Enzymkinetik

Die Enzymkinetik, die die Raten enzymkatalysierter Reaktionen untersucht, die von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden, bietet ein enormes Potenzial für das Studium der Mechanismen und Funktionen enzymatischer Reaktionen. Einige wichtige Faktoren, die die Raten enzymatischer Reaktionen beeinflussen, sind die Enzymkonzentration, die Konzentrationen von Liganden (Substraten, Produkten, Inhibitoren und Aktivatoren), das Lösungsmittel (Lösung, Ionenstärke und pH) sowie die Temperatur. Wenn all diese Faktoren richtig analysiert werden, ist es möglich, viel über die Natur der Enzyme zu lernen. Die kinetischen Studien 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, wie seine Aktivität kontrolliert wird und wie ein Medikament oder ein Agonist das Enzym hemmen könnte, offenbaren.

Einfluss der Substratkonzentration

Die Rate vieler chemischer Reaktionen steigt mit der Erhöhung der Konzentration der Substrate. Bei einer irreversiblen Enzymreaktion mit einem einzelnen Substrat steigt die Rate der Enzymreaktion mit zunehmender Substratkonzentration und nähert sich einem Maximalwert. Basierend auf der Sättigung des Substrats zur enzymatischen Reaktion wurde die Theorie des „Zwischenprodukts“ von der deutschen Biochemikerin Leonor Michaelis und der kanadischen Ärztin Maud Menten aufgestellt: Das Enzym (E) bindet an das Substrat (S), um ein instabiles Zwischenprodukt oder Komplex (ES) zu bilden, und produziert dann das Produkt (P) und das freie Enzym (E). Die Beziehung zwischen Reaktionsrate und Substratkonzentration wurde durch die Theorie abgeleitet, das heißt, die Michaelis-Menten-Gleichung.

Einfluss der Enzymkonzentration

Wenn die Substratkonzentration im Reaktionssystem hoch genug ist, ist die Rate der enzymatischen Reaktion proportional zur Enzymkonzentration. Die Menge des in einer Reaktion vorhandenen Enzyms wird durch die Aktivität gemessen, die es katalysiert. Die Beziehung zwischen Aktivität und Konzentration wird von vielen Faktoren wie Temperatur, pH usw. beeinflusst. Ein Enzymtest muss so gestaltet sein, dass die beobachtete Aktivität proportional zur Menge des vorhandenen Enzyms ist, damit die Enzymkonzentration der einzige limitierende Faktor ist.

Einfluss der Enzymhemmung

Jede Substanz, die die Rate der enzymatischen Reaktion verringern kann, aber keine Denaturierung und Inaktivierung von Enzymen verursacht, wird zusammenfassend als Enzyminhibitor bezeichnet. Je nach hemmendem Effekt der Inhibitoren können sie in zwei Kategorien unterteilt werden: irreversible Inhibitoren und reversible Inhibitoren. Irreversible Hemmung wird durch die kovalente Bindung von Inhibitoren an die essentiellen Gruppen von Enzymen verursacht. Einfache Methoden wie Dialyse können nicht verwendet werden, um die Enzymaktivität wiederherzustellen. Reversible Hemmung wird durch die nicht-kovalente Bindung von Inhibitoren an Enzyme verursacht. Einfache Methoden wie Dialyse können verwendet werden, um die Enzymaktivität wiederherzustellen. Reversible Hemmung umfasst kompetitive, unkompetitive und nicht-kompetitive Hemmung.

Temperatureffekt

Im Allgemeinen steigt die Rate der enzymatischen Reaktion mit der Erhöhung der Temperatur, aber wenn die Temperatur einen bestimmten Punkt erreicht, sinkt die Reaktionsrate schnell aufgrund der thermischen Denaturierung des Enzyms. Die Temperatur, bei der die Rate der enzymatischen Reaktion ein Maximum erreicht, wird als optimale Temperatur des Enzyms bezeichnet. Die optimale Temperatur des Enzyms hängt von den experimentellen Bedingungen ab, daher ist sie keine charakteristische Konstante des Enzyms.

pH-Effekt

Die Konzentration von Wasserstoffionen im Reaktionsmedium beeinflusst ebenfalls erheblich die Aktivität des Enzyms. Das Enzym zeigt oft die maximale Aktivität innerhalb eines bestimmten pH-Bereichs, 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 Rate der Enzymreaktion am höchsten, andernfalls wird die Rate der Enzymreaktion sinken.

Enzyme bewirken nicht, dass Reaktionen stattfinden, sie stimulieren die Rate, mit der Reaktionen stattfinden. Jede chemische Reaktion, die in Anwesenheit eines Enzyms abläuft, wird auch in Abwesenheit des Enzyms ablaufen, jedoch mit einer viel langsameren Rate. Enzyme katalysieren die Rate chemischer Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie der Reaktion senken, und sie tun dies auf eine Weise, die für die Reaktanten der Reaktion hochspezifisch ist. Es wurde sehr früh im Studium der Enzymwirkung erkannt, dass sinnvolle Studien zur Enzymwirkung notwendigerweise das Studium des kinetischen Verhaltens der chemischen Reaktion in Anwesenheit des entsprechenden Enzyms umfassen würden. Es ist nach wie vor wahr, dass, wenn man das kinetische Verhalten der enzymkatalysierten Reaktion versteht, man auch viel über den Mechanismus der Enzymreaktion versteht. Dies erfordert die Untersuchung des kinetischen Verhaltens der Enzymreaktion unter Bedingungen, die sorgfältig definiert sind. Die zwei wichtigsten kinetischen Eigenschaften eines Enzyms sind, wie leicht das Enzym mit einem bestimmten Substrat gesättigt wird, und die maximale Rate, die es erreichen kann. Das Wissen um diese Eigenschaften deutet darauf hin, was ein Enzym in der Zelle tun könnte und kann zeigen, wie das Enzym auf Änderungen dieser Bedingungen reagieren wird.

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