Enzymkinetik

Die Enzymkinetik, die die Geschwindigkeiten enzymkatalysierter Reaktionen in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren untersucht, bietet ein erhebliches Potenzial für die Aufklärung von Enzymreaktionsmechanismen und -funktionen. Zu den wesentlichen Faktoren, die die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen beeinflussen, zählen die Enzymkonzentration, die Konzentrationen von Liganden (Substrate, Produkte, Inhibitoren und Aktivatoren), das Lösungsmittel bzw. Reaktionsmedium (Zusammensetzung der Lösung, Ionenstärke und pH-Wert) sowie die Temperatur. Werden diese Faktoren sachgerecht analysiert, lassen sich weitreichende Erkenntnisse über die Eigenschaften von Enzymen gewinnen. Kinetische Untersuchungen einer enzymatischen Reaktion durch Variation der Ligandenkonzentrationen liefern kinetische Parameter, die für das Verständnis des kinetischen Mechanismus der biochemischen Reaktion essenziell sind. Die Untersuchung der Enzymkinetik kann den katalytischen Mechanismus eines Enzyms, seine Rolle im Stoffwechsel, die Regulation seiner Aktivität sowie die Art und Weise aufzeigen, wie ein Arzneistoff oder ein Agonist das Enzym inhibieren könnte.

Einfluss der Substratkonzentration

Die Geschwindigkeit vieler chemischer Reaktionen steigt mit zunehmender Substratkonzentration. Bei einer irreversiblen Enzymreaktion mit einem einzelnen Substrat nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Substratkonzentration zu und nähert sich einem Maximalwert an. Auf Grundlage der Substratsättigung der enzymatischen Reaktion 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 Produkt (P) und freies Enzym (E) entstehen. Aus dieser Theorie wurde die Beziehung zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration abgeleitet, d. h. die Michaelis-Menten-Gleichung.

Einfluss der Enzymkonzentration

Wenn die Substratkonzentration im Reaktionssystem ausreichend hoch ist, ist die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion proportional zur Enzymkonzentration. Die in einer Reaktion vorhandene Enzymmenge wird über die von ihr katalysierte Aktivität bestimmt. Die Beziehung zwischen Aktivität und Konzentration wird durch zahlreiche Faktoren wie Temperatur, pH-Wert usw. beeinflusst. Ein Enzymassay muss so konzipiert sein, dass die beobachtete Aktivität proportional zur vorhandenen Enzymmenge ist, sodass die Enzymkonzentration der einzige limitierende Faktor ist.

Einfluss der Enzyminhibition

Als Enzyminhibitor wird jede Substanz bezeichnet, die die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion reduziert, ohne eine Denaturierung und Inaktivierung des Enzyms zu verursachen. In Abhängigkeit von der Hemmwirkung werden Inhibitoren in zwei Kategorien eingeteilt: irreversible und reversible Inhibitoren. Eine irreversible Hemmung wird durch die kovalente Bindung des Inhibitors an essenzielle Gruppen des Enzyms verursacht. Einfache Verfahren wie Dialyse können die Enzymaktivität nicht wiederherstellen. Eine reversible Hemmung beruht auf der nicht-kovalenten Bindung des Inhibitors an das Enzym. Einfache Verfahren wie Dialyse können zur Wiederherstellung der Enzymaktivität eingesetzt werden. Zur reversiblen Hemmung zählen kompetitive, unkompetitive und nichtkompetitive Hemmung.

Einfluss der Temperatur

Allgemein steigt die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen mit zunehmender Temperatur; erreicht die Temperatur jedoch einen bestimmten Punkt, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der thermischen Denaturierung des Enzyms rasch ab. Die Temperatur, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht, wird als optimale Temperatur des Enzyms bezeichnet. Die optimale Temperatur ist von den experimentellen Bedingungen abhängig und stellt daher keine charakteristische Konstante des Enzyms dar.

Einfluss des pH-Werts

Die Wasserstoffionenkonzentration im Reaktionsmedium beeinflusst die Enzymaktivität ebenfalls in hohem Maße. Ein Enzym zeigt häufig innerhalb eines bestimmten pH-Bereichs seine maximale Aktivität; der pH-Wert, bei dem die maximale Aktivität erreicht wird, wird als optimaler pH-Wert des Enzyms bezeichnet. Im optimalen pH-Bereich ist die Enzymreaktionsgeschwindigkeit am höchsten; außerhalb dieses Bereichs nimmt sie ab.

Enzyme bewirken nicht, dass Reaktionen stattfinden; sie erhöhen die Geschwindigkeit, mit der Reaktionen ablaufen. Jede chemische Reaktion, die in Anwesenheit eines Enzyms abläuft, wird auch in Abwesenheit des Enzyms ablaufen, jedoch mit deutlich geringerer Geschwindigkeit. Enzyme katalysieren chemische Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie der Reaktion herabsetzen, und sie tun dies in einer Weise, die hochspezifisch für die Reaktanten der jeweiligen Reaktion ist. Bereits sehr früh in der Erforschung der Enzymwirkung wurde erkannt, dass aussagekräftige Untersuchungen der Enzymwirkung zwangsläufig die Untersuchung des kinetischen Verhaltens der chemischen Reaktion in Anwesenheit des geeigneten Enzyms umfassen müssen. Es gilt weiterhin: Wer das kinetische Verhalten einer enzymkatalysierten Reaktion versteht, versteht auch wesentliche Aspekte des Mechanismus der Enzymreaktion. Dies erfordert die Untersuchung des kinetischen Verhaltens der Enzymreaktion unter sorgfältig definierten Bedingungen. Die zwei wichtigsten kinetischen Eigenschaften eines Enzyms sind, wie leicht das Enzym mit einem bestimmten Substrat gesättigt wird, und die maximale Geschwindigkeit, die es erreichen kann. Die Kenntnis dieser Eigenschaften lässt Rückschlüsse darauf zu, welche Funktion ein Enzym in der Zelle erfüllen könnte, und zeigt, wie das Enzym auf Veränderungen dieser Bedingungen reagiert.

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