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Grundlagen der Enzymkinetik-Diagrammen

Wie Enzymkinetik-Diagramme gelesen werden (und wie sie erstellt werden). Km und Vmax. Kompetitive und nicht-kompetitive Inhibitoren.

Einführung

Stell dir vor, du möchtest dir einen Sportwagen kaufen. Was musst du über die verschiedenen Alternativen (Ferrari, Porsche, Jaguar usw.) wissen, um dich für den besten zu entscheiden? Ein offensichtlicher Faktor wäre, wie schnell das Auto ist, wenn du das Gaspedal ganz durchtrittst. Aber vielleicht möchtest du auch etwas genauere Informationen über die Leistung des Autos wissen, zum Beispiel wie schnell es von 0 auf 100 km/h beschleunigen kann. Anders gesagt möchtest du, anstatt nur die Höchstgeschwindigkeit zu erfahren, auch etwas über die Kinetik, mit der das Auto diese Geschwindigkeit erreicht, wissen.
Biochemikern geht es ähnlich bei den Enzymen, die sie untersuchen. Sie wollen so viel wie möglich über den Einfluss des Enzyms auf die Reaktionsrate wissen und nicht nur, wie schnell das Enzym unter Volldampf arbeitet.
Tatsächlich kannst du eine bemerkenswerte Menge über die Art, wie ein Enzym arbeitet und wie es mit anderen Molekülen wie zum Beispiel Inhibitoren interagiert sagen, indem du einfach nur misst, wie schnell es eine Reaktion unter einer Reihe von verschiedenen Bedingungen katalysiert. Die Informationen aus diesen Versuchen werden häufig in Form von Graphen präsentiert. Daher werden wir ein bisschen Zeit darauf verwenden, wie diese Graphen erstellt werden (und wie man sie liest, um möglichst viele Informationen aus ihnen zu lesen).

