Um die Vernetzung und die Regulation von Stoffwechselwegen zu begreifen, ist es wichtig, die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration, die Aktivitätsbeeinflussung der Enzyme durch Effektoren und die Sauerstoffbindung an Hämoglobin und Myoglobin wirklich verstanden zu haben. Es reicht nicht aus, die Inhalte reproduzieren zu können, sondern man muss sie sicher anwenden können.
Die Zusammenstellung der folgenden Darstellungen aus
Birinder S. Dugal: Allosterie und Cooperativität bei Enzymen des Zellstoffwechsels,
Biologie in unserer Zeit 2/1973
Max F. Perutz: Struktur des Hämoglobins und Transportvorgänge bei der Atmung,
Spektrum der Wissenschaft 2/1979
und eigene Vorschläge sollen das Verständnis erleichtern.
Damit Enzym und Substrat reagieren können, müssen sie aufeinander treffen. Die Trefferwahrscheinlichkeit von Enzym (konstante Menge) und Substrat (variabel) werden sehr gut veranschaulicht. Man sieht bei C leicht ein, dass eine weitere Erhöhung der Substratkonzentration die Enzymaktivität nicht mehr steigern kann.
Führt man einen Hemmstoff H ein, der reversibel eine der beiden Passstellen oder beide blockiert, so kann man die kompetitive Hemmwirkung darstellen.
Da die Substratkonzentration variiert wird, müssen alle anderen Faktoren konstant gehalten werden – also auch die Hemmstoffkonzentration. Am Anfang (A) stehen 4 H im Wettbewerb mit 10 S um die Passstellen von 6 E. Im zweiten Bild (B) stehen 4 H im Wettbewerb mit 20 S um das aktive Zentrum der 6 E. D.h. H wird durch S immer mehr „verdünnt“; die Trefferwahrscheinlichkeit für S steigt, die für H sinkt.
Mit und ohne Hemmstoff kann bei hohen Substratkonzentrationen die gleiche maximale Enzymaktivität erreicht werden.
Wichtig ist, dass die Bindung des Hemmstoffs reversibel ist; ist die Anlagerung von Dauer, so ist das Enzymmolekül „vergiftet“.
Bei dem nächsten Modell sieht man, dass das Substratmolekül ohne Mitwirkung eines Effektors sich nicht an das aktive Zentrum anlagern kann.
Die Anlagerung des Effektors / Aktivators ist fast immer reversibel; dadurch wird eine Regulation möglich.
In dem abgebildeten Fall wird jedes Enzymmolekül durch ein Effektormolekül aktiviert. D.h. über die Effektorkonzentration ist eine Feinregulierung möglich.
Da der Effektor nicht mit dem Substrat konkurriert, werden in diesem Falle ganz unterschiedliche maximale Enzymaktivitäten erreicht.
Eine solche Regulation „an anderer Stelle“ (nicht am aktiven Zentrum) nennt man allosterisch. Sie kann aktivierend sein (siehe oben) oder wie im nächsten Fall hemmend.
Auch hier ist in einem bestimmten Konzentrationsbereich eine Feinregulierung durch den Hemmstoff (Inhibitor) möglich.
Bisher wurden Enzyme betrachtet, die „nur“ eine Tertiärstruktur haben. Besitzen die Proteine eine Quartärstruktur, so können sich die Untereinheiten wechselseitig in ihrem Bindungsverhalten / ihrer Affinität beeinflussen. Das am besten untersuchte Molekül ist kein Enzym, sondern das Hämoglobin, das Sauerstoff bindet und transportiert. Seine außergewöhnlichen Eigenschaften werden besonders deutlich, wenn man sie mit denen des Myoglobins vergleicht. Das Myoglobin des Muskels liegt als Tertiärstruktur vor, das Hämoglobin ist nur in der Quartärstruktur funktionstüchtig.
Beide Sättigungskurven wurden in vitro erhalten. Der physiologische Bereich liegt zwischen den beiden Werten für venöses bzw. arterielles Blut. Im Bereich der Lunge und am Muskel liegen je nach Aktivität der beiden Organe Korridore vor und keine punktuellen Werte.
