400px|mini|Vereinfacht dargestellte Bindungsstellen eines Inhibitors bei einer kompetitiven (links) bzw. nichtkompetitiven (rechts) Enzymhemmung (E Enzym, I Inhibitor, S natürliches Substrat) Enzymhemmung (auch Enzyminhibition) ist die Hemmung einer enzymatischen Reaktion durch einen Hemmstoff, der Inhibitor genannt wird. Dabei wird die Geschwindigkeit der katalysierten Reaktion herabgesetzt. Manche Inhibitoren blockieren im aktiven Zentrum von Enzymen die Bindung des Substrats. Andere Inhibitoren binden andere Stellen, die für die Aktivität des Enzyms wichtig sind. Enzymhemmung spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation des Stoffwechsels in allen Lebewesen.
Grundlagen
Enzyme sind für jeden Organismus essentiell. Sie sind an jedem Stoffwechselprozess beteiligt und wirken als Katalysatoren für die meisten Reaktionen. Um diese Prozesse regulieren zu können, brauchen die Zellen bestimmte Mechanismen, welche die Aktivität der Enzyme beeinflussen. Manche Enzyme können durch Modifikationen angeschaltet, also aktiviert werden. Beispielsweise wird die bei der Verwertung von Glukose benötigte Pyruvatkinase durch Phosphorylierung reguliert, d. h., dem Enzym kann eine Phosphatgruppe angehängt werden. Diese phosphorylierte Form der Pyruvatkinase ist wenig aktiv. Wurde das Enzym jedoch nicht durch eine Phosphatgruppe modifiziert, besitzt es volle Aktivität.
Die Aktivität von Enzymen kann auch durch Bindung von bestimmten Stoffen beeinflusst werden. Diese Stoffe werden Effektoren genannt. Je nachdem wie Effektoren auf ein Enzym wirken, werden sie Aktivatoren oder Inhibitoren genannt. Aktivatoren erhöhen die Aktivität von Enzymen, d. h., sie fördern die durch das Enzym katalysierte Reaktion. Inhibitoren senken die Aktivität und somit hemmen sie die durch das Enzym katalysierte Reaktion.
Es gibt weitere Möglichkeiten zur Verringerung der Enzymaktivität, welche aber nicht zur Enzymhemmung gehören. Dazu zählen Beeinflussungen durch die Temperatur, den pH-Wert, die Ionenstärke oder Lösungsmitteleffekte. Diese Faktoren wirken unspezifisch auf eine Vielzahl von Vorgängen.
Einteilung der Enzymhemmung
Die Enzymhemmung unterteilt sich abhängig von der Bindung des Inhibitors in reversible und irreversible Hemmung. Bei der reversiblen Enzymhemmung kann der Inhibitor wieder vom Enzym abgespalten oder verdrängt werden. Er bindet sich nicht fest an das Enzym. Diese Form der Enzymhemmung wird zur Regulation verschiedener Stoffwechselprozesse genutzt, die zeitweise nicht ablaufen sollen. Zum Beispiel wird die Glykolyse zur Energiegewinnung aus Glucose genutzt. Ein Enzym dieses Prozesses ist die erwähnte Pyruvatkinase. Ein weiteres Enzym der Glykolyse ist die Phosphofructokinase. Besitzt die Zelle viel Energie, speichert sie diese in Form von Adenosintriphosphat (ATP). Dieses ATP hemmt als Inhibitor die Phosphofructokinase und auch die Pyruvatkinase. Somit wird keine Glucose mehr in Energie, also ATP, umgewandelt. Diese spezielle Form der Enzymhemmung, bei der das Endprodukt rückwirkend das generierende Enzym hemmt, wird Endprodukthemmung oder Feedback-Hemmung genannt.