Grundlagen der Enzymkinetik-Diagramme

Graphen wie der unten dargestellte (der die Reaktionsrate in Abhängigkeit der Substratkonzentration zeigt) werden häufig verwendet, um Informationen über die Enzymkinetik darzustellen. Sie bieten eine Menge nützliche Informationen, aber sie können auch ziemlich verwirrend sein, wenn man sie zum ersten Mal sieht. Daher werden wir uns Schritt für Schritt anschauen, wie solch ein Graph erstellt und interpretiert wird.
Enzymkinetik-Diagramm, das die Reaktionsrate in Abhängigkeit der Substratkonzentration zeigt.
Bild modifiziert nach "Enzymes: Figure 3" OpenStax College, Biology (CC BY 3,0).
Stell dir vor, du hast dein Lieblingsenzym in einem Reagenzglas und du möchtest mehr darüber wissen, wie es sich unter verschiedenen Bedingungen verhält. Deshalb führst du eine Reihe von Versuchen durch, bei denen du unterschiedliche Substratkonzentrationen verwendest - sagen wir 0 mol/l, 0,2 mol/l, 0,4 mol/l, 0,6 mol/l, 0,8 mol/l und 1,0 mol/l. Indem du jeweils das Enzym hinzufügst, willst du die Reaktionsrate (das heißt die Geschwindigkeit, in der sein Substrat in das Produkt umgewandelt wird) herausfinden. Natürlich musst du sorgfältig darauf achten, in alle Reagenzgläser die gleiche Menge Enzym zu geben, damit du Äpfel mit Äpfeln vergleichen kannst.
Wie bestimmst du die Reaktionsrate? Was du eigentlich herausfinden willst, ist die Reaktionsrate zu Beginn, wenn du gerade das Enzym zum Substrat hinzugefügt hast und das Enzym die Reaktion bei dieser bestimmten Substratkonzentration so schnell wie möglich katalysiert (denn die Reaktionsrate wird sich schließlich bis auf Null verlangsamen, wenn das Substrat aufgebraucht ist). Deshalb wirst du du Menge an Produkt messen, die pro Zeiteinheit direkt zu Beginn der Reaktion gebildet wird, wenn die Produktkonzentration linear zunimmt. Dieser Wert wird Anfangsgeschwindigkeit oder V0 bei dieser Konzentration genannt.
Gehen wir davon aus, dass du alle V0-Werte für die Konzentrationen, die für dich von Interesse sind, gefunden hast. Dann kannst du jede Substratkonzentration und ihre V0 als ein (x|y)-Paar graphisch darstellen. Wenn du alle deine (x|y)-Paare für verschiedene Konzentration eingezeichnet hast, kannst du die Punkte mit einer Ausgleichskurve verbinden, um einen Graphen zu erhalten. Bei vielen Arten von Enzymen wird der Graph, den du erhälst, der hier dargestellten violetten Linie ähneln: Die V0-Werte werden bei niedrigen Substratkonzentrationen schnell ansteigen und sich dann bei hohen Substratkonzentrationen immer weiter abflachen.
Diagramm der Enzymkinetik, das die Reaktionsrate als Funktion der Substratkonzentration darstellt. Vmax (Maximalgeschwindigkeit) und Km (Substratkonzentration, bei der die Reaktionsrate 1/2 Vmax entspricht) sind markiert.
Bild modifiziert nach "Enzymes: Figure 3" OpenStax College, Biology (CC BY 3,0).
Diese Abflachung tritt ein, weil das Enzym gesättigt ist, das heißt, dass alle verfügbaren Enzymmoleküle bereits damit beschäftigt sind, Substrate zu verarbeiten. Jedes zusätzliche Substratmolekül muss dann darauf warten, dass ein Enzym wieder verfügbar ist. Das bedeutet, dass die Reaktionsrate (Menge an hergestelltem Produkt pro Zeiteinheit) durch die Enzymkonzentration limitiert ist. Die maximale Reaktionsrate ist charakteristisch für ein bestimmtes Enzym bei einer bestimmten Konzentration und wird Maximalgeschwindigkeit oder Vmax genannt. Vmax ist der y-Wert (initialer Wert der Reaktionsrate) der waagerechten Asymptote am Graphen.
Die Substratkonzentration, bei der die Reaktionsrate der Hälfte von Vmax entspricht, wird als Km bezeichnet und ist ein nützliches Maß dafür, wie schnell die Reaktionsrate mit zunehmender Substratkonzentration ansteigt. Km ist auch ein Maß für die Affinität eines Enzyms (die Neigung zu binden) für sein Substrat. Eine niedrige Km entspricht einer höheren Affinität für das Substrat, während eine höhere Km einer geringeren Affinität für das Substrat entspricht. Anders als Vmax, die von der Enzymkonzentration abhängig ist, ist Km immer gleich für ein bestimmtes Enzym und charakteristisch für eine gegebene Reaktion (obwohl die "scheinbare" oder experimentell gemessene Km durch Inhibitoren verändert werden kann, wie wir gleich sehen werden).

