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Enzymaktivität und katalytische Effizienz


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Die Aktivität eines Enzyms ist ein Maß dafür wie schnell Substrat zu einem Produkt umgeschlagen wird. Die als solche hängt von der Menge des und von seiner Effizienz ab so dass Vorteil normierte Größen verwendet werden; diese sollen eingeführt werden.

Die Enzymaktivität in Lösung bzw. in Gewebeextrakt kann über eine geeignete Umsetzungsreaktion bestimmt ( Enzymkinetik ). Diese Messung erfordert Kenntnis über:

  • die Stöchiometrie des Umsatzes
  • die Gleichgewichtslage der Reaktion
  • die Erfordernis von Kofaktoren (Metallionen Coenzyme )
  • die Michaeliskonstanten d.h. Km-Werte ( Affinitätsparameter ) für Substrat(e) und Kofaktoren
  • das pH -Optimum
  • eine möglichst direkten Versuchsansatz basierend auf Verschwinden des Substrates (" S-Fall ") oder Entstehen des Produktes (" P-Fall ")
  • die Stabilität des Enzyms unter den des Tests

Wann immer möglich erfolgt der Test Substrat- und Kofaktorsättigung (Reaktionsordnung 0 bezogen auf am optimalen pH-Wert und (definitionsgemäß) bei 25 Unter diesen Bedingungen ist die Reaktions-Anfangsgeschwindigkeit ein der Enzymkonzentration.

Die Anfangsgeschwindigkeit einer enzymatischen Umsetzung ergibt sich die Steigung der Tangente an den Ursprung (t = 0 = 0) denn nur hier entspricht die noch dem eingesetzten Wert [So] ( Enzymkinetik . Das korrekte Legen einer Tangente ist den Experimentator die Hauptschwierigkeit bei enzymkinetischen Messungen bestimmt häufig den Ausgang des Versuchs (siehe Fließgleichgewicht ).

Zumeist ist die Messung der Produktentstehung P-Fall ") genauer durchzuführen als die des Substratumsatzes S-Fall ") denn bei Sättigung stellt sich letztere kleine Differenz großer Werte dar. Reaktionsprodukte misst durch Trennverfahren chemische Nachweisverfahren spektroskopische oder fluorimetrische Die spektroskopischen Verfahren ermöglichen eine kontinuierliche Registrierung Substratumsatzes und sind - wenn anwendbar - vorzuziehen.

Inhaltsverzeichnis

Einheiten der Enzymaktivität

Zwei Systeme zur Angabe von Enzymaktivitäten gängig:
  • die klassische 1961 eingeführte " enzyme unit " definiert als diejenige Enzymmenge die unter je min ein mol Substrat umsetzt (sie sich bei Enzymologen hartnäckig: reine Enzyme haben dieser Skala gut fassbare spezifische Aktivitäten etwa zwischen 5 und 500 units/mg.
  • Die 1972 definierte SI-Einheit " katal " (Symbol " kat ") das ist die Enzymaktivität ausgedrückt als umgesetztes Substrat je sec.

Die beiden Systeme sind folgendermaßen miteinander

  • 1 kat = 6 . 10 7 enzyme units
  • 1 enzyme unit = 16 67 10 -9 kat = 16 67 nkat

Im Allgemeinen wird man zunächst die in einer bestimmten Menge der Lösung (d.h. Volumenaktivität ) bestimmen; kennt man die Proteinkonzentration der so lässt sich hieraus die spezifische Aktivität errechnen. Der aussagekräftigste Parameter die turnover number Wechselzahl oder molare Aktivität erfordert darüber hinaus Kenntnisse über die Masse des Enzyms und i.A. eine reine Die Wechselzahl bezeichnet dann die Zahl der die durch das Enzym je Sekunde umgeschlagen und bewegt sich zwischen etwa 0 5 mehreren Millionen (Katalase).

Katalytische Effizienz: Das Wechselspiel aus Aktivität Affinität

Enzymaktivitäten werden unter " Sättigungsbedingungen " gemessen wobei die Substratkonzentrationen den K m -Wert stark überschreitet. In der [[Michaelis-Menten-Theorie |

kann unter diesen Bedingungen ([S]>> K m ) K m im Nenner vernachlässigt werden womit sich zu V max ergibt.

Da die meisten Enzyme unter physiologischen nicht mit Substrat gesättigt sind wird unter Bedingungen auch nicht die maximale Umsatzgeschwindigkeit V max sondern nur ein Wert v = 2 x[ES] erreicht (vergl. Fließgleichgewicht Gleichung 2). Damit stellt sich die nach einem sinnvollen Effizienzparameter. Diese ergibt sich wenn man annimmt dass nun [S] << m wird und jetzt seinerseits im Nenner Michaelis-Menten Gleichung vernachlässigbar wird: v = (V max /K m ) x [S]. Berücksichtigt man ferner dass max als k 2 x E 0 definiert ist so folgt

Bei Substratkonzentrationen weit unter dem K m Wert hängt die enzymatische Umsatzgeschwindigkeit also Quotienten k 2 /K m ab (sog. "k cat über K m -Kriterium"): je höher die Wechselzahl und je die Affinität (d.h. je kleiner der K m Wert) eines Enzyms für sein Substrat desto größer ist seine katalytische Effizienz. Eine Abschätzung dieses Parameters ergibt sich durch Anlegen einer Tangente den Ursprung einer Sättigungshyperbel denn deren Steigung entspricht V max /K m oder bei entsprechender Skalierung k cat / K m .

Welches sind die physikalischen Grenzen für cat / K m ?

k cat kann zwangsläufig die Entstehungsrate des ES-Komplexes überschreiten und hierfür ist die Diffusionsgeschwindigkeit (10 8 - 10 9 [mol -1 sec -1 ]) limitierend. Um die Effizienz dennoch steigern können entstanden im Verlaufe der Evolution Multienzymkomplexe wodurch Substrate und Produkte auf das Volumen eines multifunktionellen Proteins beschränkt werden.

Beispiele

Die höchste katalytische Effizienz haben Katalase (Zerlegung des Zellgiftes Wasserstoffperoxid) Acetylcholinesterase (schnelle und Carboanhydrase (Freisetzen von Kohlenstoffdioxid in der Einige Zahlenangaben finden sich unter Wechselzahl .

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