Bei der irreversiblen Hemmung bindet der Inhibitor so fest, dass er nicht mehr vom Enzym zu lösen ist. Die Aktivität des Enzyms geht verloren. Irreversible Hemmung entfalten zum Beispiel Antibiotika mancher Pilze zu deren Schutz.
Reversible Enzymhemmung
mini|400px|Abb. 1: Allgemeiner Mechanismus der Enzymhemmung (E = Enzym, S = Substrat, P = Produkt, I = Inhibitor, ES = Enzym-Substrat-Komplex, EI = Enzym-Inhibitor-Komplex, ESI = Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplex, = Geschwindigkeitskonstanten)
mini|600px|Abb. 2: Überblick über verschiedene Mechanismen der reversiblen Hemmung
Bei der reversiblen Enzymhemmung bindet ein Inhibitor I reversibel an das Enzym E und senkt somit dessen Aktivität bzw. die Geschwindigkeit der Reaktion des Substrates S zum Produkt P.
Die Geschwindigkeitskonstante bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit der ungehemmten Reaktion von ES zu E + P. Bindet nun ein Inhibitor an den Enzym-Substrat-Komplex ES, so entsteht der Komplex ESI, in dem das Substrat mit der Geschwindigkeitskonstante zum Produkt reagiert. ist kleiner als . Da es sich um reversible Enzymhemmung handelt, stellt sich zwischen ES, dem Enzym-Inhibitor-Komplex EI und dem Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplex ESI ein Gleichgewicht ein. Alle Geschwindigkeitskonstanten sind in Abb. 1 an den entsprechenden Reaktionspfeilen angegeben.
Für die Reaktionsgeschwindigkeit gilt:
Durch Umformen erhält man folgende für die reversible Enzymhemmung allgemein gültige Variante der Michaelis-Menten-Gleichung:
Die eingeführte Konstante entspricht und die Konstante . [I]_0 ist die Gesamt-Inhibitorkonzentration. Die Gleichgewichtskonstanten und lassen sich aus Abb. 1 ableiten: und . ist die Michaelis-Konstante.
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 Inhibitor 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 ist das Produkt der Reaktion. Auch die Substratüberschusshemmung ist ein Sonderfall der unkompetitiven Hemmung. Das Substrat ist in diesem Fall der Inhibitor, wenn dieses in hoher Konzentration vorliegt.
Kompetitive Hemmung
mini|400px|Abb. 3: Mechanismus der kompetitiven Hemmung (E = Enzym, S = Substrat, P = Produkt, I = Inhibitor, ES = Enzym-Substrat-Komplex, EI = Enzym-Inhibitor-Komplex)
mini|400px|Abb. 4: Abhängigkeit der Anfangsgeschwindigkeit () von der Ausgangssubstratkonzentration () einer kompetitiven Hemmung mit (2) und ohne (1) Inhibitorzugabe
mini|402x402px|Abb. 5: Doppelt reziproke Auftragung einer kompetitiven Hemmung in Anwesenheit unterschiedlicher Inhibitorkonzentrationen (1:, 2: , 3: )
Kompetitive Inhibitoren sind Substanzen, die mit dem Substrat um die Bindungsstelle im aktiven Zentrum des Enzyms konkurrieren. Sie werden nicht umgesetzt und können 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:
Die enthaltenen Konstanten sind so definiert:
und
.
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit 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 erhöht. Die Maximalgeschwindigkeit bleibt jedoch unverändert.
Die Linearisierung der Michaelis-Menten-Auftragung wird durch den Reziprokwert der Gleichung erreicht.
Die doppelt reziproke Auftragung, also die Auftragung von gegen in Gegenwart unterschiedlicher Konzentrationen des Inhibitors ist in Abb. 5 dargestellt und wird Lineweaver-Burk-Auftragung genannt. Die Steigung des Graphen erhöht sich in Anwesenheit des Inhibitors um . Da unverändert bleibt, schneiden sich alle Geraden auf der Ordinate im Punkt . Die Schnittpunkte mit der Abszisse spiegeln den Wert wider.
