Enzymhemmung: kompetitiv und allosterisch einfach erklärt

Enzymhemmung bedeutet, dass ein Stoff die Wirkung eines Enzyms verringert oder ganz blockiert. Dieser Stoff heißt Hemmstoff oder Inhibitor. Er verändert nicht die Zahl der Enzymmoleküle, sondern sorgt dafür, dass sie ihr Substrat schlechter oder gar nicht mehr umsetzen können. Enzymhemmung ist ein zentrales Thema, weil sie sowohl in der Zelle als Steuerung als auch in der Medizin als Wirkprinzip eine Rolle spielt.

Zur Erinnerung: Ein Enzym bindet sein Substrat im aktiven Zentrum, dessen Form zum Substrat passt. Dort läuft die Reaktion ab, und die Produkte werden freigesetzt. Ein Hemmstoff greift in diesen Ablauf ein. Je nachdem, wo und wie er bindet, unterscheidet man zwei wichtige Formen: die kompetitive Hemmung und die allosterische Hemmung.

Außerdem unterscheidet man reversible und irreversible Hemmung. Bei der reversiblen Hemmung bindet der Hemmstoff nur vorübergehend und kann sich wieder lösen. Bei der irreversiblen Hemmung bindet er fest, meist über eine chemische Bindung, und das Enzym bleibt dauerhaft unbrauchbar.

Bei der kompetitiven Hemmung ähnelt der Hemmstoff dem Substrat in Form und Ladung. Er passt in das aktive Zentrum und besetzt es, ohne selbst umgesetzt zu werden. Substrat und Hemmstoff konkurrieren also um dieselbe Bindungsstelle, daher der Name kompetitiv. Solange ein Hemmstoffmolekül im aktiven Zentrum sitzt, kann dort kein Substrat reagieren.

Entscheidend ist, dass die Bindung umkehrbar ist. Ob Substrat oder Hemmstoff das Zentrum besetzt, ist eine Frage der Wahrscheinlichkeit. Erhöht man die Substratkonzentration stark, treffen mehr Substratmoleküle auf das Enzym, und der Hemmstoff wird verdrängt. Deshalb lässt sich die Hemmung durch viel Substrat aufheben, und die maximale Reaktionsgeschwindigkeit wird weiterhin erreicht, nur bei höherer Substratmenge.

Ein klassisches Beispiel aus dem Labor ist Malonat. Es ähnelt dem Substrat Succinat und hemmt das Enzym Succinat-Dehydrogenase. In der Medizin nutzen Sulfonamide dieses Prinzip: Sie sehen der Vorstufe Paraaminobenzoesäure ähnlich, die Bakterien zum Aufbau von Folsäure brauchen, und blockieren so deren Enzym.

Bei der allosterischen Hemmung bindet der Hemmstoff an einer anderen Stelle des Enzyms, dem allosterischen Zentrum. Er muss dem Substrat nicht ähneln. Durch die Bindung ändert sich die Raumstruktur des gesamten Enzyms, und damit verformt sich auch das aktive Zentrum. Das Substrat passt dann nicht mehr oder wird nur noch schlecht umgesetzt.

Weil der Hemmstoff nicht mit dem Substrat um dieselbe Stelle konkurriert, kann man ihn nicht durch mehr Substrat verdrängen. Selbst bei sehr viel Substrat bleiben Enzymmoleküle durch gebundene Hemmstoffe blockiert. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit sinkt deshalb. Das ist der wichtigste Unterschied zur kompetitiven Hemmung.

Allosterische Hemmung ist ein wichtiges Steuerprinzip der Zelle. Ein bekanntes Beispiel ist die Phosphofructokinase im Zuckerabbau, die von viel ATP gehemmt wird. Ist genug Energie vorhanden, bremst die Zelle so ihren Zuckerabbau. Daneben gibt es allosterische Aktivatoren, die das Enzym umgekehrt fördern.

Zellen nutzen Hemmung gezielt, um Stoffwechselwege zu regeln. Ein Stoffwechselweg ist eine Kette von Reaktionen, bei der jedes Enzym ein Produkt für das nächste liefert. Am Ende steht ein Endprodukt, zum Beispiel eine Aminosäure. Sammelt sich viel Endprodukt an, bindet es allosterisch an das erste Enzym der Kette und hemmt es. Man nennt das Endprodukthemmung oder negative Rückkopplung.

Der Vorteil ist, dass die Zelle nicht mehr Endprodukt herstellt, als sie braucht. Wird das Endprodukt verbraucht, sinkt seine Menge, die Hemmung lässt nach, und der Weg läuft wieder an. So hält die Zelle die Stoffmenge in einem engen Bereich, ein Beispiel für Selbstregulation.

Die Hemmung wirkt schnell, weil sie die vorhandenen Enzyme beeinflusst. Die Zelle muss keine Enzyme neu bilden oder abbauen. Eine langsamere Form der Steuerung ist die Genregulation, bei der die Menge der Enzyme selbst verändert wird.

Ein häufiger Fehler ist die Verwechslung der Bindungsorte. Die kompetitive Hemmung findet am aktiven Zentrum statt, die allosterische an einem anderen Ort. Das erkennst du auch an der Frage, ob mehr Substrat hilft: Bei der kompetitiven Hemmung ja, bei der allosterischen nein.

Ein zweiter Fehler: Der Hemmstoff „zerstört“ das Enzym. Bei der reversiblen Hemmung bleibt das Enzym erhalten, der Hemmstoff löst sich wieder. Nur bei der irreversiblen Hemmung wird das Enzym dauerhaft blockiert. Auch Denaturierung durch Hitze oder Säure ist keine Hemmung durch einen Hemmstoff, sondern eine Zerstörung der Struktur.

Drittens glauben viele, ein kompetitiver Hemmstoff werde vom Enzym umgesetzt. Das stimmt nicht. Er besetzt das aktive Zentrum nur und wird nicht verändert. Außerdem verändert die kompetitive Hemmung nicht die maximale Geschwindigkeit, sondern nur die Substratmenge, die nötig ist, um sie zu erreichen.

Viele Medikamente beruhen auf Enzymhemmung. Statine senken den Cholesterinspiegel, indem sie ein Enzym der Cholesterinherstellung kompetitiv hemmen. Sulfonamide blockieren ein Bakterienenzym und stoppen so deren Wachstum. Das Chemotherapeutikum Methotrexat hemmt ein Enzym der Folsäureverwertung und bremst damit schnell wachsende Zellen.

Auch Gifte wirken oft über Enzymhemmung. Cyanid blockiert ein Enzym der Zellatmung und führt dadurch rasch zum Ersticken der Zellen. Manche Pflanzenschutzmittel und Nervengifte hemmen Enzyme im Nervensystem. Penicillin hemmt ein Enzym, das Bakterien für den Bau ihrer Zellwand brauchen, und zwar durch eine feste, irreversible Bindung.

Auch beim Kochen spielt das eine Rolle. Die Ananas enthält ein eiweißspaltendes Enzym, das Gelatine zersetzt. Erhitzt man die Frucht, wird das Enzym zerstört, und die Gelatine bleibt fest. Das ist allerdings Denaturierung und keine Hemmung durch einen Hemmstoff.