Die oben angestellten Überlegungen zur Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration lassen sich auf das Myoglobin übertragen – das Bindungsverhalten in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration lässt sich leicht mit der Trefferwahrscheinlichkeit verstehen.
Man beachte aber die Beschriftung der y-Achse.
Das Myoglobinmolekül verarbeitet das angelagerte Sauerstoffmolekül nicht – es bindet / speichert es nur. D.h. es gibt keine „Aktivität“, sondern den beladenen oder unbeladenen Zustand.
Die Beladung von 16 Myoglobinmolekülen kann man anschaulich simulieren. Man bereitet ein Quadrat mit 16 Feldern vor und würfelt mit zwei Tetraederwürfeln.
Der eine Würfel ist der einen Seite, der zweite der anderen zugeordnet
Am Anfang trifft man häufig ein freies Feld, das man beladen kann; dagegen dauert es einige Würfe, bis man das letzte Feld getroffen hat.
Original Excel-Tabelle.
Grafische Darstellung der Simulationsergebnisse:
Das Simulationsergebnis ist eindrucksvoll. Aus Zeitgründen sollte man sich auf die wenigen Felder beschränken und die dadurch bedingten statistischen Schönheitsfehler in Kauf nehmen.
Das Bindungsverhalten der vier Untereinheiten des Hämoglobins ist nicht so einfach zu erklären.
Es ist nur zu deuten, wenn man eine Kooperation zwischen den Untereinheiten annimmt. Ist keine Untereinheit beladen (T-Struktur), so ist es für ein Sauerstoffmolekül schwierig, an eine der Passstellen anzudocken. Ist aber auch nur eine Untereinheit besetzt, so gehen durch die kooperativen Effekte alle anderen Untereinheiten auch in die R-Struktur über und ihre Affinität zu Sauerstoff wird größer.
Auch diesen Vorgang kann man simulieren. Die 16 Felder sind in diesem Fall in vier Gruppen unterteilt, die den Untereinheiten der Quartärstrukturen entsprechen.
Beim ersten Treffer einer Vierergruppe wird diese nur markiert (Kreis). Wird sie nochmals getroffen, wird sie „mit zwei Teilchen beladen“. Bei weiteren Treffern wird ein weiteres Feld belegt.
Für die Beladung ist die Häm-Häm-Wechselwirkung nicht von Bedeutung, wohl aber für die Freisetzung.
In der folgenden schematischen Darstellung sind bei Myoglobin und Hämoglobin gleich viele Bindungsstellen für Sauerstoff gezeichnet.
Ohne Sauerstoff (a – Partialdruck 0) sind nahezu alle Bindungsstellen frei.
Steigt der Partialdruck (b), so nimmt Myoglobin den Sauerstoff leichter auf als Hämoglobin.
Bei hohen Sauerstoffwerten (c – entspricht den Bedingungen im Lungenbereich) sind beide Molekülarten weitgehend gesättigt.
Betrachtet man Sauerstoffwerte (d) wie sie im Kapillarsystem an den Muskeln vorliegen, so ändert sich die Sauerstoffbeladung des Myoglobins kaum, während das Hämoglobin etwa 45% des Sauerstoffs abgibt.
Für diesen Unterschied ist die Häm-Häm-Wechselwirkung verantwortlich. Hat eine Untereinheit einen Sauerstoff eingefangen, so steigt die Affinität der übrigen Untereinheiten stark an und die Wahrscheinlichkeit, dass sie beladen werden wird größer. Umgekehrt gibt ein mit Sauerstoff gesättigtes Hämoglobinmolekül, das ein Sauerstoffmolekül verloren hat, leicht zwei oder drei weitere Sauerstoffmoleküle ab.
Um die erste Marke eines Viererblocks zu erhalten, muss man die „größte Arbeit“ aufwenden – die letzte Marke erhält man ohne jeden Aufwand.
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Juli 2007
© B.Bossert