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B978-3-437-41784-9.00002-6

10.1016/B978-3-437-41784-9.00002-6

978-3-437-41784-9

Abhängigkeit der relativen Reaktionsgeschwindigkeit:SubstratkonzentrationReaktionsgeschwindigkeit (in % von Vmax) der Hexokinase und Glucokinase von der Glucosekonzentration.

Die von der ALA-Synthase katalysierte Reaktion.

R- und T-Zustand des Enzyms Aspartat-Aspartat-TranscarbamoylaseTranscarbamoylase. Der aktivere R-Zustand wird begünstigt durch Substratbindung, der weniger aktive T-Zustand durch Bindung des Inhibitors Cytidintriphosphat (CTP).

Positiver kooperativer Effekt: sigmoidaler Zusammenhang zwischen Sauerstoffpartialdruck und Sättigung des Carriers Hämoglobin mit Sauerstoff (blau). O2 fördert als Aktivator seine eigene Bindung. Zum Vergleich (rot) die hyperbole nichtkooperative Kurve des monomeren Myoglobins. Die Sauerstoffbindung des Hämoglobins wird zusätzlich durch den pH-Wert beeinflusst. Beim relativ niedrigen pH des Muskels ist sie weiter vermindert. In der Abbildung wird vereinfachend von einem mittleren pH-Wert ausgegangen.

Michaelis-Menten-Diagramm: Einfluss allosterischer Effektoren des K-Typs.

Michaelis-Menten-Diagramm: Einfluss allosterischer Effektoren des V-Typs.

Phosphorylierung von Enzymen unter Glucagoneinfluss: Durch Bindung an seinen Rezeptor aktiviert Glucagon über ein G-Protein die membranständige Adenylatzyklase. Diese synthetisiert aus ATP cAMP, das Proteinkinasen aktiviert. Diese phosphorylieren Enzyme und aktivieren durch Phosphorylierung einen Phosphataseinhibitor (durch den Pfeil von links nach rechts symbolisiert), sodass Phosphatasen gehemmt werden.

Dephosphorylierung von Enzymen unter Insulineinfluss: Durch Bindung an seinen Rezeptor aktiviert Insulin die Tyrosinkinasedomänen des Rezeptors, die die Aktivität der cAMP-Phosphodiesterase steigern. cAMP, das unter Glucagoneinfluss entsteht, wird abgebaut. Dadurch werden die Proteinkinasen weniger aktiviert, die Wirkung der Phosphatasen überwiegt und Enzyme werden dephosphoryliert.

Auswahl kovalenter Modifikationen der Proteinaktivität

Tab. 2.1
Art der Modifikation Donormolekül modifiziertes Protein(Beispiel) Funktion des Proteins
Phosphorylierung ATP Glykogen-Phosphorylase Einleiten der Glykogenolyse
Acetylierung Acetyl-CoA Histone DNA-Organisation
Farnesylierung Farnesylpyrophosphat Ras-Protein Signaltransduktion
-Carboxylierung Kohlensäure Thrombin Blutgerinnung
Ubiquitin(yl)ierung Ubiquitin Zyklin Regulation des Zellzyklus

Enzyme, deren Synthese durch Insulin und Glucagon induziert oder reprimiert wird (Auswahl)

Tab. 2.2
Synthese durch Insulin induziert und durch Glucagon reprimiert Synthese durch Glucagon induziert und durch Insulin reprimiert
Glucokinase Glucose-6-Phosphatase
Phosphofructokinase 1 und 2 Fructose-1,6-Bisphosphatase
Glycerinphosphat-Dehydrogenase Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase
Pyruvat-Kinase Acyl-CoA-Carnitin-Acyltransferase (transportiert Fettsäuren ins Mitochondrium)
Citrat-Lyase
Acetyl-CoA-Carboxylase Pyruvat-Carboxylase (leitet die Gluconeogenese ein)
Fettsäure-Synthase
Malat-Enzym

Wichtige limitierte Proteolysen (Auswahl)

Tab. 2.3
Proteinklasse Beispiele für durch limitierte Proteolyse regulierte Proteine
inaktive Vorstufe aktives Protein
Verdauungsenzyme Pepsinogen Pepsin
Chymotrypsinogen Chymotrypsin
Procarboxypeptidasen Carboxypeptidasen
Trypsinogen Trypsin
Proelastase Elastase
Enzyme der Apoptose Procaspasen Caspasen (cysteinabhängige aspartatspezifische Proteasen)
Blutgerinnungsfaktoren Fibrinogen Fibrin
Hormone und Neurotransmitter Proinsulin Insulin
Proopiomelanocortin ACTH, -Lipotropin, -MSH, -MSH, -Endorphin
Angiotensinogen Angiotensin I (Renin-katalysiert)
Angiotensin I Angiotensin II (ACE-katalysiert)
Kollagen Prokollagen Kollagen
Komplementfaktoren C3 C3a und C3b
lysosomale, sekretorische und Membranproteine ER-Proteine mit Signalpeptid (das Signalpeptid leitet die Proteine in das endoplasmatische Retikulum) ER-Proteine ohne Signalpeptid

Prinzipien der Stoffwechselregulation

U. Dettmer

  • 2.1

    Überblick28

  • 2.2

    Regulation der Enzymaktivität durch die Substrat- und Coenzymkonzentration28

    • 2.2.1

      Regulation durch die Substratkonzentration28

    • 2.2.2

      Regulation durch Limitierung von Coenzymen29

  • 2.3

    Negative Rückkopplung30

    • 2.3.1

      Kompetitive Produkthemmung30

    • 2.3.2

      Hemmung durch das Endprodukt eines Synthesewegs (Feedback-Hemmung)30

  • 2.4

    Allosterische Regulation30

    • 2.4.1

      Der Mechanismus der allosterischen Regulation31

    • 2.4.2

      Kooperativität31

    • 2.4.3

      Arten allosterischer Effektoren32

  • 2.5

    Enzymgesteuerte chemische Modifikation von Enzymen (Interkonversion)33

    • 2.5.1

      Phosphorylierung und Dephosphorylierung34

    • 2.5.2

      ADP-Ribosylierung37

  • 2.6

    Induktion und Repression der Enzymsynthese37

    • 2.6.1

      Mechanismen38

    • 2.6.2

      Protein-Turnover als Voraussetzung38

    • 2.6.3

      Beispiele39

  • 2.7

    Limitierte Proteolyse40

    • 2.7.1

      Definition40

    • 2.7.2

      Wichtige limitierte Proteolysen40

  • 2.8

    Protein-Protein-Interaktion41

IMPP-Hits

  • Enzymregulation durch Substratkonzentration: Regulation von Hexokinase und StoffwechselregulationGlukokinase

  • negative Rückkopplung: Regulation der ALA-Synthase

  • allosterische Regulation: Prinzip, K-Typ-Effektoren (Regulation der PFK1) und V-Typ-Effektoren, Auswirkungen auf das Michaelis-Menten-Diagramm, Kooperativität (sigmoidale Kinetik vs. hyperbole Kinetik, Hämoglobin vs. Myoglobin)

