Het lock-and-key-principe beschrijft een systeem van complementaire structuren die in elkaar grijpen als een sleutel in een slot en bepaalde lichaamsprocessen activeren met deze complexe formatie. Het principe staat ook bekend als het hand-in-handschoenprincipe of induced-fit concept en speelt een rol bij alle receptorsubstraatcomplexen. Het principe is ook cruciaal voor pathologische processen zoals infecties met virussen.
Wat is het lock-and-key-principe?
Het 'lock-and-key'-principe beschrijft een systeem van complementaire structuren die als een sleutel in een slot in elkaar grijpen en bepaalde lichaamsprocessen met deze complexe formatie in gang zetten. Het principe is ook bepalend voor bijvoorbeeld pathologische processen zoals infecties met virussen Een sleutel past met zijn structuren met uiterste nauwkeurigheid in het bijbehorende slot. Zodra een tand is afgebroken, gaat de deur niet meer open. In deze context ook praten over de nauwkeurigheid van de pasvorm. Net zoals de sleutel in het slot past, passen veel biologische boodschappersubstanties precies in de structuren van de receptoren die ervoor zorgen. In de grotere context verwijst het zogenaamde lock-and-key-principe van de biologie naar twee of meer complementaire structuren die ruimtelijk bij elkaar passen. Deze pasvorm wordt geassocieerd met biochemische reacties. Het 'lock-and-key'-principe werd voor het eerst beschreven in 1894 door Emil Fischer, die destijds een hypothetische binding beschreef van enzymen en ondergronden. In de biologie en biochemie resulteert de interactieve binding tussen gastligand en receptorgastheer in een complex met een bepaalde binding sterkte, ook wel affiniteit genoemd. In plaats van het 'lock-and-key'-principe worden deze relaties nu ook wel het induced-fit-concept of hand-in-handschoen-principe genoemd. In de meeste gevallen zijn gastliganden alleen effectief bij complexvorming via bepaalde delen van hun algehele structuur. In dit geval zijn hun resterende structuren functioneel niet relevant voor complexvorming en de effecten die erdoor worden veroorzaakt.
Functie en taak
Het lock-and-key-principe speelt een rol in de biochemie en biologie in totaal verschillende contexten. In de biochemie activeren transmitters en modulatoren, door zich te binden aan een receptor, biochemische processen die kunnen worden gesimuleerd of geblokkeerd door drugs of farmaceutica. Bij dergelijke bindingen speelt het slot-en-sleutelprincipe een essentiële rol. In endocrinologieAan de andere kant is er een interactie tussen hormoonreceptoren en individu hormonen dat signaalketens triggert en een feedbackeffect heeft op de celfunctie. In dit verband is ook het lock-and-key-principe relevant. Hetzelfde geldt voor de enzymologie, waarbinnen enzymen vergemakkelijken biochemische reacties. Dit proces vindt plaats door biogene reactanten bij elkaar te brengen. Enzymen laat zo twee werkzame stoffen een complex vormen volgens het lock-and-key-principe. Het enzym ondergaat structurele veranderingen als gevolg van substraatbinding, die zijn effectiviteit als katalysator op bepaalde substraten verder versterken of mogelijk maken. In de immunologie is het 'lock-and-key'-principe even relevant. Binnen dit domein werken complementstructuren samen op de grens van antigeen-herkende en antigeen-presenterende cellen. Deze complexe interactie volgens het lock-and-key-principe is een voorwaarde voor specifieke antigeenherkenning. Bovendien speelt het lock-and-key-principe een essentiële rol voor cellen in celassemblages zoals weefsels of organen. Deze cellen zijn uitgerust met structuren en hun complementaire tegenstructuren op het celoppervlak. Dit complementaire systeem van slot en sleutel maakt communicatie tussen cellen in een weefsel mogelijk en draagt bij aan structurele functionele cohesie. Immuuncellen communiceren ook met behulp van het beschreven complementaire systeem. Bovendien zijn circulerende immuuncellen afhankelijk van speciale oppervlaktestructuren om van plaats naar plaats te kunnen bewegen en de weg terug te vinden naar hun startpunt. Sperma cellen gebruiken een soortgelijk principe om naar de eicel te gaan. Door het 'lock-and-key'-principe kunnen ze glycoproteïnen vinden op het oppervlak van de eicel, waardoor ze de cel kunnen binnendringen. Op grotere schaal speelt het principe dus een cruciale rol bij de menselijke voortplanting en is het relevant in de evolutiebiologie.
Ziekten en kwalen
Niet alleen voor natuurlijke lichaamsprocessen, maar ook voor pathologische processen in het menselijk of dierlijk lichaam is het lock-and-key-principe cruciaal. Om te beginnen zitten bepaalde stoffen in drugs en andere stoffen blokkeren individuele receptoren volgens het lock-and-key-principe. Morfineschakelt bijvoorbeeld de hoestprikkel uit door zijn actieve ingrediënten precies te laten binden aan de cellen in de zenuwstelsel verantwoordelijk voor de hoestprikkel. Bovendien heeft de stof op dezelfde manier een pijnstillende werking en bindt zich aan pijn receptoren, met name in de hersenschors, volgens het lock-and-key-principe. Als gevolg van de binding, pijn stimuli worden niet langer overgedragen. Dus hoewel pijnlijke prikkels theoretisch nog steeds worden ontvangen, worden ze niet langer verwerkt en bereiken ze niet langer het bewustzijn. De geneeskunde maakt gebruik van dit principe om patiënten met acuut en chronisch te behandelen pijn, zoals kanker patiënten. Anderzijds kan het blokkeren van zenuwcellen volgens het lock-and-key-principe ook relevante lichamelijke processen verstoren of uitschakelen en zo negatieve effecten vertonen op de patiënt. volksgezondheid Het lock-and-key-principe is even pathologisch in de context van virussen Deze organismen hebben bepaalde complementaire structuren, ook wel aanmeerplaatsen genoemd. Het is de koppelingssite van een virus waarmee het zijn host kan infecteren. Het hand-in-handschoenprincipe is ook van medisch belang bij medische diagnostiek. Diagnostische procedures zoals het typeren van individuele weefsels als onderdeel van een biopsie, de diagnose van infecties en DNA-detectie of bloed groepsdiagnostiek is in wezen gebaseerd op detectie volgens het principe. Bovendien zijn veel stofwisselingsziekten gebaseerd op een verstoring van het hand-in-handschoenprincipe. Dit geldt bijvoorbeeld voor de vorm van suikerziekte mellitus waarin er compleet is insuline weerstand. In insuline weerstand, past de “hand” insuline niet meer in de “handschoen” insulinereceptor. De celreceptoren reageren niet meer adequaat op insuline en de opname van suiker in de individuele cellen komt slechts in onvoldoende mate voor. Naast deze verbanden speelt het induced-fit-concept een belangrijke rol in de dagelijkse medische praktijk, bijvoorbeeld bij vaccinaties, maar ook bij allergieën.
