Biokatalysatoren

Nicht-kompetitive Hemmung und Schwermetallionen

Wie Hemmstoffe wirken, die außerhalb des aktiven Zentrums binden, warum Substratüberschuss dagegen nicht hilft und wie Schwermetallionen Enzyme über SH-Gruppen ausschalten.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Bei der nicht-kompetitiven Hemmung bindet der Inhibitor in der Regel außerhalb des aktiven Zentrums, an freies Enzym und an den Enzym-Substrat-Komplex.
  • Eine Erhöhung der Substratkonzentration hebt die nicht-kompetitive Hemmung nicht auf, weil Substrat und Inhibitor nicht um dieselbe Stelle konkurrieren.
  • Kinetisch sinkt \(v_{max}\), während \(K_M\) unverändert bleibt; im Lineweaver-Burk-Diagramm steigt der y-Achsenabschnitt.
  • Schwermetallionen wie \(\ce{Hg^2+}\) binden katalytisch wichtige Sulfhydrylgruppen von Cysteinresten und bilden Mercaptide.
  • Die Hemmung durch Schwermetallionen ist nichtkompetitiv und wegen der stabilen Metall-Schwefel-Bindung oft irreversibel.

Worum es geht

Nicht jeder Enzymhemmer konkurriert mit dem Substrat um das aktive Zentrum. Die nicht-kompetitive Hemmung ist das Gegenstück zur kompetitiven Hemmung und erklärt auch, warum Quecksilber- oder Bleiionen so giftig sind.

Bindung außerhalb des aktiven Zentrums

Ein nicht-kompetitiver Inhibitor lagert sich in der Regel an eine andere Stelle des Enzyms an als das Substrat, also nicht an das aktive Zentrum. Er verändert die Konformation des Proteins. Das Enzym bindet sein Substrat dann zwar noch, setzt es aber nicht mehr um.

📖 Definition: Nicht-kompetitive Hemmung

Hemmtyp, bei dem der Inhibitor außerhalb des aktiven Zentrums bindet, und zwar an das freie Enzym ebenso wie an den Enzym-Substrat-Komplex. Substrat und Inhibitor verdrängen sich dabei nicht gegenseitig.

Weil beide Bindungsstellen getrennt sind, kann ein Enzymmolekül Substrat und Inhibitor gleichzeitig tragen. Nur der Komplex ES liefert Produkt. Der Komplex ESI bleibt untätig.

Schema eines Enzyms mit zwei Bindungsstellen, Substrat im aktiven Zentrum und Inhibitor an einer anderen Stelle.

Nicht-kompetitive Hemmung: Der Inhibitor bindet an freies Enzym und an den Enzym-Substrat-Komplex.

Daraus folgt das Kernmerkmal: Mehr Substrat hebt die Hemmung nicht auf. Der Inhibitor nimmt dem Substrat keinen Platz weg. Er legt einen Teil der Enzymmoleküle still, als wären weniger Enzyme vorhanden. Deshalb sinkt \(v_{max}\). Die noch freien Enzyme binden das Substrat so gut wie vorher, \(K_M\) bleibt gleich.

Zwei hyperbolische Kurven, die gehemmte mit niedrigerem Plateau, beide mit halbmaximaler Geschwindigkeit bei derselben Substratkonzentration.

Nicht-kompetitive Hemmung senkt das Plateau der Sättigungskurve, \(K_M\) bleibt gleich.

Im Lineweaver-Burk-Diagramm steigt deshalb der y-Achsenabschnitt \(1/v_{max}\). Der Schnittpunkt mit der x-Achse bei \(-1/K_M\) bleibt erhalten. Bei kompetitiver Hemmung ist es genau umgekehrt.

Zwei doppelt-reziproke Diagramme, links schneiden sich die Geraden auf der y-Achse, rechts auf der negativen x-Achse.

Lineweaver-Burk-Diagramm: Kompetitive Hemmung verschiebt den x-Achsenabschnitt, nicht-kompetitive Hemmung den y-Achsenabschnitt.
A Kompetitiv
  • Bindung im aktiven Zentrum
  • durch Substratüberschuss aufhebbar
  • \(v_{max}\) gleich, \(K_M\) erhöht
B Nicht-kompetitiv
  • Bindung außerhalb des aktiven Zentrums
  • durch Substratüberschuss nicht aufhebbar
  • \(v_{max}\) erniedrigt, \(K_M\) gleich

Schwermetallionen

Ein typisches Beispiel liefern Schwermetallionen wie \(\ce{Hg^2+}\), \(\ce{Pb^2+}\) oder \(\ce{Cd^2+}\). Sie haben eine hohe Affinität zu Schwefel. Ihr Ziel sind die Sulfhydrylgruppen (SH-Gruppen) von Cysteinresten, die viele Enzyme für die Katalyse brauchen.

Das Metallion reagiert mit der Thiolgruppe zu einem Mercaptid:

\[\ce{E-SH + Hg^2+ -> E-S-Hg+ + H+}\]

Liegen zwei SH-Gruppen nebeneinander, bindet das Ion beide gleichzeitig als Chelat.

Reaktionsschema: Enzym-SH plus Quecksilberion ergibt Enzym-S-Hg und Proton.

Schwermetallionen bilden mit Cystein-Thiolgruppen stabile Mercaptide.

Das Metallion ähnelt dem Substrat nicht und konkurriert nicht mit ihm. Mehr Substrat hilft daher nicht, die Hemmung ist nichtkompetitiv. Die Metall-Schwefel-Bindung ist zudem sehr stabil. So wird die Hemmung oft irreversibel: Das Enzym bleibt dauerhaft inaktiv.

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Aussage 1

Quecksilberionen hemmen Enzyme, indem sie mit den Thiolgruppen von Cysteinresten stabile Mercaptide bilden.

\(\ce{Hg^2+}\) bindet an essentielle SH-Gruppen. Die Hemmung ist nichtkompetitiv und oft irreversibel.

Aussage 2

Ein nicht-kompetitiver Inhibitor senkt die Maximalgeschwindigkeit \(v_{max}\), die Michaelis-Konstante \(K_M\) bleibt dagegen gleich.

Der Inhibitor legt einen Teil der Enzymmoleküle still. Die übrigen binden das Substrat unverändert, daher bleibt \(K_M\) konstant.

Aussage 3

Bei nicht-kompetitiver Hemmung lässt sich die volle Enzymaktivität durch einen großen Substratüberschuss zurückgewinnen.

Der Inhibitor bindet außerhalb des aktiven Zentrums und wird vom Substrat nicht verdrängt. Nur die kompetitive Hemmung ist durch Substratüberschuss aufhebbar.

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