  • Interkonversion (chemische Modifikation von Enzymen): Arten (v. a. Phosphorylierung), Enzymkaskaden nach Glucagon- und Insulinwirkung sowie regulierte Enzyme, pathologische ADP-Ribosylierung (Cholera, Pertussis, Diphtherie)

  • Enzymregulation über Induktion und Repression der Enzymsynthese: v. a. die Wirkung von Insulin und Glucagon auf die Genexpression

  • limitierte Proteolyse: als wichtiger Mechanismus der Aktivierung extrazellulärer Enzyme (Insulin, Gerinnungsfaktoren, Verdauungsenzyme)

Überblick

Das Netzwerk der biochemischen Vorgänge eines Organismus fasst man unter dem Begriff Stoffwechsel (Metabolismus) zusammen. Ein derart komplexes System will wohl reguliert sein und muss dabei flexibel und schnell auf veränderte Bedingungen reagieren können.
Angriffspunkt für die Stoffwechselregulation sind die Enzyme, die Stoffwechselreaktionen katalysieren. Der Umsatz von Enzymen wird reguliert über
  • Substratangebot

  • Enzymaktivität

  • Enzymmenge

Die SchrittmacherreaktionSchrittmacherreaktion (Committed step) eines Stoffwechselwegs ist die langsamste irreversible Reaktion, die für den Weg spezifisch ist, und stellt dessen wichtigste Regulationsstelle dar (1.2.2). Das zugehörige sogenannte SchlüsselenzymSchlüsselenzym ist daher in aller Regel das wichtigste Kontrollelement des Stoffwechselwegs, so z. B. die Phosphofructokinase 1 bei der Glykolyse (Abbau von Glucose). Darüber hinaus werden aber auch alle folgenden Enzyme eines Stoffwechselwegs, die einen irreversiblen Schritt katalysieren, als Schlüsselenzym bezeichnet. Schlüsselenzyme arbeiten meist bei Substratsättigung, was eine effektive Kontrolle des Umsatzes über die Enzymsynthese ermöglicht (1.3.3).
Eine weitere Regulation findet durch die räumliche Trennung einzelner Zelleinheiten statt. Diese Kompartimentierung ermöglicht es, entgegengesetzte, aber gleichzeitig ablaufende Stoffwechselwege – anabole und katabole – voneinander zu trennen. So erfolgt die Fettsäureoxidation in den Mitochondrien, während die Fettsäuresynthese im Zytosol stattfindet. Höhere Organismen verfügen außerdem über Organe, die spezifische Stoffwechselaufgaben übernommen haben.

Regulation der Enzymaktivität durch die Substrat- und Coenzymkonzentration

Regulation durch die Substratkonzentration

Prinzip

Substratkonzentration:Enzymaktivität

Schlüsselenzyme arbeiten meist bei Substratsättigung. Die übrigen Enzyme sind oft zu ca. 50 % gesättigt, die Substratkonzentration somit im Bereich des KM-Werts (1.3.3). Ihre Aktivität lässt sich gut durch Veränderung der Substratkonzentration beeinflussen: Erhöht sich die Substratkonzentration, so stellt ein Enzym mehr Produkt her, verringert sie sich, so sinkt der Umsatz. Im Idealfall liegt die Substratkonzentration noch weit unter dem KM-Wert: Dann befindet man sich im Michaelis-Menten-Diagramm (1.3.3, Abb. 1.7) im Bereich der Reaktion erster Ordnung und ist weit vom Sättigungsbereich (Reaktion nullter Ordnung) entfernt.

Dieser Regulationsmechanismus ist wichtig für die Steuerung des Stoffwechsels durch Isoenzyme:StoffwechselsteuerungIsoenzyme. Isoenzyme katalysieren die gleiche Reaktion, unterscheiden sich jedoch in ihrer Aminosäuresequenz und in Merkmalen wie Affinität zum Substrat (KM), Aktivität (kkat, Vmax), Vorkommen im Gewebe oder Regulationsmechanismen. Ein Beispiel hierfür sind die Isoenzyme Hexokinase und Glucokinase.

Beispiel: die Isoenzyme Hexokinase und Glucokinase
Funktion und Regulation der Hexokinase
Isoenzyme:Hexokinase

Die Hexokinase ist eines der Schlüsselenzyme der Glykolyse (neben der Pyruvat-Kinase und dem wichtigsten Kontrollelement, der Phosphofructokinase 1). Sie kommt in allen Organen und Geweben vor und katalysiert die noch nicht glykolysespezifische Reaktion Glucose + ATP Glucose-6-P + ADP.

Glucose-6-phosphat kann in die Glykolyse, aber auch in die Glykogensynthese oder den Pentosephosphatweg münden. Als Schlüsselenzym mit hoher Affinität zum Substrat Glucose (KM klein) arbeitet die nicht inhibierte Hexokinase bei Substratsättigung und Vmax. Der Substratumsatz kann deshalb über die Enzymkonzentration, d. h. über die Expression des Enzyms, kontrolliert werden (2.6). Sind alle Wege der Verwertung von Glucose-6-phosphat ausgelastet, kommt es zur Glucose-6-P-Ansammlung. Das Produkt der Hexokinase wirkt dann als ihr Inhibitor (allosterisch, 2.4).

Funktion und Regulation der Glucokinase
Isoenzyme:Glucokinase

Die Glucokinase kommt in der Leber und in den -Zellen des Pankreas vor. Im Gegensatz zur Hexokinase wird sie nicht von Glucose-6-phosphat gehemmt. Sie besitzt eine viel schwächere Affinität zu Glucose als die Hexokinase (50-fach höherer KM-Wert). Die Glucokinase wird somit erst aktiv, wenn das Glucoseangebot sehr hoch und die Hexokinase gehemmt ist. Die Glucokinase wird also durch die Substratkonzentration reguliert. Bei hoher Glucosekonzentration im Blut nehmen vorwiegend die Glucokinase-Exprimierer Leber und -Zellen des Pankreas Glucose auf:

  • In der Leber wird Glucose-6-phosphat nicht in die Glykolyse geleitet, sondern zur Fettsäure- und Glykogensynthese (3.6) verwendet.

  • In den -Zellen des Pankreas sorgt die Aktivität der Glucokinase für einen Anstieg der Glucose-6-phosphat-Konzentration. Durch Glykolyse und Atmungskette steigt die ATP-Konzentration, woraufhin sich ATP-abhängige Kaliumkanäle schließen. Durch die Depolarisation der Zelle öffnen sich spannungsabhängige Calciumkanäle, Calcium strömt in die Zelle ein und löst die Exozytose von Insulin aus den Speichergranula der -Zelle aus. Ins Blut freigesetztes Insulin senkt den Blutglucosespiegel (13.3.1).

Merke

Die Hexokinase kommt ubiquitär, die Glucokinase in Leberzellen und -Zellen des Pankreas vor. Bei niedriger Blutglucosekonzentration sorgt die Hexokinase mit ihrer hohen Affinität für eine ausreichende Glucoseversorgung aller Organe. Bei hoher Blutglucosekonzentration wird die Hexokinase über Glucose-6-P-Akkumulation gehemmt, während die Glucokinase aktiv wird: In der Leberzelle werden vermehrt Glykogen und Fettsäuren gebildet, von den -Zellen des Pankreas wird vermehrt Insulin ausgeschüttet.

