Enzymmangel

Die Aktivität von Enzymenwird durch äußere Faktoren moduliert. Die Modulatoren gliedern sich in

• Aktivatoren, welche die katalytische Effizienz eines Enzyms steigern. Bekannt ist das Phänomen der "Vorwärtsaktivierung" (´feed-forward activation"): In einer Reaktionskette aus n Enzymen aktiviert das Produkt eines der ersten Enzyme die Aktivität des n-ten Enzyms;
• Inhibitoren, die die katalytische Effizienz eines Enzyms durch Reduzieren seiner Umsatzgeschwindigkeit oder Absenken seiner Affinität reduzieren (Enzymhemmung). Analog zur Vorwärtsaktivierung gibt es hier das Phänomen der "Rückkopplungshemmung" (´feedback inhibition´): Das Endprodukt einer Reaktionskette hemmt eines der ersten Enzyme, die diese Kette einleiten. Beispiele finden sich im Kapitel Phosphofructokinase.

Die klassische Enzymkinetikbefasst sich mit Phänomenen der reversiblen Inhibition und klassifiziert die Inhibitoren nach ihrem Bindungsverhalten bzw. dem Mechanismus, durch den sie die katalytische Effizienzsenken. Daneben gibt es das Gebiet der "Enzymgifte", die ein Enzym irreversibel inaktivieren. Auf diese Stoffklasse, zu der zum Beispiel Nervengifte und Kampfstoffe gehören, wird an dieser Stelle nicht eingegangen.

Klassifizierung reversibler Enzym-Inhibitoren

• Im Falle eines Staus hemmt jedes Reaktionsprodukt die enzymatischen Reaktion aus der es hervorgeht und zwar in kompetitiver Weise: das Produkt P steht mit seiner Vorstufe (dem Substrat S) im Wettbewerb um das aktive Zentrum des Enzyms. Ähnliches gilt für Substratanaloge, die vom Enzym erkannt, aber nicht umgesetzt werden. Die Bindung eines kompetitiven Inhibitors wird durch die Dissoziationskonstante Ki des Enzym-Inhibitorkomplexes (EI) charakterisiert: je größer Ki, desto geringer die Bindungsstärke.
• Ein ´feedback´- Inhibitor hat im allgemeinen keine Ähnlichkeit mehr mit dem Substrat des Enzyms auf das er einwirkt. Er wird also einen vom aktiven Zentrum verschiedenen Bindungsplatz einnehmen, das heißt allosterisch(am anderen Ort) binden. Diese Bindung kann von der Gegenwart des Substrates abhängen. Ist Substratbindung an das Enzym (also Bildung des ES-Komplexes) notwendig, so spricht man von unkompetitiver Bindung. Die Bindung eines unkompetitiven Inhibitors wird durch eine Dissoziationskonstante Kis beschrieben: je größer Kis, desto geringer die Bindung. Die Bezeichnung "Kis" weist darauf hin, dass das inhibierte Enzym den Komplex EIS bildet, ein Komplex EI aber nicht existiert.
• Die Mischform (´mixed type´): der Inhibitor kann sowohl an das freie Enzym binden (Komplex EI) als auch an ES (Komplex EIS). Diese Bindungstypen sind im allgemeinen nur durch zwei unterschiedliche Dissoziationskonstanten, Ki und Kis, vollständig zu charakterisieren. Dem hypothetischen Sonderfall des "nichtkompetitiven Inhibitors", für den Ki = Kis ist, wird in der Literatur unangemessene Beachtung geschenkt.

Die allgemeine Inhibitionsgleichung, eine Erweiterung der Michaelis-Menten Gleichung

(1)

gilt somit für die Mischform. Für den kompetitiven Fall, in dem Ki << Kis (insbesondere den Grenzfall, für den Kis ~ unendlich gesetzt werden kann) vereinfacht sich die Beziehung (1) zu

(2)

und für den unkompetitiven Fall (Ki kann ~ unendlich gesetzt werden) zu:

(3)

Ein elegantes Verfahren zur Bestimmung des Inhibitionstyps besteht in der Auswertung von Inhibitionsdaten durch das Verfahren der nichtlinearen Regression: der Angleichung wird die allgemeine Inhibitionsgleichung zugrunde gelegt; das Verhältnis von Ki zu Kis wird interpretiert.

Klassisch geht man so vor, dass man Bindungsdaten linearisiert, d.h. in ein Lineweaver-Burk(LWB-) Diagramm überträgt, denn hier zeigt jeder der drei Inhibitionstypen ein charakteristisches Muster. Zur Ermittlung von Ki und Kis-Werten fertigte man sogenannte "Sekundärdiagramme" (´secondary plots´) an. Bei Übertragung der im LWB-Diagramm ermittelten Steigungen (´slopes´) erhält man im Sekundärdiagramm eine Gerade, die die X-Achse (hier werden die Inhibitorkonzentrationen, [I], aufgetragen) beim Wert -Ki schneidet. Überträgt man hingegen die Schnittpunkte (´intercepts´, intcp.) aus dem LWB-Diagarmm mit der 1/v Achse, so lässt sich aus dem Sekundärdiagramm analog ein Wert für Kis ermitteln. Diese Beziehungen werden in der folgenden Abbildung zusammengefasst.

Siehe auch

Enzymkinetik, Michaelis-Menten-Theorie, Katalytische Effizienz, EC50

Weblinks

Programme (Composit, MMenten) zur Analyse von Inhibitionstypen

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