Schlüssel-Schloss-Prinzip

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 7. Februar 2017
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Das Schlüssel-Schloss-Prinzip beschreibt ein System aus komplementären Strukturen, die wie ein Schlüssel ins Schloss ineinandergreifen und mit dieser Komplexbildung bestimmte Körperprozesse auslösen. Das Prinzip wird auch als Hand-in-Handschuh-Prinzip oder Induced-fit-Konzept bezeichnet und spielt für alle Rezeptor-Substrat-Komplexe eine Rolle. Entscheidend ist das Prinzip auch für pathologische Prozesse wie Infektionen mit Viren.

Inhaltsverzeichnis

Was ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip?

Ein Schlüssel passt mit seinen Strukturen mit extremer Genauigkeit ins zugehörige Schloss. Sobald eine Zacke abgebrochen ist, öffnet sich die Tür nicht mehr. Die Rede ist in diesem Zusammenhang auch von Passgenauigkeit. Wie der Schlüssel ins Schloss passt, passen viele biologische Botenstoffe genau auf die Strukturen der dafür vorgesehenen Rezeptoren.

Das sogenannte Schlüssel-Schloss-Prinzip der Biologie bezieht sich im größeren Zusammenhang auf zwei oder mehrere Komplementärstrukturen mit räumlicher Passgenauigkeit zueinander. Diese Passgenauigkeit geht mit biochemischen Reaktionen einher.

Erstmals wurde das Schlüssel-Schloss-Prinzip 1894 von Emil Fischer beschrieben, der damals eine hypothetische Bindung von Enzymen und Substraten beschrieb. Die wechselwirksame Bindung zwischen Gast-Ligand und Rezeptor-Wirt ergibt in der Biologie und Biochemie einen Komplex mit einer gewissen Bindungsstärke, die auch als Affinität bekannt ist. Statt dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ist bei diesen Zusammenhängen mittlerweile auch vom Induced-fit-Konzept oder Hand-im-Handschuh-Prinzip die Rede. Gast-Liganden sind in den meisten Fällen nur durch bestimmte Teile ihrer Gesamtstruktur in der Komplexbildung wirksam. Ihre restlichen Strukturen sind in diesem Fall funktionell irrelevant für die Komplexbildung und die damit provozierten Effekte.

Funktion & Aufgabe

Das Schlüssel-Schloss-Prinzip spielt in der Biochemie und Biologie in gänzlich unterschiedlichen Zusammenhängen eine Rolle. In der Biochemie lösen Transmitter und Modulatoren durch die Bindung an einen Rezeptor biochemische Vorgänge aus, die von Arzneistoffen oder Drogen simuliert oder blockiert werden können. Für solche Bindungen spielt das Schlüssel-Schloss-Prinzip eine wesentliche Rolle.

In der Endokrinologie besteht wiederum eine Wechselwirkung zwischen Hormonrezeptoren und einzelnen Hormonen, die Signalketten auslöst und die Funktion der Zelle rückbeeinflusst. Auch in diesem Zusammenhang ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip relevant. Dasselbe gilt für den Bereich der Enzymologie, innerhalb derer Enzyme biochemische Reaktionen erleichtern. Dieser Prozess findet durch die Zusammenführung biogener Reaktanten statt. Die Enzyme lassen zwei wirksame Substanzen also einen Komplex nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip bilden. Das Enzym erlebt durch die Substratbindung Strukturveränderungen, die seine Effektivität als Katalysator an bestimmten Substraten noch erhöhen oder ermöglichen.

Das Schlüssel-Schloss-Prinzip beschreibt ein System aus komplementären Strukturen, die wie ein Schlüssel ins Schloss ineinandergreifen und mit dieser Komplexbildung bestimmte Körperprozesse auslösen. Entscheidend ist das Prinzip z.B. auch für pathologische Prozesse wie Infektionen mit Viren.

In der Immunologie ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip ebenso relevant. Innerhalb dieses Bereichs spielen Komplementstrukturen an der Grenze der Antigen-erkennenden und Antigen-präsentierenden Zellen zusammen. Dieses komplexe Zusammenspiel nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ist eine Voraussetzung der spezifischen Antigenerkennung.