Über die Hexokinase erreicht der Organismus, dass Muskulatur und Gehirn immer ausreichend mit Glucose versorgt werden. Erst wenn die Blutzuckerkonzentration zu hoch wird, sorgt die Glucokinase in Pankreas und Leber dafür, dass der Blutzuckerspiegel gesenkt und überschüssige Glucose nicht vergeudet wird (Abb. 2.1). Die entscheidenden Regulationsmechanismen sind:

  • Die Hexokinase wird durch ihr Produkt Glucose-6-phosphat gehemmt, die Glucokinase nicht.

  • Die Glucokinase ist weit weniger affin zum Substrat Glucose als die Hexokinase. Erst wenn die Hexokinase gehemmt und die Glucosekonzentration ausreichend hoch ist, erreicht die Glucokinase ihr Aktivitätsmaximum.

Regulation durch Limitierung von Coenzymen

Auch das Angebot an Coenzymen (Cosubstraten) kann limitierend auf die Aktivität eines Enzyms wirken. So können unterschiedliche Stoffwechselwege aufeinander Einfluss nehmen, indem z. B. das benötigte Coenzym eines Stoffwechselwegs (Neben-)Produkt eines anderen Stoffwechselwegs ist. Ein Beispiel ist NAD+: Es wird vor allem durch die Atmungskette erzeugt. Seine Konzentration reguliert u. a. Glykolyse und Citratzyklus. Somit steuert die Atmung indirekt den Glucose- und Fettsäureabbau.

Negative Rückkopplung

Rückkopplung:negative/positiveNegative Rückkopplung ist ein verbreiteter Mechanismus in der Stoffwechselkontrolle. Das Prinzip: Das Produkt einer Reaktion A oder einer nachgeschalteten Reaktion X, die mehrere Schritte von A entfernt sein kann, hemmt die Reaktion A (1.3.4). Die Hemmung der Reaktion A durch ihr direktes Produkt nennt man Produkthemmung, die Hemmung durch das Endprodukt des Synthesewegs Feedback-Hemmung.

Kompetitive Produkthemmung

kompetitive Hemmung:EnzymeKompetitive Hemmung bedeutet, dass Substrat und Inhibitor (hier das Produkt) um die Bindungsstelle am Enzym konkurrieren. Dafür muss das Produkt dem Substrat ausreichend ähnlich sein (isosterisch). Mit steigender Produktbildung bindet das Enzym zunehmend Produkt statt Substrat. Dadurch sinkt der Enzymanteil, der für Katalyse zur Verfügung steht, und der Substratumsatz wird reduziert. Auch Nebenprodukte einer Reaktion (wie z. B. reduzierte Coenzyme) können als Inhibitoren fungieren.

Merke

Bei der kompetitiven Produkthemmung konkurrieren Substrat und Produkt um die Bindungsstelle am Enzym.

Hemmung durch das Endprodukt eines Synthesewegs (Feedback-Hemmung)

Ein Enzym kann auch durch das Produkt einer gekoppelten nachfolgenden Reaktion reguliert werden, auch über mehrere Zwischenschritte.

Ein verbreitetes Regulationsmuster ist, dass das Endprodukt eines Synthesewegs das Schlüsselenzym des Wegs hemmt (Feedback-Hemmung). Ein gutes Beispiel hierfür ist die -Aminolävulinsäure-Synthase (ALA-Schlüsselenzym:ALA-SynthaseSynthase), die als Schlüsselenzym den ersten Schritt der Hämsynthese katalysiert (Abb. 2.2): Substrate sind Succinyl-CoA und Glycin, Produkt ist -Aminolävulinsäure. Die ALA-Synthase wird durch Häm gehemmt: Ist genug Häm vorhanden, wird die Hämsynthese heruntergefahren.

Feedback-Hemmung

Klinik

Porphyrien sind angeborene Störungen der Hämsynthese. Enzymdefekte sind für jeden Schritt der Hämsynthese bekannt, jeder entspricht einer bestimmten Porphyrie. Durch Hämmangel entfällt die Hemmung der ALA-Synthase, und es werden große Mengen von Porphyrinvorläufern und Porphyrinen gebildet, die sich in Urin und Stuhl nachweisen lassen.

Ein weiteres Beispiel ist die Feedback-Hemmung der Glutamin-Phosphoribosylpyrophosphat-Amido-Transferase (GPAT) durch Inosinmonophosphat (IMP), ein Endprodukt der Purinbiosynthese.

Feedback-Hemmung kann kompetitiv oder allosterisch (2.4) erfolgen.

Allosterische Regulation

allosterische StoffwechselregulationEinige Enzyme besitzen neben ihrem aktiven Zentrum Regionen, die speziell der Regulation ihrer Aktivität dienen. An diese sog. allosterischen Zentren binden allosterische Effektoren, die im Gegensatz zu den isosterischen Inhibitoren (2.3.1) keine Ähnlichkeit zum Substrat aufweisen müssen. Allosterische Effektoren können inhibierend oder aktivierend wirken. Die allosterische Regulation erfolgt in Sekundenbruchteilen und gilt als der schnellste Enzymregulationsmechanismus.

Der Mechanismus der allosterischen Regulation

Die Bindung eines allosterischen Effektors an ein allosterisches Zentrum allosterisches Zentrumverändert die Konformation eines Enzyms. Einer Modellvorstellung zufolge wechselt ein Enzym zwischen dem entspannten R-Zustand (von relaxed), in dem es stärker aktiv ist, und dem angespannten T-Zustand (von tension), in dem es weniger aktiv ist. Die Bindung allosterischer Inhibitoren begünstigt den T-Zustand, die Bindung von Substrat begünstigt den R-Zustand (Abb. 2.3). Zusätzlich können allosterische Aktivatoren den R-Zustand stabilisieren.

Lerntipp

Was für Studenten gilt, gilt auch für Enzyme. Sind sie ruhig, relaxed, können sie gut arbeiten. Sind sie angespannt, tense, funktioniert plötzlich nichts mehr.

Kooperativität

Allosterische Enzyme sind oft Oligomere aus zwei oder mehreren Untereinheiten (UE) und besitzen dementsprechend viele aktive und allosterische Zentren. Bei homologen Enzymen sind die Untereinheiten identisch, bei heterologen Enzymen verschieden. Die Untereinheiten können auf eine Weise zusammenwirken, die man Kooperativität nennt. Ein Beispiel für (positive) Kooperativität:

  • Das aktive Zentrum von UE I ist gleichzeitig das allosterische Zentrum von UE II.

  • Bindet Substrat an UE I, so erhöht die UE II ihre Affinität zum Substrat.

  • Bindet Substrat an UE II, so erhöhen UE I und UE II gemeinsam die Substrataffinität von UE III.

Das Substrat ist somit gleichzeitig allosterischer Aktivator. Es ergibt sich ein sigmoidaler (also S-förmiger) Zusammenhang zwischen Katalysegeschwindigkeit und Substratkonzentration. Affinität zum Substrat und damit Michaeliskonstante KM (1.3.3) ändern sich fortwährend.

