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Inhibitoren

Inhibition von Enzymen

Enzyminhibitoren sind Moleküle, die die Aktivität von Enzymen verringern. Das Wissen über Inhibitoren kann zum Beispiel bei der Entwicklung von Medikamenten oder bei der Erforschung biochemischer Stoffwechselwege genutzt werden, da Inhibitoren eine Möglichkeit bieten, in diese Wege einzugreifen. Enzyminhibitoren können entweder irreversibel oder reversibel sein; irreversible Inhibitoren verringern die Enzymaktivität, indem sie das Enzym durch verschiedene Mechanismen zerstören, während reversible Inhibitoren das Enzym funktionsfähig halten. Die Inhibitoren, die wir hier untersuchen werden, sind reversible Inhibitoren [1].

Arten der Inhibition

Die Mechanismen von Enzym-Inhibitoren können in 3 Hauptgruppen eingeteilt werden: Kompetitive Inhibitoren, nicht-kompetitive Inhibitoren und gemischte Inhibitoren. Kompetitive Inhibitoren binden an die aktive Seite des Enzyms und konkurrieren dabei mit dem Substrat; nicht-kompetitive Inhibitoren binden an den Enzym-Substrat-Komplex an einer anderen Stelle als der aktiven Seite, können aber nicht an das Enzym allein binden, und gemischte Inhibitoren können sowohl an das Enzym als auch an den Enzym-Substrat-Komplex an einer anderen Stelle als der aktiven Seite binden [1].

Die Mechanismen der Inhibition von Enzymen können als Erweiterung des Michaelis-Menten-Mechanismus betrachtet werden, und kompetitive und nicht-kompetitive Inhibition können als Spezialfall der gemischten Inhibition angesehen werden (siehe Abbildung 1a), wobei KI und K'I die Dissoziationskonstanten des EI- bzw. ESI-Komplexes sind. Mit dem gleichen Ansatz wie bei der Ableitung der Michaelis-Menten-Gleichung (für eine detaillierte Herleitung siehe [2]) lässt sich die folgende Gleichung für die gemischte Inhibition aufstellen:

V0 = Vmax•[S] / Km•α+[S]•α’

wobei α = 1+[I]/KI und α’ = 1+[I]/K’I sind.

Genau wie die Michealis-Menten-Gleichung lässt sich diese Gleichung so umstellen, dass sie in ein doppelt reziprokes Diagramm passt:

1/V0 = α’/Vmax + Km•α/Vmax • 1/[S]

Wenn α > 1 und α' > 1 ist, handelt es sich um eine gemischte Inhibition; bei kompetitiver Inhibition ist α' = 1; bei nicht kompetitiver Inhibition ist α = 1. So erhält man 3 verschiedene Gleichungen für die 3 verschiedenen Arten der Inhibition, und ein Lineweaver-Burk-Diagramm der kinetischen Daten kann die Art der Inhibition aufzeigen, die der Inhibitor durchführt (siehe Abbildung 1b, 1c und 1d)[1,2].

