Enzymhemmung
Unter Enzymhemmung versteht man die negative Beeinflussung der Umsetzung eines Substrats in ein Produkt durch Hemmstoffe, sogenannte Inhibitoren. Diese Hemmstoffe können an unterschiedliche an einer Reaktion beteiligte Stoffe binden, wie zum Beispiel das Enzym oder das Substrat. Auch der Bindungsort am Enzym kann vom aktiven Zentrum bis hin zu Bindungsstellen von Cofaktoren und anderen variieren.
Grundlagen
Die Aktivität von Enzymen bzw. die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch verschiedene Einflussfaktoren (Effektoren) beeinflusst. Diese gliedern sich in
- Aktivatoren, welche die katalytische Aktivität durch reversible Bindung an das Enzym steigern
- Inhibitoren (Hemmstoffe), die die katalytische Aktivität eines Enzyms durch spezifische Bindung an definierte Zentren (katalytische oder regulatorische) negativ beeinflussen.
Die Reaktionsgeschwindigkeit kann auch durch die Temperatur, den pH-Wert, die Ionenstärke oder Lösungsmitteleffekte verringert werden. Diese Beeinflussungen finden unspezifisch, also zum Beispiel durch Veränderung der Konformation des Enzyms, ohne spezifisch auf das aktive Zentrum einzuwirken, statt. Einflüsse dieser Art zählen nicht zu den Arten der Enzymhemmung.
Die Enzymhemmung unterteilt sich abhängig von der Bindung des Hemmstoffes (Inhibitors) in reversible, bei der der Inhibitor wieder vom Enzym verdrängt werden kann, und irreversible Inhibition, bei der der Inhibitor so stark bindet, dass er nicht mehr vom Enzym zu lösen ist.
Reversible Enzymhemmung
Der Inhibitor I bindet an das Enzym und senkt somit dessen Reaktionsgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeitskonstante für die ungehemmte Reaktion wird durch die Inhibitorbindung an den Enzym-Substrat-Komplex ES zu . Da es sich um reversible Enzymhemmung handelt, stellt sich bei den Reaktionen zu ES, dem Enzym-Inhibitor-Komplex EI und dem Enzym-Substrat- Inhibitor-Komplex ESI ein Gleichgewicht ein. Alle Geschwindigkeitskonstanten auch für die Gleichgewichte sind in Abb. 1 an den entsprechenden Reaktionspfeilen abgebildet.
Unter Steady-State-Bedingungen lautet die Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit wie folgt:
![{\displaystyle {\frac {d[P]}{dt}}\;=\;k_{2}[ES]\;+\;k_{6}[ESI]\;=\;v}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7e02011447cb899d7e7acc80d4f758e2d5610bf7)
Durch Umformulieren erhält man folgende für die reversible Enzymhemmung allgemein gültige Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit:
![{\displaystyle v\;=\;{\frac {\left(V_{1}\;+\;{\frac {V_{2}[I]}{K_{iu}}}\right)[S]}{K_{m}\;\left(1\;+\;{\frac {[I]}{K_{ic}}}\right)\;+\;\left(1\;+\;{\frac {[I]}{K_{iu}}}\right)\;[S]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9023158ef3c8e9b3f382d441cca949e4a08e0f07)
Die eingeführte Konstante entspricht und die Konstante . Die Gleichgewichtskonstanten und lassen sich aus Abb. 1 ableiten: und .
![{\displaystyle k_{2}[E_{0}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/330e872875cdd39e302bb163c79dd80d34a13ef4)
![{\displaystyle V_{2}=k_{6}[E_{0}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fc21e9793be977c289a7d5ac246e49214595f793)
In Abb. 2 sind die wichtigsten Hemm-Mechanismen der reversiblen Enzymhemmung aufgeführt. Die Einteilung erfolgte in vollständige und partielle Hemmung, die sich in unterscheiden. Bei der vollständigen Enzymhemmung liegt bei 0, bei der partiellen ist dieser Wert ungleich 0. Das heißt das Enzym behält bei einer partiellen Hemmung seine katalytische Aktivität bei, die allerdings durch den Hemmstoff beeinflusst wird. Bei der vollständigen Enzymhemmung hingegen kann der ESI-Komplex nicht mehr an der Reaktion teilnehmen und ist somit inaktiv.
