Regulation der Enzymaktivität

Betrachten wir die Abbildung oben. Wir sehen eine sogenannte Stoffwechselkette, die von vier Enzymen katalysiert wird. Aus einem Ausgangsstoff A soll über drei Zwischenprodukte B, C und D ein Endprodukt E synthetisiert werden. Das Endprodukt unterscheidet sich in seiner Struktur erheblich vom Ausgangsstoff, so dass mehrere Enzyme und mehrere Zwischenschritte für die Synthese von E notwendig sind.

Wenn nun genug Endprodukt hergestellt ist, wäre es ja eigentlich sinnvoll, wenn die Zelle mit der Herstellung aufhören würde. Erstens könnte ein Zuviel des Endproduktes schädlich für die Zelle sein, zweitens kostet die Synthese Energie und Rohstoffe, die man an anderer Stelle sinnvoller nutzen könnte.

Wie kann nun eine Stoffwechselkette angehalten werden? Sicherlich könnte einfach das letzte Enzym E4 gehemmt werden, dann würde kein Endprodukt mehr entstehen. Aber der Nachteil dieses Verfahrens wäre, dass weiterhin A abgebaut wird und die Zwischenprodukte B, C und D entstehen. Da D nicht mehr weiterverarbeitet wird, käme es in kurzer Zeit zu einer Akkumulation von D mit eventuell negativen Folgen für die Zelle. Außerdem würden weiterhin Rohstoffe (A) und Energie verbraucht.

Eine viel günstigere Stelle, an der die Stoffwechselkette unterbrochen werden kann, ist das erste Enzym der Kette, E1.

Wenn E1 gehemmt wird, wird A nicht mehr abgebaut, und die Zwischenprodukte B, C, D sowie das Endprodukt E werden nicht mehr gebildet. Es werden keine Rohstoffe und keine Energie mehr verschwendet, und die Zwischenprodukte können in der Zelle nicht mehr akkumuliert werden.

Die nächste Frage, mit der wir uns beschäftigen müssen, ist die: wodurch sollte das erste Enzym gehemmt werden?

Eigentlich ist die Antwort sehr einleuchtend: Die Hemmung soll dann eintreten, wenn die Endproduktkonzentration einen bestimmten Wert erreicht hat. Also ist es auch sinnvoll, dass E1 durch das Endprodukt selbst gehemmt wird.

Frage:
Könnte E1 nicht auch durch eines der Zwischenprodukte gehemmt werden?

Antwort:
Im Prinzip ja! Allerdings ist die Konzentration der Zwischenprodukte B, C und D im Zellplasma sehr gering. Sobald das Enzym E1 etwas B synthetisiert hat, wird das Zwischenprodukt vom nächsten Enzym E2 zu C umgesetzt. Es kommt also gar nicht zu einer Anhäufung von B. Das gleiche geschieht mit dem Zwischenprodukt C. Sobald die Konzentration von C hinreichend groß ist, werden C-Moleküle durch das Enzym E3 zu D umgebaut. Und wenn die D-Konzentration einen bestimmten Wert erreicht hat, steigt sie auch nicht mehr weiter an, denn jetzt kommt das letzte Enzym der Stoffwechselkette und baut D zum Endprodukt um. Erst das Endprodukt wird nicht weiterverarbeitet (sonst wäre es ja kein Endprodukt) und kann sich somit in der Zelle anhäufen. Also ist es nicht nur sinnvoll, dass das Schlüsselenzym E1 vom Endprodukt gehemmt wird, sondern es geht gar nicht anders!

Jetzt wird es interessant: Wie wird das Enzym E1 denn durch das Endprodukt gehemmt?

Im letzten Abschnitt hatten wir uns ja mit der Abhängigkeit der Enzymaktivität von Umgebungsfaktoren beschäftigt. Wenn es also das Endprodukt schaffen würde, die Temperatur des Zellplasmas zu erniedrigen oder den pH-Wert drastisch zu verändern, käme es sicherlich zu einer Hemmung des Schlüsselenzyms E1. Alledings würden auch alle anderen Enzyme der Zelle gehemmt werden. Bei der Endprodukthemmung soll aber ausschließlich das erste Enzym der Stoffwechselkette blockiert werden. Es muss also andere Mechanismen geben, mit denen dieses Ziel erreicht werden kann.

Wenn das Endprodukt so ähnlich aufgebaut ist wie der Ausgangsstoff, dann könnte eine sogenannte kompetitive Hemmung stattfinden: Das Endprodukt E setzt sich in das aktive Zentrum des Enzyms E1, kann aber nicht weiter abgebaut werden. Je höher die Endprodukt-Konzentration, desto häufiger sind die E1-Moleküle blockiert, und desto unwahrscheinlicher ist es, dass ein A-Molekül umgesetzt werden kann.

Dieser tolle Mechanismus ist allerdings an eine wichtige Voraussetzung gebunden: Der Hemmstoff muss dem eigentlichen Substrat sehr ähnlich sehen.

Bei unserer Stoffwechselkette mit den vier Enzymen dürfte dies allerdings sehr unwahrscheinlich sein. Das Substrat A wird ja viermal umgebaut, durch E1, E2, E3 und E4. Das Endprodukt dürfte dem Ausgangstoff überhaupt nicht ähneln, sondern müsste eine ganz andere Struktur haben.

Eine kompetitive Hemmung durch einen substratähnlichen Stoff kommt also als Mechanismus für die Endprodukthemmung nicht ein Frage, weil das Endprodukt eine völlig andere Struktur als das Substrat A hat.