10. Regulatorische Strategien

Allosterische Regulation. Allosterische Proteine besitzen besondere regulatorische Zentren und mehrere funktionelle Zentren. Die Bindung kleiner Signalmoleküle an regulatorische Stellen steuert die Aktivität dieser Proteine. Darüber hinaus zeigen allosterische Proteine die Eigenschaft der Kooperativität: Die Aktivität an einem funktionellen Zentrum beeinflusst die Aktivität der anderen. Proteine, die eine allosterische Regulation zeigen, sind demnach Informationsschaltstellen. Ihre Aktivität kann sich als Reaktion auf Signalmoleküle oder aufgrund von Informationen verändern, die in den aktiven Zentren insgesamt vorhanden sind. Dieses Kapitel behandelt eines der bekanntesten allosterischen Proteine: das Enzym Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase). Die Katalyse der Aspartat-Transcarbamoylase ist der erste Schritt der Pyrimidinbiosynthese; dieser wird durch Cytidintriphosphat, das Endprodukt der Synthese, gehemmt. Dabei handelt es sich um ein Beispiel für eine Rückkopplungshemmung. Im Kap. 7 haben wir bereits ein allosterisch reguliertes Protein behandelt – Hämoglobin, das Sauerstofftransportprotein im Blut.

Verschiedene Enzymformen. Isozyme (oder Isoenzyme) bieten eine Reihe von Möglichkeiten für die Regulation derselben Reaktion an verschiedenen Orten oder zu verschiedenen Zeiten; damit wird den spezifischen physiogischen Anforderungen in dem jeweiligen Gewebe zu einem bestimmten Zeitpunkt Rechnung getragen. Isozyme sind homologe Enzyme in einem einzigen Organismus, die dieselbe Reaktion katalysieren, sich aber geringfügig in der Struktur und deutlicher in Bezug auf K _M und V _max unterscheiden. Isozyme werden häufig in unterschiedlichen Geweben oder Organellen oder auch in unterschiedlichen Entwicklungsphasen exprimiert.

Reversible kovalente Modifikation. Die katalytischen Eigenschaften einiger Enzyme werden durch das kovalente Anhängen einer modifizierenden Gruppe deutlich verändert, am häufigsten durch eine Phosphorylgruppe. Bei diesen Reaktionen, die durch Proteinkinasen katalysiert werden, ist ATP der Phosphorylgruppendonator. Das Entfernen von Phosphorylgruppen wird durch Proteinphosphatasen katalysiert. Dieses Kapitel behandelt Struktur, Spezifität und Regulation der Proteinkinase A (PKA); dieses Enzym kommt bei Eukaryoten sehr häufig vor und reguliert sehr verschiedene Zielproteine.

Proteolytische Aktivierung. Die Enzyme, die durch einige dieser Mechanismen reguliert werden, wechseln zwischen aktivem und inaktivem Zustand hin und her. Ein anderes Regulationsprinzip tritt bei der irreversiblen Umwandlung eines inaktiven in ein aktives Enzym auf. Viele Enzyme werden durch die Hydrolyse einer oder weniger Peptidbindungen in einer inaktiven Vorstufe aktiviert. Die inaktiven Vorstufen bezeichnet man als Zymogene oder Proenzyme. Als Beispiele für diesen Regulationsmechanismus kennt man die Verdauungsenzyme Chymotrypsin, Trypsin und Pepsin. Die Blutgerinnung basiert auf einer umfangreichen Kaskade von Zymogenaktivierungen. Die katalytische Aktivität der Verdauungs- und Blutgerinnungsenzyme wird durch die irreversible Bindung von spezifischen Inhibitorproteinen abgeschaltet, die für ihre molekulare Beute unwiderstehliche Köder sind.

Regulation der vorhandenen Enzymmenge Die Enzymaktivität kann auch reguliert werden, indem die vorhandene Enzymmenge angepasst wird. Dieser wichtige Regulationsmechanismus findet in der Regel auf der Ebene der Transkription statt. Wir werden die Regulation der Gentranskription in den Kap. 29, 31 und 32 betrachten.