Die Produkthemmung ist ein Sonderfall der kompetitiven Hemmung, denn der Inhibitor entspricht dem Produkt der Reaktion. Auch die Substratüberschusshemmung ist ein Sonderfall der unkompetitiven Hemmung. Das Substrat ist in diesem Fall der Hemmstoff, wenn dieses in hoher Konzentration vorliegt.
Kompetitive Hemmung
Kompetitive Inhibitoren sind Substanzen, die mit dem Substrat um die Bindungstelle im aktiven Zentrum des Enzyms konkurrieren. Sie werden nicht umgesetzt und können dadurch vom Substrat wieder verdrängt werden. Kompetitive Inhibitoren haben oft hohe Ähnlichkeit mit dem Substrat. Der Mechanismus der kompetitiven Hemmung ist in Abb. 3 dargestellt. Deutlich zu sehen ist, dass das Enzym E das Substrat S und den Inhibitor I nicht gleichzeitig binden kann. Durch die reversible Bindung von S bzw. I an E entsteht ein Gleichgewicht zwischen freiem Enzym E, dem Enzym-Substrat-Komplex ES und dem Enzym-Inhibitor-Komplex EI. Unter der Voraussetzung, dass sowohl das Substrat S als auch der Inhibitor I in sehr viel höheren Konzentrationen als das Enzym E vorliegen, kann man für den steady-state-Zustand folgende Reaktionsgeschwindigkeitsgleichung formulieren:
![{\displaystyle v\;=\;{\frac {V_{max}\;[S_{0}]}{[S_{0}]\;+\;K_{m}\;i}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c69c143d6f9e50959562a35b396a1526fa73a11e)
Die enthaltenen Konstanten sind so definiert: , und . Die Reaktionsgeschwindigkeit ist in Abhängikeit von der Ausgangssubstratkonzentration () in Ab- und Anwesenheit des kompetitiven Inhibitors in Abb. 4 dargestellt. Die Michaelis-Menten-Konstante wird in Gegenwart des Inhibitors um den Faktor i erhöht. Die Maximalgeschwindigkeit bleibt jedoch unverändert.
![{\displaystyle V_{max}=k_{2}[E_{0}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7273e3da1489a5686db2c3ad68b83c5674339bd0)
![{\displaystyle i=1+(k_{3}[I_{0}]/k_{-3})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a94031c4f3529bfca4079599bd5f7b176095c82c)
Die Linearisierung der Michaelis-Menten-Auftragung wird durch den Reziprokwert der Gleichung erreicht.
![{\displaystyle {\frac {1}{v}}\;=\;{\frac {1}{V_{max}}}\;+\;{\frac {k_{m}i}{V_{max}}}\;{\frac {1}{[S_{0}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/efa6657d21c8af3b658ced9baa51d7cecb10ea02)
Die doppelt reziproke Auftragung, also die Auftragung von gegen in Gegenwart unterschiedlicher Konzentrationen des Hemmstoffes ist in Abb. 5 dargestellt und wird Lineweaver-Burk-Auftragung genannt. Die Steigung des Graphen erhöht sich in Anwesenheit des Inhibitors um i. Da unverändert bleibt, schneiden sich alle Geraden auf der Ordinate im Punkt . Die Schnittpunkte mit der Abszisse spiegeln den Wert wider.
![{\displaystyle 1/[S_{0}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/636dc70281c41dadbaf064f3a00f8e3a995c3fdc)
Die oben beschriebenen Gleichungen wurden für die kompetitive Hemmung abgeleitet, bei der die gleichzeitige Bindung von Substrat und Hemmstoff ausgeschlossen wird. Die Bedingungen für eine kompetitive Hemmung können aber auch erfüllt werden, wenn der Inhibitor nicht die gleiche Bindungsstelle am Enzym einnimmt wie das Substrat. Eine Bindung im aktiven Zentrum, wodurch die Substratbindung sterisch eingeschränkt ist, führt auch zum kompetitiven Hemmtyp.