Das bekannteste Beispiel für positive Kooperativität ist die Sauerstoffbindung des tetrameren Hämoglobins (Abb. 2.4) – obwohl Hämoglobin kein Enzym ist, sondern ein Carrier-Protein, das O2 aufnimmt und unverändert entlässt. Im Gegensatz zu Hämoglobin ist das Myoglobin, ein O2-Speicherprotein in Skelett- und Herzmuskel, ein Monomer mit einer hyperbolen Bindekurve für O2. Gerade bei niedriger Sauerstoffsättigung in der Peripherie nimmt Myoglobin daher O2 von Hämoglobin auf, das aufgrund seiner sigmoidalen O2-Bindekurve erst bei höheren O2-Partialdrücken mit Myoglobin um O2 konkurriert. Auf diese Weise wird eine ausreichende Versorgung des Muskels mit O2 gewährleistet.

Ebenfalls bekannt ist ein negativer kooperativer Effekt: Hier senkt die Bindung von Substratmolekülen an Untereinheiten die Affinität der noch freien Untereinheiten zum Substrat.

Arten allosterischer Effektoren

Kooperativität:Enzyme

Allosterische Effektoren können aktivierend oder inhibierend wirken.

Mögliche Aktivatoren sind:

  • direkte Substrate,

  • frühe Metaboliten einer Reaktionskette: Sie können Enzyme aktivieren, die weiter hinten in der Kette angesiedelte Reaktionen katalysieren.

  • Moleküle, die speziell für Regulationszwecke synthetisiert werden wie Fructose-2,6-bisphosphat (unten).

Mögliche Inhibitoren sind:

  • unmittelbare Produkte eines Enzyms (2.3.1),

  • Endprodukte einer Reaktionskette: Sie können Enzyme inhibieren, die weiter vorne in der Kette angesiedelte Reaktionen katalysieren (2.3.2).

Die Konformationsänderung eines Enzyms durch einen allosterischen Inhibitor kann die maximale Katalysegeschwindigkeit Vmax ändern, oder es verändert sich die Affinität des Enzyms zum Substrat: Der KM-Wert steigt (erniedrigte Affinität) oder sinkt (erhöhte Affinität). Ob ein allosterischer Effektor Einfluss auf Vmax, KM (oder beides) hat, lässt sich aus dem Michaelis-Menten- oder Lineweaver-Burk-Diagramm ablesen (1.3.3).

K-Typ-Effektoren
Definition
allosterische EffektorenK-Typallosterische Effektoren:K-Typ-Effektoren-Effektoren sind Inhibitoren oder Aktivatoren, die sich nur auf die Affinität des Enzyms zum Substrat auswirken. Sie verändern im Diagramm nur die Michaeliskonstante KM (deshalb K-Typ), die maximale Reaktionsgeschwindigkeit Vmax nicht: Hat ein Substrat an das Enzym gebunden, wird es mit unveränderter Geschwindigkeit umgesetzt. Die Substratbindung erfolgt jedoch seltener ( Inhibitor) oder häufiger ( Aktivator) als ohne Effektor. Die Auswirkungen sieht man, wenn man die Substratkonzentration und die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit V0 gegeneinander aufträgt: Im Michaelis-Menten-Diagramm verschiebt ein K-Typ-Aktivator die Kurve nach links, ein K-Typ-Inhibitor nach rechts (Abb. 2.5).
Durch K-Typ-Effektoren regulierte Enzyme
Phosphofructokinase 1 (PFK1)
Die PFK1 ist Schlüsselenzym:Phosphofructocinase 1 (PFK1)das Haupt-Schlüsselenzym der Glykolyse. Sie katalysiert den irreversiblen zweiten Schritt der Glykolyse:
Wichtigster allosterischer (K-Typ-)Aktivator der PFK1 ist Fructose-2,6-bisphosphat (F-2,6-BP). F-2,6-BP entsteht aus Fructose-6-phosphat durch das Enzym Phosphofructokinase 2 (PFK2). Durch allosterische Bindung von F-2,6-BP wird die PFK1 von der T-Form in die R-Form umgewandelt und dadurch
  • die Affinität zu Fructose-6-phosphat erhöht (K-Typ!),

  • der Hemmeffekt von ATP auf die PFK1 herabgesetzt: ATP wirkt als allosterischer Inhibitor vom K-Typ auf die PFK1, sodass bei geringem Energieinhalt der Zelle die Glykolyse angeregt wird. Citrat hingegen steigert den inhibitorischen Effekt des ATP.

Abgebaut wird F-2,6-BP ebenfalls durch die PFK2, die eine Fructose-2,6-Bisphosphatase-Funktion besitzt (bifunktionelles Enzym). Über glucagonabhängige Phosphorylierung der PFK2 wird die Fructose-2,6-Bisphosphatase-Funktion begünstigt. Wird die F-2,6-BP-Konzentration dadurch stark vermindert, so kommt die Glykolyse in der Zelle praktisch zum Erliegen.

Lerntipp

Die PFK1 und ihre Regulation sind ein wichtiges Thema, auch im Physikum. Ein genaues Studium des Enzyms auch im Rahmen des Glykolyse-Kapitels (3.3.6) lohnt sich.

Hat man den Mechanismus einmal verstanden, ist nur noch die Nomenklatur verwirrend. Aber die Namen erklären von selbst, was geschieht: Die PFK1 produziert Fructose-1,6-Bisphosphat. Die PFK2 produziert Fructose-2,6-Bisphosphat.

Weitere Enzyme (Beispiele)
  • Pyruvat-Kinase der Leber: Aktivator Fructose-1,6-bisphosphat (Feedforward-Stimulierung), Inhibitoren ATP und Alanin. Zusätzlich: Regulation durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung des Enzyms (2.5): verstärkte Affinität des dephosphorylierten Enzyms zu den Aktivatoren, verstärkte Affinität des phosphorylierten Enzyms zu den Inhibitoren.

  • Isocitrat-Dehydrogenase der Mitochondrien: Aktivator ADP, Inhibitoren NADH und ATP.

V-Typ-Effektoren
Definition
allosterische Effektoren:V-Typ-EffektorenEffektoren des V-Typs verändern die maximale Katalysegeschwindigkeit Vmax (deshalb V-Typ), ohne sich auf die Affinität (KM) auszuwirken. Im Michaelis-Menten-Diagramm verschiebt sich die Asymptote durch Inhibitoren nach unten, durch Aktivatoren nach oben (Abb. 2.6).
Durch V-Typ-Effektoren regulierte Enzyme: das Beispiel Pyruvat-Carboxylase
Die Pyruvat-Carboxylase katalysiert den ersten Schritt der Gluconeogenese aus Pyruvat:
Pyruvat + CO2 + ATP + H2O Oxalacetat + ADP + Pi + 2 H+
Das Enzym wird aktiviert durch Acetyl-CoA. Eine hohe Acetyl-CoA-Konzentration bedeutet einen Bedarf an Oxalacetat, da der Acetylrest zur Verwertung auf Oxalacetat übertragen und in den Citratzyklus (5.3) eingebracht werden muss.

