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Enzymregulation - Einführung

Kinetische Betrachtung der Enzymregulation

Die Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Enzymaktivität sind auch aus den Variablen [S], KM und vmax (=k3[ET]), der Michaelis-Menten-Gleichung, ersichtlich:

v 0 = v max [ S ] K M + [ S ]

Die Komponenten der Michaelis-Menten-Gleichung und ihre Modulation zur Regulation der Enzymaktivität werden nun einzeln betrachtet.

Modulation von [S]

Die Veränderung der Substratkonzentration ist möglich, da für viele Enzyme das Verhältnis [S] < KM gilt, wobei der Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit jedoch eher gering ist. Die Regulation durch allosterische Enzyme ist effektiver, siehe Kooperativität durch homotropen und heterotropen Effekt

Beispielrechnung

Eine Erhöhung von v von 0,1 auf 0,9 würde eine 81-fache Steigerung der Substratkonzentration erfordern. Dies ist in der Zelle unwahrscheinlich.

Ausgangsgleichung Michaelis-Menten:

v = v [ S ] / K M + [ S ]

bei: v = 0.1

0.1 v = v [ S ] / K M + [ S ] 0.1 K M + 0.1 [ S ] = 1 [ S ] 0.1 K M = 1 [ S ] 0.1 [ S ] 0.1 K M = 0.9 [ S ] K M = 0.9 [ S ] / 0.1 K M = 9 [ S ]

bei Erhöhung von v auf 0.9

0.9 v = v [ S 2 ] / K M + [ S 2 ] 0.9 K M + 0.9 [ S 2 ] = [ S 2 ] 0.9 K M = [ S 2 ] 0.9 [ S 2 ] 0.9 K M = 0.1 [ S 2 ] K M = 0.9 [ S ] / 0.1 K M = 9 [ S ]

Aus beiden Berechnungen ergibt sich:

0.9 x 9 [ S ] = 0.1 [ S 2 ] [ S 2 ] / [ S ] = 81

Modulation von KM durch Änderung der Enzymaffinität

  • Kompetitive Hemmung: Substrat und Hemmstoff konkurrieren um die gleiche Bindungsstelle: vmax bleibt gleich, KM steigt an.
  • Allosterische Regulation

Modulation durch Veränderung von vmax

Reaktionsgeschwindigkeit k3

  • Nicht-kompetitive Hemmung: das Substrat bindet an das aktive Zentrum, der Hemmstoff an einer anderen Stelle: Der KM Wert bleibt gleich, vmax dagegen sinkt. Dieses gilt für den vereinfachten Fall, dass die Dissoziationskonstante für den ESI-Komplex gleich der des ES -Komplexes ist ( KM = KM`). Sind die Dissoziationskonstanten jedoch verschieden (beim weitaus häufigeren Fall der so genannten gemischten Inhibition), so wird auch der KM-Wert verändert.
  • Allosterische Regulation
  • Reversible kovalente Modifikation; Hysterese

Enzymkonzentration [ET]

  • Limitierte Proteolyse: Aktivierung durch Zymogene
  • Kontrollierter Proteinabbau
  • Regulation auf genetischer Ebene
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