Inhibierung durch ein konkurrierendes Substrat
Das Enzym E bindet das Substrat A und setzt dieses zum Produkt P um. Die Bindung des Substrates B an E führt zur Bildung von Produkt Q. Somit wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch Zugabe des Substrates B verringert, da auch das zweite Substrat gebunden und umgesetzt werden kann. Das eine Substrat wirkt bei dieser Konkurrenzreaktion auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion des jeweils anderen Substrates als kompetitiver Inhibitor. Dadurch ergeben sich folgende Geschwindigkeitsgleichungen:
![{\displaystyle v_{A}\;=\;{\frac {V_{maxA}\;[A_{0}]}{[A_{0}]\;+\;K_{mA}\;i_{B}}}\quad \quad \quad v_{B}\;=\;{\frac {V_{maxB}\;[B_{0}]}{[B_{0}]\;+\;K_{mB}\;i_{A}}}\quad \quad \quad }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/489f785b8563653fc88190a34d8abb9532f5c3df)
und
![{\displaystyle i_{B}=(1+[B_{0}]/K_{mB})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/12ad619bd8002c44c7d8d7bf5692a30b2b0cfd6e)
![{\displaystyle i_{A}=(1+[A_{0}]/K_{mA})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9943bf5b9518de7cf3c19c0e03b665e2f6f65be2)
Nicht-kompetitive Hemmung
Bei der nicht-kompetitiven Hemmung wird durch die Bindung des Inhibitors I an das Enzym E die Substratbindung nicht beeinflusst. Der Inhibitor I ist somit in der Lage sowohl an das freie Enzym E als auch an den Enzym-Substrat-Komplex ES zu binden. Das Substrat kann mit dem Enzym-Inhibitor-Komplex EI ebenfalls eine Reaktion eingehen, jedoch der gebildete Enzym-Inhibitor-Substrat-Komplex EIS ist nicht in der Lage das Produkt P abzuspalten. Der Reaktionsmechanismus ist genauer in Abb. 6 dargestellt.
Unter steady-state-Bedingungen kann eine einfache Geschwindigkeitsgleichung hergeleitet werden:
![{\displaystyle v\;=\;{\frac {V_{max}\;[S_{0}]}{i\;([S_{0}]\;+\;K_{m})}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d5cff4850afb78bd63e7109809a50ae2c7416e3a)
Die Konstanten und sind folgender Maßen definiert: und . Aus der Geschwindigkeitsgleichung kann man ableiten, dass der nicht-kompetitive Inhibitor in Anwesenheit die Maximalgeschwindigkeit um den Faktor verringert. Der -Wert für das Substrat bleibt unverändert.
Die Auftragung nach Lineweaver-Burk erfolgt unter Bildung der reziproken Reaktionsgeschwindigkeit nach dieser Formel:
![{\displaystyle {\frac {1}{v}}\;=\;{\frac {i}{V_{max}}}\;+\;{\frac {K_{m}\;i}{V_{max}}}\;{\frac {1}{[S_{0}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0557103f49b9714f6807f910970c8d2b5f083fd2)
Die Lineweaver-Burk-Auftragung ist in Abb. 8 dargestellt. Der Anstieg nach Zugabe des nicht-kompetitiven Inhibtiors ist i-fach höher als ohne Inhibition. Der Ordinatenschnittpunkt jeder Gerade liegt bei . Die Geraden für Reaktionen unterschiedlicher Inhibitorkonzentrationen schneiden sich in genau einem Punkt auf der Abszisse, im Wert .
In manchen Fällen der nicht-kompetitiven Hemmung weicht das Verhalten des Inhibitors etwas vom "Normalfall" ab. Die Umsetzung des Inhibitors mit dem Enzym erfolgt dann sehr viel schneller als die des Substrates. Bei niedrigen Substratkonzentrationen ist die Verminderung der Maximalgeschwindigkeit nicht so stark. Daher ergibt sich für die Bedingungen und folgende Geschwindigkeitsgleichung:
.
![{\displaystyle v\;=\;{\frac {V_{max}\;[S_{0}]}{[S_{0}]\;i\;+\;K_{m}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b0c569954715ec1a73a1bba3943c7bdfead06e4)
Bei Ermittlungen des Hemmtypes eines Inhibitors sollte man mit einem solchen Verhalten rechnen.
