Die Geschwindigkeit vieler chemischer Reaktionen steigt mit zunehmender Substratkonzentration. Bei einer irreversiblen Enzymreaktion mit einem einzelnen Substrat nimmt mit steigender Substratkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit zu und nähert sich einem Maximalwert an.

Michaelis–Menten-Gleichung

Ausgehend von der Substratsättigung der Enzymreaktion formulierten der deutsche Biochemiker Leonor Michaelis und die kanadische Ärztin Maud Menten die Theorie des „Zwischenprodukts“: Das Enzym (E) bindet an das Substrat (S) und bildet ein instabiles Zwischenprodukt bzw. einen Komplex (ES), aus dem anschließend das Produkt (P) sowie freies Enzym (E) entstehen.

Die Beziehung zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration wurde aus dieser Theorie abgeleitet, d. h. die Michaelis–Menten-Gleichung:
ν = d[P]/dt = V_max[S]/(K_m+[S])

Diese Gleichung dient der Untersuchung der grundlegenden Kinetik verschiedener Faktoren, die die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen beeinflussen. Dabei bezeichnet v die Reaktionsgeschwindigkeit und die Enzymaktivität. [S] steht für die Substratkonzentration, V_max für die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, und K_m ist die Michaelis-Konstante, K_m = (k_-1+k₂) / k₁. Der Wert der Michaelis-Konstante entspricht der Substratkonzentration, bei der die Enzymreaktionsgeschwindigkeit die Hälfte der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit beträgt. K_m ist eine charakteristische Konstante des Enzyms. Ist die Geschwindigkeitskonstante k_-1 deutlich größer als k₂, nähert sich K_m der Dissoziationskonstante des Komplexes (ES) an. Somit beschreibt K_m die Affinität des Enzyms zum Substrat. Ein hoher K_m-Wert weist auf eine geringe Affinität zwischen E und S hin, ein niedriger K_m-Wert auf eine hohe Affinität.

Substratsättigung der Enzymreaktion

Abbildung 1. Michaelis–Menten-Sättigungskurve einer Enzymreaktion, die den Zusammenhang zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit zeigt.

Bei konstanter Enzymkonzentration ist die Beziehung zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit eine rechteckige Hyperbel. Bei niedriger Substratkonzentration ist der Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Anstieg der Substratkonzentration. Mit weiter zunehmender Substratkonzentration nimmt der Zuwachs der Reaktionsgeschwindigkeit allmählich ab. Schließlich erreicht die Reaktionsgeschwindigkeit ab einer bestimmten Substratkonzentration ein Maximum und steigt trotz weiterer Erhöhung der Substratkonzentration nicht weiter an.

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