Zwei ALS-Hemmer im Vergleich: Hemmtyp, Ki und Resistenz durch Genamplifikation
Ein Wirkstoffprüflabor testet zwei neue Herbizidkandidaten, die beide die Acetolactat-Synthase (ALS) hemmen, ein Enzym der verzweigtkettigen Aminosäurebiosynthese in Pflanzen. Gemessen wird die Umsatzrate mit Pyruvat als Substrat bei 25 °C. Ohne Inhibitor gilt Km = 0,20 mmol/l und vmax = 100 nmol min⁻¹ mg⁻¹ Protein. Mit 10 µmol/l des Kandidaten A werden Km = 0,60 mmol/l und vmax = 100 nmol min⁻¹ mg⁻¹ gemessen; mit 10 µmol/l des Kandidaten B bleiben Km = 0,20 mmol/l, während vmax auf 38 nmol min⁻¹ mg⁻¹ sinkt. In einem Gewächshaus wird zusätzlich ein resistenter Biotyp einer Ackerfuchsschwanz-Population gefunden: Sein Enzym zeigt Km = 0,20 mmol/l bei vmax = 400 nmol min⁻¹ mg⁻¹, weil das ALS-Gen amplifiziert ist, also mehr Enzymmoleküle gebildet werden. Der Betrieb will den resistenten Bestand mit Kandidat A in doppelter Aufwandmenge behandeln. Für die Zulassung ist außerdem die Wirkung auf Nichtzielorganismen zu bewerten.
1. Bestimmen Sie für die Kandidaten A und B den Hemmtyp und begründen Sie die Entscheidung mit den Messwerten. Berechnen Sie für A die Inhibitorkonstante Ki.
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Kandidat A: Km steigt von 0,20 auf 0,60 mmol/l, vmax bleibt bei 100. Das ist eine kompetitive Hemmung. Der Inhibitor besetzt die Substratbindungsstelle; bei hoher Pyruvatkonzentration wird er verdrängt, die Sättigungsrate vmax wird also weiterhin erreicht, die scheinbare Substrataffinität sinkt aber (Km steigt auf das Dreifache).
Kandidat B: vmax sinkt auf 38, Km bleibt unverändert. Das ist eine nichtkompetitive Hemmung: Der Inhibitor bindet unabhängig vom Substrat und senkt die Zahl funktionsfähiger Enzyme, ohne die Affinität zum Substrat zu verändern.
Berechnung von Ki für A über die Beziehung Km_app = Km · (1 + [I]/Ki):
0,60 = 0,20 · (1 + 10/Ki) → 3 = 1 + 10/Ki → 2 = 10/Ki → Ki = 5 µmol/l.
Bei der eingesetzten Konzentration von 10 µmol/l liegt also die doppelte Ki-Konzentration vor – das erklärt den auf das Dreifache erhöhten scheinbaren Km-Wert. Für eine Feldanwendung müsste die Wirkstoffkonzentration am Zielenzym deutlich über Ki liegen.
2. Erklären Sie am Beispiel einer Hemmung um 75 % (bezogen auf die unbehemmte Umsatzrate), warum der resistente Biotyp mit vmax = 400 gegenüber beiden Kandidaten im Vorteil ist. Leiten Sie ab, was das für die Bewertung der Resistenz bedeutet.
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Wildtyp: 100 Einheiten unbehemmt; bei 75 % Hemmung bleiben 25 Einheiten. Resistenter Biotyp: 400 Einheiten; bei gleicher prozentualer Hemmung bleiben 100 Einheiten – also genau die Kapazität des unbehemmten Wildtyps.
Der Biotyp muss also nicht weniger stark gehemmt werden; die vierfache Enzymmenge genügt, damit der Restumsatz über dem Schwellenwert bleibt, den die Pflanze für die Aminosäureversorgung benötigt. Voraussetzung ist, dass die Hemmung fraktional bleibt, also der Anteil gebundener Enzymmoleküle von der freien Wirkstoffkonzentration abhängt und nicht von der Enzymmenge.
Für A (kompetitiv) und B (nichtkompetitiv) gilt das gleiche Prinzip: Beide senken die Umsatzrate um einen konzentrationsabhängigen Anteil. Deshalb ist eine Resistenz durch Genamplifikation nicht wirtsstoffspezifisch – sie wirkt gegen jeden Inhibitor desselben Zielenzyms. Ein Wechsel von A zu B innerhalb der ALS-Hemmer ist damit kein Resistenzmanagement. Nötig ist ein Wirkstoff mit anderem Zielenzym, ergänzt durch ackerbauliche Maßnahmen.
3. Beurteilen Sie den Plan des Betriebs, den resistenten Bestand mit doppelter Aufwandmenge von A zu behandeln, und schlagen Sie ein begründetes Vorgehen vor.
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Beurteilung: Die Verdopplung hilft nicht, weil die Resistenz nicht auf einer zu geringen Wirkstoffkonzentration am Zielort beruht, sondern auf einer erhöhten Menge des Zielproteins. Die Dosis-Wirkungs-Beziehung ist bei diesem Mechanismus verschoben; im oberen Bereich ist der zusätzliche Effekt gering, während Kosten, Kulturverträglichkeit und Abdriftrisiko steigen. Gleichzeitig erhöht die hohe Dosis den Selektionsdruck auf Individuen mit noch stärkerer Amplifikation. Rechtlich ist die Überschreitung der zugelassenen Aufwandmenge unzulässig (Pflanzenschutzgesetz, Zulassung, gute fachliche Praxis).
Begründetes Vorgehen:
- Resistenzmechanismus molekular bestätigen – eine Zielstellenmutation wäre durch höhere Dosis teilweise überwindbar (auf Kosten der Kultur), eine Amplifikation nicht.
- Wirkstoffwechsel zu einer anderen Wirkklasse mit anderem Zielenzym, ggf. als Partnerprodukt.
- ALS-Hemmer auf dieser Fläche mehrere Jahre meiden.
- Samenbildung des resistenten Bestands verhindern (Schröpfen, späte Bodenbearbeitung), Fruchtfolge, Reinigung der Geräte.
- Erfolg dokumentieren und die Fläche weiter beobachten.