Die oben beschriebenen Gleichungen wurden für die kompetitive Hemmung abgeleitet, bei der die gleichzeitige Bindung von Substrat und Inhibitor 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.
Hemmung durch ein konkurrierendes Substrat
In diesem speziellen Fall reversibler Enzymhemmung ist das Enzym in der Lage, zwei Reaktionen zu katalysieren. Es bindet entweder das eine oder das andere von zwei möglichen Substraten im aktiven Zentrum. Das Substrat A und wird mit der Reaktionsgeschwindigkeit zum Produkt P umgesetzt und das Substrates B mit zum Produkt Q. Somit wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch Zugabe des Substrates B verringert. Das eine Substrat wirkt bei dieser Konkurrenzreaktion auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion des jeweils anderen Substrates als kompetitiver Inhibitor. Dadurch ergeben sich folgende Geschwindigkeitsgleichungen:
Nichtkompetitive und allosterische Hemmung
mini|402x402px|Abb. 6: Mechanismus der nichtkompetitiven Hemmung (E = Enzym, S = Substrat, P = Produkt, I = Inhibitor, ES = Enzym-Substrat-Komplex, EI = Enzym-Inhibitor-Komplex, ESI = Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplex, = Geschwindigkeitskonstanten)
Bei der allosterischen Hemmung (griech.: allos: anders; steros: Ort) lagern sich die Inhibitoren, auch allosterische Effektoren genannt, nicht (wie bei der kompetitiven Hemmung) an das aktive Zentrum, sondern an einer anderen Stelle des Enzyms an, das allosterische Zentrum. Dabei wird die Konformation des Enzyms so verändert, dass die Bindung des Substrats am aktiven Zentrum erschwert bzw. ganz unmöglich gemacht wird. Die allosterische Hemmung lässt sich nur durch die Entfernung des Effektors rückgängig machen.
Ein Enzym, das die erste Reaktion einer Reaktionskette katalysiert, wird oft durch die am Ende gebildete Substanz gehemmt. In diesem Falle bezeichnet man diese negative Rückkopplung als Endprodukthemmung oder Feedback-Hemmung.
mini|400px|Abb. 7: Abhängigkeit der Anfangsgeschwindigkeit () von der Ausgangssubstratkonzentration () einer nichtkompetitiven Hemmung mit (2) und ohne (1) Inhibitorzugabe
mini|400px|Abb. 8: Doppelt reziproke Auftragung einer nichtkompetitiven Hemmung in Anwesenheit unterschiedlicher Inhibitorkonzentrationen (1:, 2: , 3: )
Bei der nichtkompetitiven Hemmung wird durch Bindung des Inhibitors I an das Enzym E die Substratbindung nicht beeinflusst. Da der Inhibitor I nicht im substratbindenden, aktiven Zentrum andockt, ist er 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 zwar chemisch reagieren, jedoch ist die Abspaltung des Produkts P gehemmt (Abb. 6).
Unter steady-state-Bedingungen kann eine Geschwindigkeitsgleichung hergeleitet werden:
.
Die Konstanten und sind folgendermaßen definiert: und . Aus der Geschwindigkeitsgleichung kann man ableiten, dass der nichtkompetitive Inhibitor die Maximalgeschwindigkeit um den Faktor verringert. Der -Wert für das Substrat bleibt unverändert.
Die Auftragung nach Lineweaver-Burk mit der Formel
.
ist in Abb. 8 dargestellt. Die reziproke Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der reziproken Substratkonzentration ist in Gegenwart eines nichtkompetitiven Inhibitors i-fach erhöht, der Ordinatenschnittpunkt ergibt den Wert . Die Reaktionsgeraden bei unterschiedlichen Inhibitorkonzentrationen schneiden sich auf der Abszisse in dem Punkt mit dem Wert .
In manchen Fällen der nichtkompetitiven 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:
.