Enzymgesteuerte chemische Modifikation von Enzymen (Interkonversion)

Auch Interkonversiondie enzymgesteuerte chemische (kovalente) Modifikation von kovalente Modifikation:EnzymeEnzymen (Syn.: Interkonversion, enzymatische Interkonvertierung) zählt zu den schnellen Formen der Enzymregulation. Diese Regulation ist schnell, da das regulierte Enzym bereits an seinem Bestimmungsort vorliegt. Auf ein entsprechendes Signal hin wird es von einem modifizierenden Enzym in seine aktive oder inaktive Form umgewandelt. Die auf diese Weise regulierbaren Enzyme heißen interkonvertierbar ( interkonvertierend). Die häufigste Form der Interkonversion ist die ATP-abhängige Phosphorylierung (Anheftung eines Moleküls Phosphat) durch eine Proteinkinase. Proteinkinase:InterkonversionAufgehoben wird diese über Dephosphorylierung (Entfernung eines Moleküls Phosphat) durch eine Phosphatase.

Merke

Eine Kinase ist ein phosphorylierendes, eine Phosphatase ein dephosphorylierendes Enzym.

Cave

  • Kinasen übertragen Phosphatreste.

  • Phosphatasen spalten Phosphatreste ab.

  • Phosphorylasen spalten chemische Bindungen phosphorylytisch, also unter Einbau eines anorganischen Phosphats. Beispiel: Glykogen-Phosphorylase.

Phosphatase:Interkonversion
Weitere Formen der kovalenten Modifikation zur gezielten Aktivitätskontrolle von Enzymen und anderen Proteinen, z. B. den DNA-bindenden Histonen, sind in Tab. 2.1 aufgeführt. Interkonversion spielt in erster Linie für intrazelluläre Enzyme eine Rolle.
Das Spektrum der kovalent angehängten Reste reicht von der einfachen Carboxylgruppe bis hin zu Polypeptiden wie dem Ubiquitin mit seinen 76 Aminosäuren. Ubiquitin(yl)ierung wird gezielt eingesetzt, um störende Proteine zu entfernen (7.3.2).
Interkonversion wirkt sich auf Enzymaktivität (Vmax) oder Enzymaffinität (KM) aus, meistens auf beides. Oft, jedoch nicht immer, ist die Enzymform mit kovalent gebundenem Rest aktiver.

2.5.1 Phosphorylierung und Dephosphorylierung

Phosphorylierung und Dephosphorylierung sind die wichtigsten Formen der Interkonversion. Die Übertragung eines Phosphatmoleküls auf eine OH-Gruppe eines Enzyms wirkt sich auf dessen Konformation aus: Mit zwei negativ geladenen Gruppen (2O) führt der Phosphatrest zu anderen nichtkovalenten Wechselwirkungen (ionisch, H-Brücken) als die OH-Gruppe und benötigt mehr Platz. Über ATP ist die Phosphorylierung an den Energiestatus der Zelle gekoppelt: Bei hohem Energieinhalt liegt viel ATP vor, was die Phosphorylierung erleichtert.

Merke

Phosphorylierung und Dephosphorylierung sind die wichtigste Form der Interkonversion von Enzymen. Phosphorylierung koppelt über das ATP-Angebot an den Energieinhalt der Zelle.

Dephosphorylierung Phosphorylierung

Phosphorylierung und Dephosphorylierung sind nicht Reaktion und Rückreaktion:

  • Eine Proteinkinase (Phosphotransferase) überträgt ein Phosphat von ATP auf ein Protein.

  • Bei der Entfernung des Phosphatrests durch eine Proteinphosphatase wird anorganisches Phosphat (Pi) freigesetzt, ohne dass wieder ATP entsteht.

Ein Zyklus aus Phosphorylierung und Dephosphorylierung führt damit in der Summe zur Hydrolyse von einem Molekül ATP:

Protein-OH + ATPProtein-P + ADP

Protein-P + H2OProtein-OH + Pi

______________________________________

ATP + H2O ADP + Pi

Phosphorylierbare Enzyme sind einem ständigen Zyklus aus Phosphorylierung und Dephosphorylierung unterworfen. Ihr Status hängt von der Aktivität der spezifischen Kinasen und Phosphatasen ab, die ihrerseits regulierbar sind. Eine spontane Umwandlung von der phosphorylierten in die dephosphorylierte Form und umgekehrt ist (fast) nicht möglich.

Proteinkinasen
Gerichtete Proteinkinasen phosphorylieren nur ein oder wenige Proteine, multifunktionelle Proteinkinasen viele Zielproteine. Unser Genom kodiert für über 500 Proteinkinasen. Für eine Phosphorylierung kommen nur Aminosäuren mit OH-Gruppen infrage: Serin, Threonin und Tyrosin. Man teilt Proteinkinasen ein nach den Aminosäuren, die sie phosphorylieren, und den Molekülen, durch die sie aktiviert werden. Hier einige Beispiele für Proteinkinasen:
  • Proteinkinase A: phosphoryliert Serin/Threonin, wird allosterisch aktiviert durch cAMP

  • Proteinkinase C: phosphoryliert Serin/Threonin, wird allosterisch aktiviert durch Diacylglycerin (DAG) und Ca2+

  • Proteinkinase G: phosphoryliert Serin/Threonin, wird allosterisch aktiviert durch cGMP

  • CaM-Kinasen I, II, III (Calmodulin-abhängige Kinasen): phosphorylieren Serin/Threonin, werden allosterisch aktiviert durch Ca2+/Calmodulin

  • Insulinrezeptor: Die -Kette des Insulinrezeptors besitzt eine Tyrosinkinase-Aktivität, d. h. sie phosphoryliert Tyrosin. Die Kinase wird aktiv, wenn extrazellulär Insulin an die -Kette bindet.

2.5.1.2 Beispiel: Kontrolle des Zuckerhaushalts durch Glucagon und Insulin
Der Phosphorylierung und Dephosphorylierung von Enzymen gehen oft komplexe signalgebende und -verarbeitende Prozesse voraus, bei denen ein Enzym das nächste aktiviert. Man spricht von Enzym- oder Signalkaskaden. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Kontrolle des Zuckerhaushalts durch Glucagon und Insulin (13.3). Glucagonsekretion wird durch niedrige, Insulinsekretion durch hohe Blutglucosespiegel stimuliert.
  • Glucagon löst Glukagon:Interkonversionüber Bindung an den Glucagonrezeptor eine Enzymkaskade aus (Abb. 2.7). Intrazelluläre Proteinkinasen werden aktiviert und phosphorylieren interkonvertierende Enzyme. Enzyme, die den Blutzuckerspiegel heben, sind im phosphorylierten Zustand (unter Glucagoneinfluss) aktiv.

  • Insulin löst über Bindung an den Insulinrezeptor eine Enzymkaskade aus (Abb. 2.8). Intrazelluläre Proteinkinasen werden deaktiviert, die Wirkung von Proteinphosphatasen wird gefördert. Als Resultat werden interkonvertierende Enzyme dephosphoryliert. Enzyme, die Glucose verwerten und den Blutzuckerspiegel senken, sind im dephosphorylierten Zustand (unter Insulineinfluss) aktiv.

