Arten der Enzymhemmung, nämlich der kompetitiven und der nicht-kompetitiven Enzymhemmung beschäftigt. Damit ist das vorherige Video eng verknüpft an das jetzige Video zur Enzymregulation. Denn eine Form, die Aktivität von Enzymen zu regulieren, kann es sein, das entsprechende Enzym durch Inhibitoren zu hemmen.
Neben der Enzymhemmung kann Enzymregulation aber auch bedeuten, dass die Aktivität von Enzymen gesteigert werden kann. In diesem Fall hervorgerufen durch sogenannte Aktivatoren. Die Möglichkeit der Enzymregulation durch die kompetitive Hemmung haben wir bereits kennengelernt.
Zur Wiederholung, kompetitiv heißt auf Wettbewerb ausgerichtet. Neben dem natürlichen Substrat, das eigentlich anders aktiviert wird, aktive Zentrum des Enzyms bindet, wo die Reaktion stattfindet und ein Produkt bzw. genauer gesagt Zwischenprodukt gebildet wird, kann auch der Inhibitor als weiteres Molekül an diesem Wettbewerb um das aktive Zentrum teilnehmen und an dieses binden.
Gewinnt der konkurrierende Inhibitor, kann das Substrat nicht mehr binden, wodurch die Reaktion nicht stattfinden und das Produkt nicht synthetisiert werden kann. Es existieren zudem vor allem zwei für die Zelle relevante Mechanismen. die Regulation durch Endprodukthemmung und die allosterische Regulation. In unserem Körper laufen gleichzeitig tausende von chemischen Reaktionen ab, bei denen ein Substrat durch Enzyme häufig gar nicht direkt zu einem Endprodukt umgewandelt wird, sondern in einem sogenannten Multienzymkomplex vom ersten Enzym in ein Zwischensubstrat umgewandelt wird, was anschließend vom nächsten Enzym weiterverarbeitet wird, bis am Ende eines Stoffwechselprozesses das Endprodukt synthetisiert wurde, das wiederum einem bestimmten Zweck in der Zelle dient. Läuft der erste Schritt eines Stoffwechselweges, diese Reaktion wird auch als Schrittmacherreaktion bezeichnet, ab, gibt es für die Zelle kein Zurück mehr.
Alle anderen Reaktionen dieses Stoffwechselweges laufen in Folge ab und führen zum Endprodukt. Was aber passiert, wenn ein Endprodukt bereits in ausreichender Konzentration verfügbar ist? Die Zelle dieses Produkt im Moment also gar nicht mehr benötigt.
Es wäre für die Zelle energetisch unnötig, um die Zelle zu äußerst ineffizient, weiterhin ein Produkt zu synthetisieren, das sie nicht mehr braucht. Bei der Endprodukthemmung, auch Feedbackhemmung genannt, wirkt das Endprodukt als Inhibitor, das an das allosterische Zentrum des Schrittmacherenzyms, des ersten an dem Stoffwechselweg beteiligten Enzyms also, bindet, das dadurch inaktiviert wird. Es findet also eine negative Rückkopplung statt.
Ist das Endprodukt in hoher Konzentration und damit ausreichend. in der Zelle vorhanden. Bewirkt das Endprodukt durch die Bindung an das allosterische Zentrum des ersten Enzyms, dass das erste Substrat nicht mehr an das Enzym binden kann und erfolglich nicht in das Zwischensubstrat umgewandelt wird, das wiederum vom zweiten Enzym benötigt werden würde, um es auf dem Weg zum Endprodukt weiterzuverarbeiten.
