Enzyme sind essenziell für Stoffwechselprozesse in Körper, Pflanzen und Industrie, doch etwa 20 Prozent von ihnen verlangsamen oder stoppen ihre Arbeit bei zu hoher Belastung – ein Phänomen, das als Substratinhibierung bekannt ist. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben nun erstmals den Mechanismus dieser Hemmung entschlüsselt und entdeckt, dass Beta-Carotin sie abschwächen kann. Die Erkenntnisse könnten die Wirkung von Medikamenten verbessern und industrielle Prozesse effizienter machen.

Enzyme sind unverzichtbar, sei es bei der Verdauung, der Herstellung fluffiger Brote oder der Reinigung von Kleidung. Normalerweise steigt ihre Aktivität mit der Menge der zu verarbeitenden Moleküle. Doch bei Substratinhibierung führt eine zu hohe Molekülkonzentration zu einer verlangsamten oder gestoppten Reaktion. Dies kann die Wirkung von Medikamenten mindern oder die Effizienz in der Lebensmittelherstellung und industriellen Reinigung beeinträchtigen. Bisher war unklar, wie dieser Mechanismus genau funktioniert, obwohl vermutet wird, dass er der Zellregulation dient.

Das Team um Professor Wilfried Schwab, Inhaber des Lehrstuhls für Biotechnologie der Naturstoffe, untersuchte ein Enzym der Tabakpflanze, das Abwehrstoffe (Phenole) durch die Bindung von Zuckermolekülen in Schutzstoffe gegen Schädlinge oder Krankheiten umwandelt. Die Studie ergab, dass die Reihenfolge des Andockens entscheidend ist: Bindet zuerst das Zuckermolekül und dann das Phenol, arbeitet das Enzym effektiv. Docken jedoch zu viele Phenole zuerst an, tritt Substratinhibierung auf, und die Umwandlung stockt – ein Effekt, der mit steigender Phenolkonzentration zunimmt.

Eine weitere bahnbrechende Entdeckung: Beta-Carotin kann die Substratinhibierung abschwächen. Es konkurriert mit den Phenolen um die gleichen Bindungsstellen am Enzym und verhindert so, dass zu viele Phenole zuerst andocken. Dadurch bleibt das Enzym aktiv. Die Forschenden bauten auf früheren Hinweisen auf, waren jedoch überrascht, wie effektiv Beta-Carotin wirkt. Dennoch betonen sie, dass Beta-Carotin kein Allheilmittel ist – die richtige Balance ist entscheidend, um die Enzymfunktion zu optimieren.

Die Erkenntnisse eröffnen neue Forschungswege, die langfristig die Medikamentenentwicklung, Lebensmittelherstellung und industrielle Prozesse verbessern könnten. Die Studie zeigt, wie gezielte molekulare Ansätze die Effizienz von Enzymen steigern und unerwünschte Hemmungen verhindern können, was weitreichende Anwendungen in Biotechnologie und Medizin verspricht.

Original Paper:

β-Carotene alleviates substrate inhibition caused by asymmetric cooperativity | Nature Communications

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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