Biokatalysatoren

Allosterische Regulation und Endprodukthemmung

Wie Effektoren an einer eigenen Bindungsstelle die Aktivität von Enzymen hemmen oder steigern und wie Stoffwechselwege sich so selbst regulieren.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Ein allosterisches Enzym besitzt außer dem aktiven Zentrum mindestens eine Bindungsstelle für regulatorische Effektoren.
  • Allosterische Effektoren binden reversibel, und Hemmer stabilisieren meist die inaktive T-Form.
  • Allosterische Enzyme zeigen eine sigmoide statt einer hyperbolischen Sättigungskurve; Aktivatoren verschieben sie nach links, Inhibitoren nach rechts.
  • Die Endprodukthemmung ist eine allosterische Rückkopplung: Das Endprodukt hemmt meist das erste Enzym seines Syntheswegs.
  • Acetyl-CoA aktiviert die Pyruvat-Carboxylase allosterisch.

Worum es geht

Zellen passen die Aktivität ihrer Enzyme laufend an den Bedarf an. Ein schneller und umkehrbarer Weg dafür ist die allosterische Regulation. Sie erklärt, wie Stoffwechselwege sich selbst bremsen oder anschieben.

Allosterische Enzyme

Ein allosterisches Enzym besitzt neben dem aktiven Zentrum mindestens eine weitere Bindungsstelle für regulatorische Moleküle. Aminosäuren außerhalb des aktiven Zentrums bilden diese allosterische Stelle. Moleküle, die dort binden, heißen Effektoren. Sie verändern die Reaktionsgeschwindigkeit: Aktivatoren steigern sie, Inhibitoren senken sie.

Viele allosterische Enzyme wechseln zwischen einer inaktiven T-Form und einer aktiven R-Form. Ein allosterischer Hemmer stabilisiert meist die inaktive T-Form. Aktivator und Substrat begünstigen die R-Form. Der Effektor wirkt wie ein Schalter, der das Gleichgewicht zwischen beiden Formen verschiebt.

Schema eines Enzyms in zwei Konformationen mit gebundenem Inhibitor bzw. Aktivator und Substrat.

Allosterische Effektoren verschieben das Gleichgewicht zwischen inaktiver (T) und aktiver (R) Konformation.

Die Bindung des Effektors ist nicht kovalent und damit reversibel. Sinkt seine Konzentration, löst er sich wieder ab. Darin unterscheidet sich die allosterische Regulation von der kovalenten Modifikation, etwa der Phosphorylierung in Signalwegen.

Auch die Kinetik ist anders als bei der Sättigungskurve nach Michaelis-Menten. Allosterische Enzyme zeigen meist eine sigmoide statt einer hyperbolischen Kurve. Grund ist die Kooperativität mehrerer Untereinheiten: Bindet ein Substratmolekül, steigt die Affinität der übrigen. Die Substratkonzentration bei halbmaximaler Geschwindigkeit heißt hier \(K_{0,5}\). Aktivatoren verschieben die Kurve nach links, Inhibitoren nach rechts.

Diagramm Reaktionsgeschwindigkeit gegen Substratkonzentration mit einer Hyperbel und drei S-förmigen Kurven.

Sigmoide Kinetik allosterischer Enzyme im Vergleich zur Hyperbel; Aktivatoren verschieben die Kurve nach links, Inhibitoren nach rechts.
🎯 Examensrelevant: Allosterische Hemmung

Wird im Examen gerne gefragt: Allosterische Hemmer binden reversibel an eine eigene Stelle außerhalb des aktiven Zentrums und stabilisieren die inaktive Konformation. Achte darauf, dass die Kinetik sigmoid und nicht hyperbolisch verläuft.

Endprodukthemmung

Bei der Endprodukthemmung hemmt das Endprodukt eines Synthesewegs seine eigene Bildung. Das ist eine negative Rückkopplung (Feedback). Meist greift das Endprodukt am ersten Enzym der Kette an. So stoppt die Zelle die Synthese, sobald genug Produkt vorliegt, und spart Material und Energie.

Lineare Reaktionskette mit Hemmpfeil vom Endprodukt zurück auf das erste Enzym.

Endprodukthemmung: Das Endprodukt D hemmt allosterisch das erste Enzym seines Syntheseweges.

Das Endprodukt ähnelt dem Substrat des ersten Enzyms in der Regel nicht. Es konkurriert also nicht um das aktive Zentrum, sondern bindet an die allosterische Stelle. Die Endprodukthemmung ist deshalb eine allosterische Hemmung und nicht typisch für die kompetitive Hemmung. Ein Beispiel: CTP hemmt die Aspartat-Transcarbamoylase, das erste Enzym der Pyrimidinsynthese.

Allosterische Aktivierung

Effektoren können ein Enzym auch anschalten. Ein Beispiel ist die Pyruvat-Carboxylase. Dieses biotinabhängige Enzym carboxyliert Pyruvat zu Oxalacetat:

\[\ce{Pyruvat + HCO3- + ATP -> Oxalacetat + ADP + P_i}\]

Acetyl-CoA aktiviert die Pyruvat-Carboxylase allosterisch. Häuft sich Acetyl-CoA an, fehlt Oxalacetat, um es in den Citratzyklus einzuschleusen. Der Aktivator sorgt so selbst für Nachschub. Die Rolle dieser Reaktion im Stoffwechsel behandeln die anaplerotischen Reaktionen.

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Aussage 1

Allosterische Enzyme zeigen typischerweise eine hyperbolische Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration.

Wegen der Kooperativität ihrer Untereinheiten verläuft die Kurve meist sigmoid. Die Hyperbel ist typisch für Enzyme mit Michaelis-Menten-Kinetik.

Aussage 2

Acetyl-CoA wirkt als allosterischer Aktivator der Pyruvat-Carboxylase.

Steigt die Acetyl-CoA-Konzentration, aktiviert es die Pyruvat-Carboxylase und sorgt so für mehr Oxalacetat.

Aussage 3

Die Endprodukthemmung einer Synthesekette ist ein typisches Beispiel für kompetitive Hemmung.

Das Endprodukt bindet an die allosterische Stelle des ersten Enzyms und konkurriert nicht um das aktive Zentrum. Die Endprodukthemmung ist eine allosterische Hemmung.

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