Somit senkt Insulin den Blutzuckerspiegel und Glucagon hebt ihn (Abb. 2.7 und Abb. 2.8).

Merke

Enzyme, die den Blutzuckerspiegel heben, werden unter Glucagoneinfluss phosphoryliert und dadurch aktiviert.

Enzyme, die Glucose verwerten und den Blutzuckerspiegel senken, werden unter Insulin-Einfluss dephosphoryliert und dadurch aktiviert.

Im phosphorylierten Zustand (unter Glucagoneinfluss) aktive Enzyme sind u. a.:
  • Glykogen-Phosphorylase: spaltet phosphorolytisch von Glucose-1-phosphat-Einheiten Glykogen ab

  • Phosphorylase-Kinase: phosphoryliert Phosphorylasen, u. a. die Glykogen-Phosphorylase

  • hormonsensitive Lipase: spaltet in den Adipozyten Triacylglycerin (TAG) in Monoacylglycerin (MAG) und zwei Fettsäuren

  • Cholesterinester-Hydrolase: spaltet intrazellulär Cholesterinester in Cholesterin und Fettsäuren

Im dephosphorylierten Zustand (unter Insulineinfluss) aktive Enzyme sind u. a.:
  • Glykogen-Synthase: fügt unter UDP-Abspaltung ein Molekül UDP-Glucose an das Glykogenpolymer an. Das Schlüsselenzym der Glykogensynthese lässt sich an mehreren Stellen phosphorylieren und wird mit jedem übertragenen Phosphatrest inaktiver.

  • Pyruvat-Dehydrogenase: ein Komplex mit verschiedenen Untereinheiten, der unter CO2-Abspaltung Pyruvat und Coenzym A zu Acetyl-CoA verbindet.

  • Phosphofructokinase 2: bildet Fructose-2,6-bisphosphat (2.4.3).

Lentipp

Am besten merkt man sich, dass Phosphat ein Hungersignal ist, also alle Enzyme, die den Blutzuckerspiegel heben, in ihrem phosphoylierten Zustand aktiv sind. Damit kann man schnell erkennen, welche Enzyme in welchem Zustand aktiv sind.

Lerntipp

Die Regulation des Zuckerhaushalts ist ein sehr beliebtes Thema im mündlichen und schriftlichen Physikum. Daher lohnt auch ein genaues Studium weiterer Details in Kapitel 3 (Kohlenhydratstoffwechsel) sowie Kapitel 13 (Hormone und Zytokine).

Klinik

Beim Diabetes mellitus Typ Diabetes mellitus Typ II liegt ein absoluter Insulinmangel vor, da die Insulin-produzierenden -Zellen des Pankreas zerstört sind. Es kommt zur ungebremsten Phosphorylierung der interkonvertierbaren Enzyme, die den Glucosestoffwechsel kontrollieren, mit folgenden Konsequenzen:

  • Phosphorylierung der Phosphofructokinase 2 Abbau von Fructose-2,6-bisphosphat verminderte allosterische Aktivierung der Phosphofructokinase 1 Hemmung der Glykolyse Glucosekonzentration

  • Phosphorylierung der Glykogen-Phosphorylase Glykogenabbau Glucosekonzentration

  • Phosphorylierung der Pyruvat-Dehydrogenase Hemmung des Pyruvatabbaus Steigerung der Gluconeogenese Glucosekonzentration

Auf Gen-Ebene führt der Insulinmangel außerdem zur Induktion von Glucose aufbauenden und zur Repression von Glucose abbauenden Enzymen (2.6). Insgesamt kommt es durch verminderten Glucoseabbau intrazellulär zu einem ATP-Mangel, wodurch die Lipolyse angekurbelt wird. Die hieraus folgende Überlastung des Citratzyklus führt zur vermehrten Bildung von Ketonkörpern, die zur lebensbedrohlichen Ketoazidose führen kann.

ADP-Ribosylierung

Kovalente Proteinmodifikationen können auch pathologisch sein. Ein wichtiges Beispiel ist die ADP-Ribosylierung von G-Proteinen. G-Proteine sind an zahlreichen Signalkaskaden beteiligt und bestehen aus drei Untereinheiten: G, G und G. Im inaktiven Zustand hat G GDP gebunden und bildet einen Komplex mit G und G. Im aktiven Zustand hat G GTP gebunden und dissoziiert von G ab, um Zielmoleküle zu beeinflussen (13.1.4). Bei der ADP-Ribosylierung wird von NAD+ der Nikotinsäureamid-Teil abgespalten und kovalent an die G-Untereinheit gebunden. Dies verändert Eigenschaften von G irreversibel. ADP-Ribosylierung ist vor allem bei Cholera, Pertussis und Diphtherie von Bedeutung.

Klinik

Folgende Toxine haben ADP-Ribosyl-Transferase-Aktivität und übertragen ADP-Ribose auf die G-Untereinheit von G-Proteinen:

  • Choleratoxin, das Toxin des Choleraerregers Vibrio cholerae überträgt ADP-Ribose auf G eines G-Proteins, das die Adenylatzyklase stimuliert. G ist dadurch ständig aktiv und stimuliert die Adenylatzyklase. Die cAMP-Konzentration steigt und aktiviert die Proteinkinase A, welche die Cl-Kanäle der Darmepithelzellen öffnet und Na+/H+-Austauscher hemmt. Der Körper verliert große Mengen an NaCl und Wasser über den Darm. Die Folge sind starke, reiswasserartige Durchfälle, die unbehandelt in kurzer Zeit zu einer lebensbedrohlichen Dehydratation führen.

  • Pertussistoxin, das Gift des Keuchhustenerregers Bordetella pertussis, deaktiviert ein die Adenylatzyklase hemmendes G-Protein durch ADP-Ribosylierung. In diesem Fall wird die Affinität von G zu GTP verringert. Die daueraktive Adenylatzyklase verhindert, dass sich Ca2+-Kanäle schließen und K+-Kanäle öffnen. Dies hat verschiedenste klinische Auswirkungen. Die genauen Zusammenhänge zwischen der Klinik (Zerstörung des respiratorischen Epithels) und der ADP-Ribosylierung durch das Toxin sind nicht geklärt. Im Tiermodell wurden u. a. verstärkte Histaminsensitivität, Steigerung der Insulinsekretion und Aktivierung von Lymphozyten beobachtet.

  • Diphtherietoxin, das Toxin des Diphtherieerregers Corynebacterium diphtheriae, bewirkt eine ADP-Ribosylierung am Elongationsfaktor EF-2, einem für die Translation essentiellen G-Protein (10.3.8). Dies verhindert den GDP-GTP-Austausch, die Translation am Ribosom bricht ab. Durch die Unterbrechung der Proteinsynthese stirbt die befallene Zelle ab. Vor allem im Respirationstrakt bilden sich aus abgestorbenen Zellresten und fibrinösem Exsudat die typischen Pseudomembranen. Auch andere Organe können Schaden nehmen, gefährlich sind v. a. die Diphtherie-Myokarditis und die Polyneuritis.