Darüber hinaus spielt das Schlüssel-Schloss-Prinzip eine wesentliche Rolle für Zellen in Zellverbänden wie Geweben oder Organen. Diese Zellen sind an der Zelloberfläche mit Strukturen und deren komplementären Gegenstrukturen ausgestattet. Dieses Schlüsse-Schloss-Komplementärsystem ermöglicht die Kommunikation zwischen Zellen eines Gewebes und trägt zum strukturell funktionellen Zusammenhalt bei.

Auch die Immunzellen kommunizieren mithilfe des beschriebenen Komplementärsystems. Außerdem sind zirkulierende Immunzellen auf spezielle Oberflächenstrukturen angewiesen, damit sie von Ort zu Ort gelangen und wieder zurück zu ihrem Ausgangspunkt finden.

Mit einem ähnlichen Prinzip bewegen sich Spermien zur Eizelle. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip lässt sie Glykoproteine auf der Eizelloberfläche vorfinden, die sie in die Zelle eindringen lassen. Damit spielt das Prinzip im größeren Rahmen eine entscheidende Rolle für die menschliche Fortpflanzung und ist evolutionsbiologisch relevant.

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Krankheiten & Beschwerden

Nicht nur für natürliche Körperprozesse, sondern auch für pathologische Vorgänge im menschlichen oder tierischen Körper ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip entscheidend. Zum einen blockieren bestimmte Substanzen in Drogen und anderen Stoffen einzelne Rezeptoren nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. So schaltet Morphin zum Beispiel den Hustenreiz aus, indem seine Wirkstoffe passgenau an die für den Hustenreiz zuständigen Zellen im Nervensystem binden. Darüber hinaus wirkt die Substanz auf dieselbe Weise schmerzlindernd und bindet vor allem in der Großhirnrinde nach Schlüssel-Schloss-Prinzip an Schmerzrezeptoren. Durch die Bindung werden Schmerzreize nicht mehr weitergeleitet. Obwohl theoretisch also noch immer schmerzhafte Reize eingehen, werden sie nicht mehr verarbeitet und erreichen das Bewusstsein nicht mehr. Dieses Prinzip macht sich die Medizin zunutze, um Patienten mit akuten und chronischen Schmerzen zu behandeln, so zum Beispiel Krebspatienten.

Andererseits kann die Blockade von Nervenzelle nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip auch relevante Körperprozesse stören oder ausschalten und so negative Auswirkungen auf die Gesundheit eines Patienten zeigen.

Ebenso pathologisch ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip im Zusammenhang mit Viren. Diese Organismen besitzen bestimmte Komplementärstrukturen, die auch als Andockstellen bekannt sind. Die Andockstelle eines Virus ermöglicht ihm erst eine Infektion des jeweiligen Wirts.

Medizinische Relevanz hat das Hand-in-Handschuh-Prinzip außerdem innerhalb der medizinischen Diagnostik. Diagnostische Verfahren wie zum Beispiel die Typisierung von einzelnen Geweben im Rahmen einer Biopsie, die Diagnostik von Infektionen und der DNA-Nachweis oder die Blutgruppendiagnostik beruhen im Wesentlichen auf einem Nachweis mittels des Prinzips.

Zudem liegt vielen Stoffwechselerkrankungen eine Störung des Hand-in-Handschuh-Prinzips zugrunde. Das gilt zum Beispiel für die Form der Diabetes mellitus, bei der eine komplette Insulinresistenz vorliegt. Bei einer Insulinresistenz passt die "Hand" Insulin nicht mehr in den "Handschuh" Insulinrezeptor. Die Zellrezeptoren reagieren nicht mehr adäquat auf das Insulin und die Aufnahme von Zucker in die einzelnen Zellen findet nur noch in unzureichendem Maß statt.

Über diese Zusammenhänge hinaus spielt das Induced-fit-Konzept im medizinischen Alltag zum Beispiel für Impfungen, aber auch für Allergien eine bedeutende Rolle.

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