Steuerung der Enzymaktivität durch negative Rückkopplung
– eine Abituraufgabe

Vorbemerkungen:

Tierisches Eiweiß ist reich an Lysin, pflanzliches Eiweiß enthält nur geringe Mengen. Setzt man Pflanzenfutter von geringer biologischer Wertigkeit Lysin zu, so erhält man hochwertiges Futter. Für diesen Zweck wird Lysin biotechnisch hergestellt.

Brevibacterium flavum stellt die Aminosäuren Lysin, Threonin und Methionin nach dem abgebildeten Stoffwechselweg her. Zwei der beteiligten Enzyme sind angegeben ( Kreise ). Aspartatkinase wird durch Lysin und Threonin gehemmt.

Es gibt eine Doppelmutante, die keine funktionsfähige Homoserin-Dehydrogenase bilden kann und bei der die Aspartatkinase so verändert ist, dass sie noch aktiv ist, durch Lysin aber nicht mehr gehemmt wird.

 

Quelle : Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie, Biotechnologie / Gentechnik, Textheft, Frankfurt 1996

1. Erläutern Sie die Funktionsweise der negativen Rückkopplung beim Wildtyp. Warum
   kann man mit Hilfe des Wildtyps biotechnologisch kein Lysin produzieren ?
2. Skizzieren Sie ein Modell der Aspartatkinase mit allen Passstellen und den dazugehörigen
   Molekülen und erläutern Sie, welche Vorgänge bei der jeweiligen Anlagerung ablaufen.
3. Warum kann man mit Hilfe der Doppelmutante Lysin in großen Mengen produzieren ?
   Warum überlebt die Doppelmutante in der Natur nicht ?

Im Unterricht wurden Bau und Funktion von Proteinen, speziell von Enymen, besprochen. Auf kompetitive und allosterische Hemmung, sowie auf die negative Rückkopplung als Regulation von Synthesewegen wurde eingegangen. Die Lösung der Aufgaben verlangt Transferleistungen mit kleineren reproduktiven und problemlösenden Anteilen.

Zu a.

Es soll erläutert werden, dass bei einem Überschuss an Lysin oder Threonin (aus der Synthese oder aus der Nahrung) die Aspartatkinase gehemmt wird und die Zelle Ressourcen schont. Werden die Aminosäuren bei der Proteinsynthese verbraucht, geht die Hemmung zurück und die Synthese setzt wieder ein.

Die Regulation verhindert wirkungsvoll eine Überproduktion der Produkte.

Zu b.

Die Skizze der Aspartatkinase (eigentlich Isoenzyme) weist neben dem aktiven Zentrum noch zwei Stellen auf, an denen eine allosterische Hemmung möglich ist. Das Modell der Asparaginsäure (Substrat) muss zum aktiven Zentrum passen, an dem es zu Phosphoasparaginsäure (Produkt) verarbeitet wird. Die Symbole für Lysin und Threonin entsprechen je einer allosterischen Passstelle; wenn sie sich anlagern, verändert sich die Tertiärstruktur des Enzyms und die Aktivität sinkt.

Zu c.

Beide Regulationsmöglichkeiten entfallen bei der Doppelmutante: die durch Lysin, weil die Passstelle verändert ist und die durch Threonin, weil es nicht mehr synthetisiert werden kann.

Fehlen Threonin und Methionin in der Nahrung, so kann die Doppelmutante nicht überleben.