Enzymkinetik

Die Enzymkinetik, die die Geschwindigkeiten von enzymkatalysierten Reaktionen unter dem Einfluss verschiedener Faktoren untersucht, bietet ein enormes Potenzial für das Studium von Mechanismen und Funktionen enzymatischer Reaktionen. Zu den wichtigsten Faktoren, die die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen beeinflussen, gehören die Enzymkonzentration, die Konzentrationen von Liganden (Substrate, Produkte, Inhibitoren und Aktivatoren), das Lösungsmittel (Lösung, Ionenstärke und pH-Wert) sowie die Temperatur. Wenn all diese Faktoren richtig analysiert werden, kann man viel über die Natur von Enzymen lernen. Die kinetischen Untersuchungen einer enzymatischen Reaktion durch Variation der Ligandenkonzentrationen liefern kinetische Parameter, die für das Verständnis des kinetischen Mechanismus der biochemischen Reaktion unerlässlich sind. Das Studium der Kinetik eines Enzyms kann den katalytischen Mechanismus dieses Enzyms, seine Rolle im Stoffwechsel, die Kontrolle seiner Aktivität und die Wirkung eines Medikaments oder Agonisten auf die Hemmung des Enzyms aufzeigen.

Substratkonzentrationseffekt

Die Geschwindigkeit vieler chemischer Reaktionen steigt mit zunehmender Substratkonzentration. Bei einer irreversiblen Enzymreaktion mit nur einem Substrat nimmt die Geschwindigkeit der Enzymreaktion mit steigender Substratkonzentration zu und nähert sich einem Maximalwert. Basierend auf der Sättigung des Substrats bei der enzymatischen Reaktion wurde von der deutschen Biochemikerin Leonor Michaelis und dem kanadischen Arzt Maud Menten die Theorie des „Zwischenprodukts“ aufgestellt: Das Enzym (E) bindet an das Substrat (S) und bildet ein instabiles Zwischenprodukt oder Komplex (ES), das anschließend das Produkt (P) und das freie Enzym (E) erzeugt. Die Beziehung zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration wurde durch diese Theorie abgeleitet, nämlich die Michaelis-Menten-Gleichung.

Enzymkonzentrationseffekt

Ist die Substratkonzentration im Reaktionssystem ausreichend hoch, ist die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion proportional zur Enzymkonzentration. Die Menge des in einer Reaktion vorhandenen Enzyms wird durch die von ihm katalysierte Aktivität gemessen. Die Beziehung zwischen Aktivität und Konzentration wird von vielen Faktoren wie Temperatur, pH-Wert usw. beeinflusst. Ein Enzymtest muss so gestaltet sein, dass die beobachtete Aktivität proportional zur vorhandenen Enzymmenge ist, damit die Enzymkonzentration der einzige begrenzende Faktor ist.

Enzymhemmungseffekt

Jede Substanz, die die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion verringern kann, aber keine Denaturierung und Inaktivierung des Enzyms verursacht, wird zusammenfassend als Enzyminhibitor bezeichnet. Je nach Hemmwirkung der Inhibitoren werden sie in zwei Kategorien unterteilt: irreversible Inhibitoren und reversible Inhibitoren. Irreversible Hemmung wird durch die kovalente Bindung von Inhibitoren an essentielle Gruppen des Enzyms verursacht. Einfache Methoden wie Dialyse können die Enzymaktivität nicht wiederherstellen. Reversible Hemmung wird durch die nicht-kovalente Bindung von Inhibitoren an Enzyme verursacht. Einfache Methoden wie Dialyse können zur Wiederherstellung der Enzymaktivität verwendet werden. Reversible Hemmung umfasst kompetitive, unkompetitive und nicht-kompetitive Hemmung.

Temperatureffekt

Im Allgemeinen steigt die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion mit zunehmender Temperatur, aber wenn die Temperatur einen bestimmten Punkt überschreitet, sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der thermischen Denaturierung des Enzyms schnell ab. Die Temperatur, bei der die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion ihr Maximum erreicht, wird als optimale Temperatur des Enzyms bezeichnet. Die optimale Temperatur des Enzyms hängt von den experimentellen Bedingungen ab und ist daher keine charakteristische Konstante des Enzyms.

pH-Effekt

Die Konzentration der Wasserstoffionen im Reaktionsmedium beeinflusst ebenfalls stark die Aktivität des Enzyms. Das Enzym zeigt oft innerhalb eines bestimmten pH-Bereichs die maximale Aktivität, und der pH-Wert, bei dem das Enzym die maximale Aktivität zeigt, ist der optimale pH-Wert des Enzyms. Im optimalen pH-Bereich ist die Geschwindigkeit der Enzymreaktion am höchsten, andernfalls nimmt die Geschwindigkeit der Enzymreaktion ab.

Enzyme bewirken nicht das Stattfinden von Reaktionen, sondern beschleunigen die Geschwindigkeit, mit der Reaktionen ablaufen. Jede chemische Reaktion, die in Anwesenheit eines Enzyms abläuft, kann auch in Abwesenheit des Enzyms ablaufen, jedoch mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit. Enzyme katalysieren die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie der Reaktion senken, und sie tun dies auf eine Weise, die hochspezifisch für die Reaktanten der Reaktion ist. Schon früh wurde bei der Erforschung der Enzymwirkung erkannt, dass sinnvolle Studien zur Enzymwirkung notwendigerweise das Studium des kinetischen Verhaltens der chemischen Reaktion in Anwesenheit des entsprechenden Enzyms beinhalten. Es gilt nach wie vor, dass das Verständnis des kinetischen Verhaltens der enzymkatalysierten Reaktion auch ein umfassendes Verständnis des Mechanismus der Enzymreaktion ermöglicht. Dies erfordert die Untersuchung des kinetischen Verhaltens der Enzymreaktion unter genau definierten Bedingungen. Die beiden wichtigsten kinetischen Eigenschaften eines Enzyms sind, wie leicht das Enzym mit einem bestimmten Substrat gesättigt wird, und die maximale Geschwindigkeit, die es erreichen kann. Das Wissen um diese Eigenschaften gibt Hinweise darauf, welche Funktion ein Enzym in der Zelle haben könnte und zeigt, wie das Enzym auf Veränderungen dieser Bedingungen reagiert.

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