Unkompetitive Hemmung
Gelegentlich kommt neben der kompetitiven und der nicht-kompetitiven Hemmung auch der unkompetitive Hemmtyp vor. Dabei geht der Inhibitor nur mit dem Enzym-Substrat-Komplex ES eine Reaktion ein, wie in Abb. 9 zu sehen ist. Die für diesem Mechanismus unter steady-state-Bedingungen abgeleitete Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit lautet wie folgt:
![{\displaystyle v\;=\;{\frac {V_{max}\;[S_{0}]}{i\;\left({\frac {K_{m}}{i}}\;+\;[S_{0}]\right)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/81d8c6bf5327ab71efbde6522e6a2f03b208284a)
Die Konstanten sind so definiert: und . Aus der in Abb. 10 dargestellten Michaelis-Menten-Auftragung einer unkompetitiven Inhibierung kann man sehen, dass durch den Inhibitor sowohl die maximale Reaktionsgeschwindigkeit als auch der -Wert verändert wird.
![{\displaystyle i=1+(k_{3}[I_{0}]/k_{-3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/397ba6c80a016763e12392df0b51d1db861d5c21)
Durch Umformung der Geschwindigkeitsgleichung in die reziproke Form kann die Abhängigkeit von Reaktionsgeschwindigkeit zu Ausgangskonzentration des Substrates linearisiert dargestellt werden:
![{\displaystyle {\frac {1}{v}}\;=\;{\frac {i}{V_{max}}}\;+\;{\frac {K_{m}}{V_{max}}}\;{\frac {1}{[S_{0}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d3dc1cf15274a16bcc8226df284db761935dedee)
Aus dieser Formel ist zu erkennen, dass der Anstieg unabhängig vom unkompetitiven Inhibitor ist, dass heißt die Graphen liegen bei unterschiedlichen Inhibitorkonzentrationen parallel zueinander. Die Nullstelle gibt den Wert wieder. Die Geraden schneiden die Ordinate im Punkt .
Die unkompetitive Hemmung kommt zum Beispiel bei Oxidasen vor, wenn der Inhibitor nur mit einer bestimmten Oxidationsstufe des Enzyms reagieren kann. Eine weitere Möglichkeit für einen unkompetitiven Inhibitor bietet sich bei einem Ordered-Mechanismus, einer Zwei-Substratreaktion, bei der der Inhibitor konkurrierend zu einem der Substrate auftritt.
Partiell kompetitive Hemmung
Man spricht von einer partiell kompetitiven Hemmung, wenn durch Inhibitorbindung (I) lediglich die Affinität des Enzyms E zum Substrat S herabgesetzt wird, ohne dass die Geschwindigkeitskonstante zur Produktbildung (P) beeinflusst wird. In Abb. 11 ist der Mechanismus der partiell kompetitiven Hemmung dargestellt.
Für einen unter diesen Bedingungen:
- rapid equilibrium (Bindung des Substrats bzw. Inhibitors sehr viel schneller als Bildung des Produkts)
- hohe Inhibitorkonzentrationen
erfolgten partiell kompetitiven Hemmtyp kann die Reaktionsgeschwindigkeit so berechnet werden:
![{\displaystyle v\;=\;{\frac {V_{max}\;[S_{0}]}{[S_{0}]\;+\;K'_{s}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8d154b5e954685f172909ae446c609824dc86182)
Aus dieser Geschwindigkeitsgleichung ist zu sehen, dass der -Wert sich entgegen der kompetitiven Hemmung dem Wert annähert. Im Lineweaver-Burk-Diagramm ist die partiell kompetitive Hemmung nicht von der kompetitiven zu unterscheiden. Um diese aber dennoch zu differenzieren bedient man sich der Abhängigkeit des -Wertes von der Inhibitorkonzentration, die in Abb. 12 dargestellt ist. Bei der kompetitiven Inhibierung stellt diese Abhängigkeit eine Gerade im Diagramm dar. Wie in der Abbildung zu erkennen ist, trifft dieser Sachverhalt nicht für die partiell kompetitive Hemmung zu.
Substratüberschusshemmung
Durch sehr hohe Substratkonzentrationen kann es bei manchen Enzymen zur Bindung eines zweiten Substratmoleküls an das Enzym kommen. Der so entstandene ESS-Komplex ist nicht in der Lage in Produkt und Enzym zu zerfallen. Für diesen Reaktionsmechanismus lautet die Geschwindigkeitsgleichung so:
![{\displaystyle v\;=\;{\frac {V_{max}}{1\;+\;{\frac {K_{m}}{[S_{0}]}}\;+\;{\frac {[S_{0}]}{K_{i}}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c0fb0ecfec3a47c4e35dbcb8c0d35ca05c65d2ed)
Die Dissoziationskonstante des ESS-Komplexes wurde als bezeichnet. Wenn der -Wert sehr viel niedriger als der -Wert ist, erhält man eine hyperbole Abhängigkeit in der Michaelis-Menten-Auftragung (Abb. 13, Kurve 1). Sind diese beiden Werte annähernd gleich oder der -Wert höher, so entsteht sozusagen eine Optimumkurve (Abb. 13, Kurve 2).
