Kompetitive Hemmung

Substanzen, die eine kompetitive Hemmung hervorrufen, ähneln dem eigentlichen Substrat bzw. Agonisten häufig strukturell. Dadurch sind sie in der Lage, die Bindestelle zu besetzen. Bei Enzymen lagern sie sich z.B. in das aktive Zentrum. Eine kompetitive Hemmung kann durch eine Erhöhung der Substrat- oder Ligandenkonzentration teilweise aufgehoben werden.

Das freie Enzym (E) kann sowohl mit dem Substrat (S) als auch mit dem Inhibitor (I) einen Komplex bilden (siehe Abbildung). Hierbei bildet sich zwischen dem Enzym-Substrat- bzw. Enzym-Inhibitor-Komplex ein Gleichgewicht aus, das durch die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten bestimmt wird. Je nach dem, ob das Substrat oder der Inhibitor die höhere Affinität zum Enzym aufweist, bindet jeweils das Substrat beziehungsweise der Inhibitor stärker an das Enzym.

Da ein kompetitiver Inhibitor den prinzipiellen Ablauf der enzymkatalysierten Reaktion nicht beeinflusst, bleibt die Maximalgeschwindigkeit der Reaktion konstant. Es ist lediglich mehr Substrat nötig, um diese zu erreichen: Wenn die Konzentration des Substrats erhöht wird, verdrängt es den kompetitiven Inhibitor aus dem aktiven Zentrum. Dieses Verhalten wird durch die Erhöhung der Michaelis-Menten-Konstante K_M des Enzyms gegenüber dem Substrat deutlich.

Links: Schema zur Funktionsweise eines kompetitiven Inhibitors (E: Enzym, S: Substrat, I: Inhibitor, [E-S]: Konzentration des Enzym-Substrat-Komplexes; [E-I]: Konzentration des Enzym-Inhibitor-Komplexes; P: Produkt). Ein kompetitiver Inhibitor kann lediglich an das freie Enzym, nicht jedoch an den Enzym-Substrat-Komplex binden. Rechts: Michaelis-Menten-Kurve in Abwesenheit und Anwesenheit eines kompetitiven Inhibitors. Ein kompetitiver Inhibitor erhöht die Michaelis-Menten-Konstante Km, nicht jedoch die Maximalgeschwindigkeit.

Aus mathematischer Sicht steht dieser beobachtete K_M-Wert, der auch als apparenter K_M-Wert bezeichnet wird, mit der Inhibitorkonstante K_i in Zusammenhang, wobei [I] die Konzentration des Inhibitors ist:

$${\displaystyle K_{M}app=K_{M}*(1+{\frac {[I]}{K_{i}}})}$$

Beispiele für eine kompetitive Hemmung sind:

• Statine hemmen kompetitiv die HMG-CoA-Reduktase.
• Methotrexat hemmt kompetitiv die Dihydrofolatreduktase.
• Malonat hemmt kompetitiv die Succinatdehydrogenase.

• Berg et al., Stryer Biochemie, 7. Auflage, Springer, 2013