Induktion und Repression der Enzymsynthese

ADP-RibosylierungDie Enzymsynthesebisher behandelten Regulationsmechanismen zielen auf eine schnelle und flexible Kontrolle der Enzymaktivität ab. Langsamer und nachhaltiger lässt sich die Enzymaktivität über Induktion und Repression der Enzymsynthese (Genregulation) kontrollieren. Da Schlüsselenzyme meist bei Substratsättigung arbeiten, lässt sich der Substratumsatz durch vermehrte Enyzmsynthese effektiv steigern und durch verminderte Synthese senken. Diese Regulation geschieht ohne Veränderung der Enzymkennzahlen KM (Affinität) und kkat (Aktivität). Lediglich Vmax, das Produkt aus Enzymkonzentration und kkat, ändert sich.

Lerntipp

Induktion und Repression wirken auf Genebene, sind also langsame nachhaltige Regulationseffekte.

Aktivierung und Inhibition wirken auf Enzymebene und dienen der kurzfristigen und schnellen Regulation. – Nicht verwechseln!

Mechanismen

Außer über den proteolytischen Abbau (z. B. über Ubiquitinmarkierung, 7.3.2) lässt sich die Menge eines Enzyms kontrollieren

  • auf Transkriptionsebene über Induktion oder Repression der Gene, die für das Enzym kodieren. Nötig sind DNA-bindende und/oder -modifizierende Proteine. Häufigster Angriffspunkt ist die Initiation der Transkription eines Gens, also die Bindung der RNA-Polymerase und der Start der Transkription. Ein Gen kann dabei induziert oder reprimiert werden (10.3.10).

    • Induktion eines Gens: Besetzung transkriptionsfördernder DNA-Sequenzen (meist sog. Enhancer-Sequenzen außerhalb des eigentlichen Gens) durch ein Regulationsprotein (z. B. Transkriptionsfaktor). Dieses wechselwirkt meist nicht direkt mit der RNA-Polymerase, sondern macht zunächst die DNA zugänglich (Chromatinumbau) und zieht weitere Transkriptionsfaktoren an. Die Transkriptionsrate steigt.

    • Repression eines Gens: Besetzung transkriptionshemmender DNA-Sequenzen (meist sog. Silencer-Sequenzen außerhalb des Gens) durch ein Regulationsprotein. Die Transkriptionsrate sinkt.

  • auf Translationsebene durch gesteigerte oder verminderte Übersetzung der mRNA in die Aminosäuresequenz. Nötig sind z. B. mRNA-bindende Proteine, die die Translation erleichtern/erschweren oder die Stabilität der mRNA verändern.

Merke

Induktion eines Gens: Steigerung der Transkriptionsrate durch Besetzung von Enhancer-Sequenzen.

Repression eines Gens: Verringerung der Transkriptionsrate durch Besetzung von Silencer-Sequenzen oder Aufhebung der Wirkung von induktiven Regulationsproteinen.

Die DNA-bindenden Regulationsproteine, die je nach Art zu Induktion oder Repression führen, werden oft von Hormonen gesteuert:

  • Hydrophobe Hormone wie die Steroidhormone diffundieren in die Zelle und binden noch im Zytosol oder auch erst im Zellkern an einen Zellkernhormonrezeptor. Der Hormon-Rezeptor-Komplex bindet im Zellkern an DNA-Kontrollelemente (10.2.6).

  • Hydrophile Hormone können die Zellmembran nicht passieren und wirken daher über Second messenger. Adrenalin und Glucagon aktivieren beispielsweise über ihre Membranrezeptoren intrazellulär Adenylatzyklase-stimulierende G-Proteine. Das gebildete cAMP aktiviert die Proteinkinase A (PKA), wodurch DNA-bindende Proteine phosphoryliert werden, die wiederum Chromatinumbau und Transkription einleiten. Auf diese Weise wird z. B. die Transkriptionsrate der PEP-CK, eines Enzyms der Gluconeogenese, via Glucagon erhöht (13.3.10).

Enzymsynthese:Mechanismen

Protein-Turnover als Voraussetzung

In den Enzymsynthese:Protein-TurnoverZellen werden laufend Proteine abgebaut und neu synthetisiert. Ohne diesen ständigen Protein-Turnover wäre eine Erhöhung der Enzymkonzentration nicht rückgängig zu machen und die Stoffwechselregulation über Induktion und Repression der Enzymsynthese nicht möglich. Proteine besitzen eine Halbwertszeit, die je nach Protein zwischen Sekunden und Jahren liegt. Die Lebensdauer der Enzyme des Stoffwechsels ist in der Regel niedrig.

Beispiele

Hormonelle Regulation der Gluconeogenese und der Glykolyse

Die Regulation der Glucosekonzentration über Glucagon und Insulin beruht zu einem wesentlichen Teil auf der Induktion und Repression der Gene von Enzymen. Die wichtigsten sind in Tab. 2.2 aufgeführt.

Regulation der hepatischen Arginase
Gluconeogenese

Der Körper kann die Aminosäuren (und Di- oder Tripeptide), in die die Verdauungsenzyme das mit der Nahrung aufgenommene Protein zerlegen, nicht speichern. Überschüssige Aminosäuren müssen desaminiert werden, damit zumindest die Kohlenwasserstoffgerüste verwendet werden können (Abbau zu CO2, Gluconeogenese oder Fettsäuresynthese). Dabei wird der anfallende Stickstoff beim Menschen nicht in Form des giftigen Ammoniaks transportiert und ausgeschieden, sondern in Form von Harnstoff (Harnstoffzyklus, 7). Die hepatische Arginase katalysiert den letzten Schritt des Harnstoffzyklus:

Arginin + H2O Ornithin + Harnstoff

Für eine ausgeglichene Stickstoffbilanz werden die Enzyme des Harnstoffzyklus, u. a. die hepatische Arginase, kurzfristig und langfristig reguliert:

  • kurzfristig: Wie alle Protein abbauenden Enzyme arbeitet die hepatische Arginase unter normalen Umständen bei einer Substratkonzentration, die weit unter ihrem KM-Wert liegt. Zwischen Substratkonzentration und Umsatz besteht ein linearer Zusammenhang (Bereich erster Ordnung im Michaelis-Menten-Diagramm).

  • langfristig: Bei länger andauernder erhöhter Proteinzufuhr wird die Stickstoffbilanz positiv (Sättigungsbereich der Enzymmenge, Reaktion nullter Ordnung). Nun wird der Stickstoffhaushalt über Induktion der Enzymsynthese reguliert: Die Transkription des Gens der hepatischen Arginase wird stimuliert und soviel Enzym produziert, dass die N-Bilanz wieder ausgeglichen ist. Diese Adaptation kann mehrere Tage in Anspruch nehmen.

Merke

Proteinabbauende Enzyme wie die hepatische Arginase werden kurzfristig isosterisch durch das Produktangebot und langfristig durch Induktion oder Repression der Enzymsynthese reguliert.

