Unter Enzyminhibition versteht man die Fähigkeit, die Aktivität eines Enzyms zu vermindern oder aufzuheben, ohne jedoch eine Denaturierung des Enzymproteins zu verursachen. Enzyminhibition wird hauptsächlich durch Veränderungen der chemischen Eigenschaften der essenziellen Gruppen des Enzyms hervorgerufen. Verbindungen, die eine Enzyminhibition bewirken, werden als Inhibitoren bezeichnet. Es ist zu beachten, dass Enzyminhibition von der Enzyminaktivierung zu unterscheiden ist und Inhibitoren sich ebenfalls von Denaturierungsmitteln unterscheiden. Die Enzyminhibition umfasst reversible und irreversible Inhibition.

Reversible Inhibition

Reversible Inhibition bezeichnet den vorübergehenden Verlust der Enzymaktivität, der durch die nicht-kovalente Bindung von Inhibitoren an Enzymproteine verursacht wird. Reversible Inhibitoren können durch physikalische Verfahren wie Dialyse entfernt werden und die Enzymaktivität kann teilweise oder vollständig wiederhergestellt werden. Zur reversiblen Inhibition zählen kompetitive, unkompetitive, nicht-kompetitive und gemischte Inhibition.

• Kompetitive Inhibition

Die chemische Struktur kompetitiver Inhibitoren ähnelt der von Substraten, sodass sie mit den Substraten konkurrieren und an die aktiven Zentren der Enzyme binden können. Bindet der kompetitive Inhibitor an das aktive Zentrum des Enzyms, wird das Substrat vom Reaktionszentrum verdrängt, was zur Hemmung der enzymatischen Reaktion führt. Eine kompetitive Inhibition kann in der Regel durch Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden, d. h. durch Steigerung der Konkurrenzfähigkeit des Substrats.

Abbildung 1. Schema der kompetitiven Inhibition.

• Nicht-kompetitive Inhibition

Enzyme können sowohl an Substrate als auch an nicht-kompetitive Inhibitoren binden, d. h. es besteht keine Konkurrenz zwischen Substraten und nicht-kompetitiven Inhibitoren. Nachdem das Enzym an den nicht-kompetitiven Inhibitor gebunden hat, kann es weiterhin an das Substrat binden, und nachdem das Enzym an das Substrat gebunden hat, kann es weiterhin an den nicht-kompetitiven Inhibitor binden. In diesem Fall können jedoch die Zwischenprodukte der enzymatischen Reaktion nicht weiter zu Produkten umgesetzt werden, sodass die Enzymaktivität abnimmt.

Abbildung 2. Schema der nicht-kompetitiven Inhibition.

Eine kompetitive Inhibition kann durch ausreichend hohe Substratkonzentrationen überwunden werden, d. h. indem der Inhibitor verdrängt wird. Allerdings steigt das scheinbare Km, da eine höhere Substratkonzentration erforderlich ist, um den Km-Punkt bzw. die halbe Vmax zu erreichen. Bei nicht-kompetitiver Inhibition sinkt Vmax, da die Reaktion nicht mehr mit gleicher Effizienz ablaufen kann, während Km unverändert bleibt, da die tatsächliche Substratbindung definitionsgemäß weiterhin ordnungsgemäß funktioniert.

Abbildung 3. Michaelis–Menten-Sättigungskurve einer Enzymreaktion, die den Zusammenhang zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit ohne Inhibitor, mit kompetitivem Inhibitor und mit nicht-kompetitivem Inhibitor zeigt.

• Unkompetitive Inhibition

Bei der unkompetitiven Inhibition bindet der Inhibitor ausschließlich an den Enzym-Substrat-Komplex. Diese Art der Inhibition führt zu einer Abnahme von Vmax und zu einer Abnahme von Km.

Abbildung 4. Schema der unkompetitiven Inhibition.

• Gemischte Inhibition

Bei der gemischten Inhibition kann der Inhibitor gleichzeitig mit dem Substrat des Enzyms an das Enzym binden. Die Bindung des Inhibitors beeinflusst jedoch die Bindung des Substrats und umgekehrt. Diese Art der Inhibition kann durch Erhöhung der Substratkonzentration reduziert, jedoch nicht vollständig überwunden werden.

Abbildung 5. Schema der gemischten Inhibition.

Irreversible Inhibition

Irreversible Inhibition bedeutet, dass der Inhibitor kovalent an eine funktionelle Gruppe des aktiven Zentrums des Enzyms bindet und dadurch die Enzymaktivität hemmt. Irreversible Inhibitoren können nicht durch physikalische Verfahren wie Dialyse entfernt werden, um die Enzymaktivität wiederherzustellen.

Irreversible Inhibitoren enthalten häufig reaktive funktionelle Gruppen wie Stickstoff-Lost (Nitrogen Mustards), Aldehyde, Halogenalkane, Alkene, Michael-Akzeptoren, Phenylsulfonate oder Fluorophosphonate. Diese elektrophilen Gruppen reagieren mit Aminosäure-Seitenketten unter Bildung kovalenter Addukte. Irreversible Inhibition unterscheidet sich von einer irreversiblen Enzyminaktivierung. Irreversible Inhibitoren sind in der Regel spezifisch für eine Enzymklasse und inaktivieren nicht alle Proteine; sie wirken nicht durch Zerstörung der Proteinstruktur, sondern durch gezielte Modifikation des aktiven Zentrums ihres Targets. Irreversible Inhibitoren zeigen eine zeitabhängige Hemmung; ihre Potenz kann daher nicht durch einen IC50-Wert charakterisiert werden. Dies liegt daran, dass die Menge an aktivem Enzym bei einer gegebenen Konzentration eines irreversiblen Inhibitors davon abhängt, wie lange der Inhibitor vorinkubiert wurde.

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