Die Konsequenz ist also, dass das Endprodukt nicht mehr synthetisiert werden kann, weil nun die Menge an Endprodukten immer weiter abnimmt, führt dies wiederum dazu, dass es nicht mehr als Inhibitor am ersten Enzym bindet, wodurch wiederum gewährleistet wird, dass der Stoffwechselweg stattfindet und das Endprodukt wiederhergestellt wird. Diese äußerst effektive Regulation der Enzymaktivität am Beispiel der negativen Rückkopplung kennt ihr auch aus dem Alltag, zum Beispiel in Form eines Thermostats, der die Temperatur reguliert. Wenn es kalt ist, wird der Wasserzufluss zum Heim.
heizkörperfrei und der Heizkörper heizt maximal, wodurch wiederum die Temperatur im Raum steigt und ab einer gewissen Temperatur wiederum dazu führt, dass sich der Thermostat wieder teilweise schließt, der Heizkörper weniger stark heizt und es wieder kälter wird. Ein weiterer Mechanismus der Zelle, die Aktivität von Enzymen zu regulieren, ist die allosterische Regulation. Sie wird hervorgerufen durch die Bindung eines Effektormoleküls am allosterischen Zentrum eines Enzyms. also einem Bereich, der räumlich getrennt vom aktiven Zentrum ist. Nicht verunsichern lassen durch die unterschiedlichen Begriffe Effektor, Aktivator und Inhibitor.
Ein Effektor ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion sowohl beschleunigen als auch hemmen kann. Schließt damit also sowohl Aktivatoren und Inhibitoren mit ein. An dieser Stelle wird deutlich, dass fast alle Fälle der nicht-kompetitiven Hemmung, die wir im letzten Video besprochen haben und bei der der Inhibitor ebenfalls an einer anderen Stelle im Enzym bindet, eine Form von Allosterie bzw. allosterischer Regulation sind.
Im Unterschied zur nicht-kompetitiven Hemmung muss es sich bei der allosterischen Regulation allerdings nicht zwangsläufig um einen Inhibitor handeln, sondern auch ein Aktivator kann an das allosterische Zentrum binden. Die Bindung des Aktivator-Moleküls an das allosterische Zentrum kann eine Konformationsänderung der Raumstruktur des Enzyms verursachen, sodass sich die Affinität des aktiven Zentrums für das Substrat ändert, wodurch sich die Geschwindigkeit der Reaktion ändert. Genauer gesagt stabilisiert die Bindung eines Aktivators am allosterischen Zentrum die aktive Form eines Enzyms. Die Form also, die die richtige Raumstruktur aufweist. um das Substrat zu binden.
Manche allosterische Enzyme besitzen zudem mehrere aktive Zentren, die sich auf verschiedenen Protein-Untereinheiten, Untereinheiten des Enzyms, befinden und sich gegenseitig kooperativ, also unterstützend, beeinflussen. Die Zahl der aktiven Zentren eines Enzyms bestimmt, wie sich die Reaktionsgeschwindigkeit der enzymkatalysierten Reaktion mit der Substratkonzentration verändert. Den hyperbolischen Kurvenverlauf bei einem nicht-allosterischen Enzym seht ihr links. Die sigmoidale Kurve rechts ist typisch für ein Enzym, das aus mehreren Untereinheiten und damit auch aus mehreren aktiven Zentren besteht. Nachdem eine Untereinheit durch einen Effektor aktiviert wird und ein Substratmolekül gebunden hat, verändert sich die Raumstruktur des Enzyms, sodass die nächste Untereinheit das nächste Substratmolekül leichter binden kann und so weiter.
Anders formuliert, die leichte Veränderung der Raumstruktur infolge der Bindung eines Substrats führt dazu, dass das aktive Zentrum der zweiten Untereinheit für das Substrat besser zugänglich gemacht wird. Deshalb nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit durch diese positive Kooperativität mit steigender Substratkonzentration schneller zu, als es bei einem Enzym der Fall ist. das nur ein einziges aktives Zentrum besitzt.
Anhand des Diagramms ist ebenfalls zu erkennen, wie empfindlich allosterische Enzyme auf relativ geringe Veränderungen der Substratkonzentration reagieren. Während sich die Reaktionsgeschwindigkeit zunächst bei steigender Substratkonzentration wenig ändert, reagiert die Reaktionsrate innerhalb eines bestimmten Bereichs äußerst empfindlich auf eine geringe Zunahme der Substratkonzentration. Häufig katalysieren allosterische Enzyme den ersten Schritt eines Stoffwechselweges.