Hemmung durch Reaktion eines Inhibitors mit dem Substrat
Bei diesem Hemmtyp reagiert der Inhibitor mit dem Substrat, welches dann von dem Enzym nicht mehr umgesetzt wird. Die Bindung des Inhibitors wird bei dieser Hemmung als reversibel angesehen. Dadurch wird die dem Enzym frei zugängliche Substratkonzentration herabgesetzt:
![{\displaystyle [S_{eff}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eb9e937c9949953ef206c49aadc55eda47c4ec76)
![{\displaystyle [S_{eff}]\;=\;[S_{0}]\;-\;[SI]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/158f4522e67cd69fb1a8392b4abef4b884f1da45)
In Gegenwart des Inhibitors wird die Maximalgeschwindigkeit bei hohen Substratkonzentrationen erreicht. Im Lineweaver-Burk-Diagramm lässt sich dieser Mechanismus von einem kompetitiven Inhibitor differenzieren, da eine Abweichung von der Linearität auftritt.
Irreversible Enzymhemmung
Durch die irreversible Bindung des Inhibitors an das Enzym wird die katalytische Aktivität vermindert. Eine Dissoziation des Enzym-Inhibitor-Komplexes in freies Enzym und Inhibitor ist nicht möglich. Die Aktivität hängt linear von der Inhibitorkonzentration ab. Diese Abhängigkeit ist in Abb. 14 (Kurve 1) zu erkennen. Abweichend von diesem Verlauf entsteht die Kurve 2 in der Abbildung. Dabei reagiert der Inhibitor irreversibel mit mehreren Gruppen unterschiedlicher Spezifität, was zum Austitrieren der spezifischeren, aber nicht aktiv am Katalysemechanismus beteiligten Gruppen, führt. Anschließend reagieren die für die Katalyse bedeutsamen Gruppen, wodurch die Aktivität gesenkt wird. Andererseits kann der Inhibitor mit dem Enzym einen Komplex eingehen, der noch geringe Aktivität aufweist. Dies ist bei der Kurve 3 der Abbildung der Fall.
Ist die Inhibitorkonzentration erheblich höher als die des Enzyms, so kann man die Geschwindigkeitskonstante für die Reaktion des Enzyms mit dem Inhibitor als Reaktion pseudo-erster Ordnung formulieren:
![{\displaystyle -{\frac {d[E]}{dt}}\;=\;-{\frac {dA}{dt}}\;=\;k\;[I_{0}]\;[E]\;=\;k'\;[E]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4394d8ae64008c7950602f225657b9210c6193de)
A entspricht in dieser Gleichung der Aktivität. Die Geschwindigkeitskonstante k' kann aus dem Anstieg bestimmt werden, indem man den Logarithmus der Aktivität gegen die Reaktionszeit aufträgt.
Die Geschwindigkeitskonstante wird durch die Anwesenheit des Substrates beeinflusst. Denn dieses schützt das Enzym vor der Inaktivierung durch den Inhibitor, wodurch die Geschwindigkeitskonstante kleiner ist als ohne Substratzugabe. Bei einem solchen Verhalten kann es sein, dass der Inhibitor an eine spezifische Gruppe im aktiven Zentrum bindet, also eine gleiche Bindungsstelle wie das Substrat aufweist.
Ein Beispiel für eine irreversible Hemmung sind die sogenannten „Suizid-Substrate“, die mit der funktionellen Gruppe des Enzyms eine kovalente Bindung eingehen und dieses somit blockieren.
Siehe auch
Enzymkinetik, Michaelis-Menten-Theorie, Katalytische Effizienz
Weblinks
Literatur
- Hans Bisswanger: Enzymkinetik. Theorie und Methoden Wiley-VCH, 2000, ISBN 3-52-730096-1
- Alfred Schellenberger (Hrsg.): Enzymkatalyse: Einführung in die Chemie, Biochemie und Technologie der Enzyme Gustav Fischer Verlag, Jena 1989
