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Einführung in die Kinetik III (Biokatalyse)

Allosterische Enzyme

Kleine Metabolite (Metabolismus) oder Cofaktoren können reversible, nicht kovalente Bindungen mit dem Substrat eingehen. Daraus ergibt sich eine Form der Enzymregulation, die allosterisch (von griechisch allos "anders" und stereos "Festkörper, Gestalt") genannt wird (Allosterie). Allosterisch geregelte Enzyme nehmen nach Bindung des Modulators eine andere Gestalt an, sie oszillieren zwischen einer aktiven R-Form und einer inaktiven T-Form. In der Regel bestehen solche Enzyme aus mehreren Untereinheiten mit aktiven (Substratbindung) und regulatorischen (Modulator) Bindungsstellen; in einigen Fällen können die regulatorischen (allosterischen) und aktiven Zentren sogar auf unterschiedlichen Untereinheiten liegen. Da sich der allosterische Effektor vom Substrat unterscheidet, spricht man auch von einem heterotropen Effekt. Allosterische Zentren befinden sich häufig dort, wo die Untereinheiten aufeinander stoßen. Mit dem Sequenz- und dem Symmetriemodell werden die Möglichkeiten einer solchen allosterischen Regulation beschrieben.

Abb.1
Michaelis-Menten-Diagramm von allosterischen Enzymen

Allosterische Enzyme sind in der Regel größer und komplexer als einfache Enzyme und können aus mehreren Polypeptidketten bestehen. Sie gehorchen nicht der Michaelis-Menten-Kinetik. Trägt man die Reaktionsgeschwindigkeit v gegen die Substratkonzentration auf, ergeben sich sigmoide Kurven: Die Bindung eines allosterischen Inhibitors an das aktive Zentrum eines Enzyms kann die Eigenschaften aller anderen aktiven Zentren im Enzymmolekül beeinflussen. Darüber hinaus unterliegt die Aktivität allosterischer Enzyme regulatorisch wirkenden Molekülen, die außerhalb des aktiven Zentrums binden.

Merkmale der Allosterie

  • Allosterische Bindungsstellen unterschieden sich vom aktiven Zentrum.
  • Die Effektoren können die Enzymstabilität beeinflussen.
  • Mutationen in der Aminosäure-Sequenz des Enzyms können Aktivität und Regulation getrennt voneinander verändern.
  • Ein Enzym kann mehrere Bindungsstellen aufweisen.
  • Ein Enzym kann mehrere, zu regulierende Untereinheiten aufweisen.

Produkthemmung als Form der allosterischen Regulation

Viele Enzyme, die in verzweigten Biosyntheseketten eine zentrale Schalterposition einnehmen, können durch das Endprodukt des einen oder beider Reaktionswege vorübergehend stillgelegt werden; man spricht dabei von Endprodukt-Hemmung, Feedback-Hemmung oder negativer Rückkopplung. Die Aktivität des regulatorischen Enzyms wird verlangsamt; dadurch verlangsamen sich auch alle nachfolgenden Reaktionen, da diese von der Bereitstellung des Produktes des regulatorischen Enzyms abhängig sind. Bei der Feedback-Regulation befindet sich die Bildungsgeschwindigkeit des Endproduktes im Gleichgewicht mit dem Bedarf der Zelle. Dieser Regelkreis sorgt dafür, dass die Synthese eines Produkts eingestellt wird, sobald genügend von ihm vorhanden ist.

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