Klinik

Pharmaka und andere über Nahrung oder Inhalation aufgenommene körperfremde Stoffe werden oft oxidativ über Enzyme des Cytochrom-P450-Systems (CYP) abgebaut. Die aufgenommenen Substanzen können dabei die Synthese von CYP-Enzymen induzieren. Zum Beispiel induziert Rauchen die Synthese von CYP1A2, das auch an der Aktivierung einiger Karzinogene beteiligt ist (was als Erklärung für das vermehrte Auftreten bestimmter Krebsformen bei Rauchern diskutiert wird). Aber auch Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln (z. B. von Gegrilltem) und bestimmte Medikamente können CYP1A2 induzieren. Dies kann bei CYP1A2-metabolisierten Substanzen wie Koffein und bestimmten Pharmaka (z. B. Tamoxifen, Theophyllin, Phenacetin) zu verringerten Serumspiegeln und Wirkverlust führen. Hierauf kann man den bei Rauchern häufig erhöhten Kaffeekonsum zurückführen und ebenso die Tatsache, dass bei Raucherentwöhnung der Koffein-Serumspiegel um über 250 % ansteigen kann.

Glucocorticoide:GluconeogeneseGlucocorticoide wie Cortisol, Cortison (natürlich) und Triamcinolon (synthetisch) oder Mineralocorticoide:GluconeogeneseMineralcorticoide wie Aldosteron wirken über intrazelluläre Steroidhormonrezeptoren. Die Wirkung der Hormone oder Hormonanaloga setzt erst Stunden oder Tage nach der Einnahme ein, da sie über Geninduktion oder -repression erfolgt.

Arginase

Limitierte Proteolyse

Definition

Die limitierte (d. h. nur eine oder wenige Peptidbindungen betreffende) Proteolyse ist ein kurzfristig wirkender Regulationsmechanismus. Das Prinzip ist die Bildung aktiver Enzyme aus inaktiven Vorstufen: Aus einem längeren Vorläuferprotein, Zymogen oder auch Proenzym genannt, wird eine definierte Sequenz abgespalten (evtl. bleiben die Spaltprodukte auch durch Disulfidbrücken miteinander verbunden). Auf ein Signal hin kann das Zymogen, das bereits an seinem Bestimmungsort vorliegt, über limitierte Proteolyse rasch aktiviert werden.

Merke

Limitierte Proteolyse spielt eine wichtige Rolle für die Regulation extrazellulärer Enzyme (z. B. Verdauungsenzyme, Komplement- und Blutgerinnungsfaktoren), aber auch intrazellulärer Enzyme (z. B. an der Apoptose beteiligte Caspasen).

Wichtige limitierte Proteolysen

Proteolyse:limitiert

Tab. 2.3 listet einige wichtige limitierte Proteolysen auf.

Klinik

Störungen der limitierten Proteolyse spielen bei einigen Erkrankungen eine Rolle. Wichtige Beispiele:

  • akute Pankreatitis: Die Verdauungsenzyme des Pankreas werden als Proenzyme sezerniert und erst im Darm über limitierte Proteolyse aktiviert, um eine Andauung des Drüsengewebes zu verhindern (17.2). Durch eine Stauung des Sekretflusses (z. B. wegen Verlegung des Pankreasgangs durch einen Gallenstein) kann es zur vorzeitigen limitierten Proteolyse im Pankreas kommen. Die Folge ist eine nekrotisierende Pankreatitis.

  • disseminierte intravasale Gerinnung: Viele Faktoren der Blutgerinnung werden als inaktive Vorstufen gebildet. Sie aktivieren einander kaskadenartig über limitierte Proteolyse. Durch verschiedene Faktoren (u. a. bakterielle Toxine) kann es zu einer überschießenden Aktivierung der Gerinnungskaskade kommen. Die Folge ist eine disseminierte intravasale Gerinnung (Verbrauchskoagulopathie). Einerseits führt die Gerinnung zur Bildung von Thromben und Embolien, andererseits kommt es durch massiven Verbrauch der Gerinnungsfaktoren zu Blutungen (15.4.2).

  • Hämophilie: Bei Hämophilie besteht ein Mangel an den Gerinnungsfaktoren VIII oder IX (Hämophilie A bzw. B). In beiden Fällen kann der in der Gerinnungskaskade nachgeschaltete Faktor X nicht durch limitierte Proteolyse aktiviert werden. Die Folge ist eine verstärkte Blutungsneigung (15.4.2).

Lerntipp

Physikumsfragen zielen oft darauf ab, dass die limitierte Proteolyse vor allem bei extrazellulären Proteinen zur Anwendung kommt. Das Paradebeispiel ist die Aktivierung von Insulin, auf die in den Kapiteln 10.6.3 und 13.3.110.6.313.3.1 detailliert eingegangen wird.

Cave

Häufige IMPP-Fangfrage: Die -Amylase, die Polysaccharide in Disaccharide aufspaltet, wird nicht wie die Peptidasen erst durch Proteolyse aktiviert. Da der Körper aber nicht aus Zuckerketten aufgebaut ist, ist die -Amylase für den Menschen harmlos und muss nicht als inaktive Vorstufe gebildet werden.

Protein-Protein-Interaktion

Ähnlich Protein-Protein-Interaktionder allosterischen Regulation durch Stoffwechselprodukte (2.4) kann auch die Wechselwirkung mit anderen Proteinen Konformationsänderungen an einem Enzymprotein bewirken und zu Aktivitäts- und/oder Affinitätsänderungen führen. Es existiert eine Reihe von Proteinklassen mit der Aufgabe, durch Andocken an Enzyme oder andere Proteine gezielte Konformationsänderungen herbeizuführen. Beispiele sind:
  • G-Proteine, unter anderem als Vermittler zwischen Rezeptoren, z. B. für hydrophile Hormone oder Photonen (beim Sehvorgang), und Zielenzymen (13.1.4, 23.3.1).

  • Zellkernhormonrezeptoren: Nach Bindung ihres Liganden (lipophile Hormone wie Steroid- oder Schilddrüsenhormone) binden sie an die DNA und interagieren mit Coaktivator- oder Corepressorproteinen (13.1.4, 10.3.10).

  • Hitzeschockproteine (Hsps): Sie unterstützen die Proteinfaltung. Proteine werden am Ribosom synthetisiert und beginnen noch während ihrer Entstehung, sich zu falten. Bevor der Faltungsprozess abgeschlossen ist, sind sie anfällig für Aggregation (über hydrophobe Wechselwirkungen). Auch bereits korrekt gefaltete Proteine können, z. B. nach einem Hitzeschock, denaturieren. Die auch Chaperonproteine (chaperon [engl.] Anstandsdame, Begleiterin) genannten Hsps können die Aggregation u. a. durch gezielte Bindung und Absättigung hydrophober Bereiche verhindern.

Lerntipp

Chaperonproteine haben die gleichen Aufgaben wie Anstandsdamen, daher der Name. Sie sorgen dafür dass keine unerwünschten Verbindungen zwischen den jungen Proteinen (bzw. jungen Leuten) eingegangen werden und die Form gewahrt bleibt.

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