7.13: Enzymhemmung

Inhibitoren sind Moleküle, welche die Enzymaktivität durch die Bindung des Enzyms hemmen. In einer normal funktionierenden Zelle werden die Enzyme durch eine Vielzahl von Inhibitoren reguliert. Auch Medikamente und andere Toxine können Enzyme hemmen. Einige Inhibitoren binden an das aktive Zentrum des Enzyms, während andere die Enzymaktivität durch Bindung an andere Stellen der Proteinstruktur verhindern.

Kompetitive Inhibitoren besetzen das aktive Zentrum von Enzymen, wodurch diese nicht in der Lage sind, das Substrat aufzunehmen. Jedoch können ausreichend hohe Konzentrationen des Substrats den Inhibitor verdrängen. Daher verlangsamen kompetitive Inhibitoren die anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit von Enzymen, aber beeinträchtigen nicht die maximale Geschwindigkeit von Enzyme. Ein Beispiel für einen kompetitiven Inhibitor ist das Medikament Disulfiram. Es wird zur Behandlung von chronischer Alkoholabhängigkeit eingesetzt. Bei der Einnahme von Alkohol wird dieser normalerweise in Acetaldehyd umgewandelt, welcher dann von der Acetaldehyd-Dehydrogenase in Acetyl-Coenzym A umgewandelt wird. Disulfiram bindet sich an die Acetaldehyd-Dehydrogenase und blockiert ihr aktives Zentrum, so dass das Enzym nicht mehr in der Lage ist, diese Umwandlung durchzuführen. Infolgedessen treten bei einem Patienten, der Disulfiram einnimmt, sofort katerähnliche Symptome wie Kopfschmerzen auf, was zu einem verringerten Alkoholkonsum führt.

Nicht-kompetitive Inhibitoren binden an verschiedene Regionen des Enzyms, die vom aktiven Zentrum entfernt sind. Man nennt diese Bereiche allosterische Regionen. Wenn diese durch Moleküle gebunden werden, wird die Form der aktiven Stelle so verändert, dass das Enzym eine geringere Affinität zum Substrat hat. Da nicht-kompetitive Inhibitoren das aktive Zentrum nicht besetzen, kann das Vorhandensein von zusätzlichem Substrat, die nicht-kompetitive Inhibition nicht überwinden und das Enzym kann seine maximale Reaktionsgeschwindigkeit nicht erreichen.

Eine kovalente Bindung zwischen einem Inhibitor und einem Enzym ist in der Regel irreversibel, wie bei einigen Toxinen. Die meisten regulatorischen Inhibitoren, die normalerweise in der Zelle aktiv sind, interagieren mit den Enzymen durch schwache Wechselwirkungen. Diese Art der Bindung ist reversibel und nützlich für die Regulierung von Stoffwechselprozessen. Die Erforschung neuer Moleküle zur kompetitiven und nicht-kompetitiven Hemmung von Enzymen, die das Zellwachstum bei Krebs regulieren, ist ein aktives Forschungsgebiet.

Spezifische Chemikalien steuern die Wirkung von Enzymen, durch Hemmung oder Blockierung ihrer Funktion. Enzymhemmer gibt es in zwei verschiedenen Formen, konkurrierend und nicht konkurrierend. Ein konkurrierender Hemmer ist dem spezifischen Substrat des Enzyms so ähnlich, dass er an die aktive Stelle binden kann und das Substrat von der Bindung abhält.

Diese Aktion verringert die Zahl der Enzyme erheblich, die für die Bindung an das Substrat zur Verfügung stehen. Im Gegensatz dazu bindet ein nicht konkurrierender Hemmer sich von der aktiven Stelle weg, beeinflusst sie aber, indem er z. B. die Form des Enzyms ändert und die Affinität für die Substratbindung an die aktive Stelle stark reduziert und verhindert, dass das Enzym ordnungsgemäß funktioniert.

Darüber hinaus beeinflussen beide Inhibitortypen die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion unterschiedlich. Im Vergleich zu einer Kontrolle, einer normalen enzymatischen Reaktionsgeschwindigkeit, würde eine Reaktion mit einem konkurrierenden Hemmer länger dauern, um v max, die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, zu erreichen, und würde mehr Substrat erfordern, um dies zu tun, da es genügend Substrat geben muss, um den Hemmer konsequent um den Zugang zu den aktiven Stellen zu übertreffen. Andererseits würde ein nicht konkurrierender Inhibitor nicht zulassen, dass die Rate v max erreicht, da die Anzahl der für die Bindung verfügbaren Enzyme reduziert wird.