Oben ist die Abbildung 1a zu sehen, die die Gesamtreaktion eines Enzyms und die Mechanismen der Inhibition von Enzymen als Erweiterung dieser Reaktion zeigt. Die enzymatische Reaktion besteht aus verschiedenen Schritten, die von links nach rechts dargestellt sind, wobei die Bildung des Enzym-Substrats der erste Schritt der Gesamtreaktion ist. Dieser Schritt geht in beide Richtungen, dargestellt durch einen Pfeil in zwei Richtungen, wobei die umgekehrte Reaktion die Dissoziation des Enzym-Substrats in Enzym und Substrat ist. Der nächste Schritt ist die Aufspaltung des Enzym-Substrats in Enzym und Produkt. Die Zugabe von Inhibitoren zum Enzym und zum Enzym-Substrat-Komplex in der enzymatischen Gesamtreaktion ist ebenfalls dargestellt, wobei K I und K' I die Dissoziationskonstanten des Enzym-Inhibitor- bzw. Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplexes sind. Zusätzlich zu dieser Reaktion gibt es den Mechanismus der Inhibition von Enzymen, der unterhalb der Gesamtreaktion dargestellt ist. Bei dieser Reaktion handelt es sich um die Bildung des Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplexes, der aus dem Enzym-Inhibitor-Komplex und dem Substrat entsteht. Die umgekehrte Reaktion ist die Dissoziation des Enzym-Inhibitor-Substrat-Komplexes in den Enzym-Inhibitor-Komplex und das Substrat. Darunter befinden sich die Abbildungen 1b, 1c und 1d. Diese Abbildungen zeigen drei verschiedene Lineweaver-Burk-Diagramme, die die drei Hauptarten der Inhibition darstellen. Abbildung 1b zeigt die kompetitive Inhibition, Abbildung 1c die gemischte Inhibition und Abbildung 1d die nicht-kompetitive Inhibition. In allen Diagrammen steht auf der y-Achse 1 geteilt durch V und auf der x-Achse 1 geteilt durch die Substratkonzentration. Abbildung 1b ist ein Diagramm mit drei verschiedenen Linien, die verschiedene Datensätze mit unterschiedlichen Konzentrationen der Inhibitoren darstellen und daher unterschiedliche Steigungen haben. Alle drei Linien schneiden sich an der gleichen Stelle auf der y-Achse. Neben diesem Diagramm ist Abbildung 1c zu sehen, ein weiteres Diagramm, das die gemischte Inhibition als drei verschiedene Linien darstellt. Diese Linien stellen verschiedene Datensätze mit unterschiedlichen Konzentrationen der Inhibitoren dar, und die Linien haben alle unterschiedliche Steigungen und unterschiedliche y-Achsenabschnitte. Neben diesem Diagramm ist Abbildung 1d zu sehen, ein Diagramm, das die nicht-kompetitive Inhibition in Form von drei verschiedenen Linien darstellt. Diese Linien stellen verschiedene Datensätze mit unterschiedlichen Konzentrationen an nicht-kompetitiven Inhibitoren dar, und die Linien haben die gleichen Steigungen. Allerdings schneiden sich die drei Linien an unterschiedlichen Stellen auf der y-Achse

Abbildung 1: Abbildung 1a) Die allgemeine enzymatische Reaktion und die Erweiterung des Mechanismus zur Inhibition von Enzymen. Abb. 1b, c und d: Lineweaver-Burk-Diagramme, die die 3 wesentlichen Arten der Inhibition zeigen. Wenn der y-Schnittpunkt gleich ist, aber die Steigungen unterschiedlich, ist der Inhibitor kompetitiv. Wenn sowohl die Steigungen als auch die y-Schnittpunkte unterschiedlich sind, handelt es sich um einen gemischten Inhibitor. Wenn die Steigungen gleich sind, aber die y-Schnittpunkte sich unterscheiden, ist der Inhibitor nicht kompetitiv.

Methanol-Vergiftung

Das Enzym Alkoholdehydrogenase ist nicht vollständig spezifisch für Ethanol; es katalysiert auch die Bildung von Aldehyden aus anderen Alkoholen. Einer dieser Alkohole ist Methanol, das in Formaldehyd und andere giftige Verbindungen umgewandelt wird, die zur Erblindung oder zum Tod führen können [3]. Methanolvergiftungen sind recht häufig und können durch die Einnahme von selbst hergestelltem Alkohol verursacht werden. Methanol und Ethanol sind also konkurrierende Substrate, und Ethanol wird sogar eingesetzt, um eine Vergiftung nach der Einnahme von Methanol zu verhindern, weil es die ADH bei der Katalyse der Oxidation dieser Verbindung inhibiert [4].

Berechnung der kinetischen Parameter

Auf den folgenden Seiten erfährst du, wie du die kinetischen Parameter für verschiedene Inhibitoren berechnen kannst:

Kompetitive Inhibition

Nicht-kompetitive Inhibition

Gemischte/nicht-kompetitive Inhibition

Quellen

  1. Lehninger, Albert L.; Nelson, David L.; Cox, Michael M. (2008). Principles of Biochemistry (5th ed.). New York, NY: W.H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-7108-1.

  2. Atkins, Peter W.; de Paula, Julio; Friedman, Ronald (2009). Quanta, Matter, and Change: A molecular approach to physical chemistry. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-920606-3.

  3. Beatty, L., Green, R., Magee, K. and Zed, P. (2013) A Systematic Review of Ethanol and Fomepizole Use in Toxic Alcohol Ingestions. Emerg. Med. Int. 2013, 638057.

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