Enzymkinetik-Diagramme und Inhibitoren

Was ist nun mit Inhibitoren? Wir haben zwei Arten von Inhibitoren, kompetitive und nicht-kompetitive, im Artikel zur Enzymregulation kennengelernt.
  • Kompetitive Inhibitoren beeinträchtigen den Reaktionsverlauf, indem sie an ein Enzym binden, meist am aktiven Zentrum, und verhindern, dass das richtige Substrat binden kann. Zu einem Zeitpunkt kann nur der kompetitive Inhibitor oder das Substrat gebunden sein (nicht beide). Das heißt, dass Inhibitor und Substrat um das Enzym konkurrieren. Die kompetitive Hemmung wirkt durch Verringerung der Anzahl an Enzymen, die für die Bindung von Substrat zur Verfügung stehen.
  • Nicht-kompetitive Inhibitoren verhindern nicht, dass das Substrat an das Enzym bindet. Tatsächlich beeinflussen Inhibitor und Substrat die Bindung des jeweils anderen an das Enzym überhaupt nicht. Wenn der Inhibitor jedoch gebunden ist, kann das Enzym nicht die Herstellungsreaktion für sein Produkt katalysieren. Daher wirkt die nicht-kompetitive Hemmung durch Verringerung der funktionellen Enzyme, welche die Reaktion durchführen können.
Wenn wir die Auswirkungen dieser Inhibitoren auf einem Graphen wie dem oben zeigen wollen, können wir unser ganzes Experiment zweimal wiederholen: Einmal fügen wir jedem Reagenzglas eine bestimmte Menge des kompetitiven Inhibitors hinzu und einmal eine bestimmte Menge des nicht-kompetitiven Inhibitors. Wir würden folgende Ergebnisse erhalten:
Diagramm der Enzymkinetik zeigt die Reaktionsrate als Funktion der Substratkonzentration für ein normales Enzym, für ein Enzym mit einem kompetitiven Inhibitor und für ein Enzym mit einem nicht-kompetitiven Inhibitor. Beim kompetitiven Inhibitor ist Vmax gleich wie beim normalen Enzym, aber Km ist höher. Beim nicht-kompetitiven Inhibitor ist Vmax höher als beim normalen Enzym, aber Km ist gleich.
Bild modifiziert nach "Enzymes: Figure 3" OpenStax College, Biology (CC BY 3,0).
  • Mit einem kompetitiven Inhibitor kann die Reaktion schlussendlich seine normale Vmax erreichen, aber es werden dafür höhere Substratkonzentrationen benötigt. Mit anderen Worten, Vmax bleibt unverändert, aber die scheinbare Km ist höher. Warum muss mehr Substrat hinzugefügt werden, um Vmax zu erreichen? Das zusätzliche Substrat sorgt dafür, dass die Substratmoleküle so reichlich vorhanden sind, dass sie durchgängig die Inhibitormoleküle im Kampf um das Enzym "schlagen" können.
  • Mit einem nicht-kompetitiven Inhibitor kann die Reaktion niemals ihre normale Vmax erreichen, unabhängig davon, wieviel Substrat wir hinzufügen. Ein Teil der Enzymmoleküle wird immer durch den Inhibitor "vergiftet" sein, sodass die effektive Konzentration der Enzyme (welche Vmax bestimmt) verringert ist. Die Reaktion erreicht jedoch die Hälfte ihrer neuen Vmax bei der gleichen Substratkonzentration, sodass Km unverändert bleibt. Die unveränderte Km spiegelt wider, dass der Inhibitor nicht die Bindung zwischen Enzym und Substrat beeinflusst, sondern nur die Konzentration der verwendbaren Enzyme verringert.

Michaelis-Menten-Kinetik und allosterische Enzyme

Viele Enzyme verhalten sich ähnlich wie das hypothetische Enzyme in dem obigen Beispiel und ergeben eine hyperbelförmige Kurve, wenn ihre Reaktionsrate graphisch als Funktion der Substratkonzentration dargestellt wird. Enzyme, die dieses Verhalten zeigen, können häufig durch eine Gleichung aus Substratkonzentration, Anfangsgeschwindigkeit, Km und Vmax, bekannt als Michaelis-Menten-Gleichung, beschrieben werden. Enzyme, die dieser Gleichung gehorchen, werden Michaelis-Menten-Enzyme genannt. Wenn du mehr über die Michaelis-Menten-Gleichung und das Modell, das ihr unterliegt, erfahren möchtest, dann schau dir die Michaelis-Menten-Videos im MCAT-Bereich an.
Michaelis-Menten-Enzyme unterscheiden sich von allosterischen Enzymen (besprochen im Hauptartikel zur Enzymregulation). Allosterische Enzyme haben in der Regel mehrere aktive Zentren und zeigen oft eine Kooperativität, das heißt, dass die Bindung eines Substrats an einem aktiven Zentrum die Fähigkeit der anderen aktiven Zentren, ein Substrat zu binden und zu verarbeiten, erhöht.
Reaktionsrate dargestellt als Funktion der Substratkonzentration für ein kooperativ bindendes Enzym. Die Kurve ist S-förmig (sigmoid) mit einem steilen Übergang von einer geringen bis zu einer hohen Reaktionsrate innerhalb eines kleinen Bereichs von Substratkonzentrationen.
Kooperativ bindende Enzyme reagieren empfindlicher auf Veränderungen der Substratkonzentration als andere Enzyme und zeigen einen "sprunghaften" Übergang von einer geringen zu einer hohen Reaktionsrate, wenn die Substratkonzentration ansteigt. Dies entspricht einer Geschwindigkeit-Substrat-Kurve, die, wie oben gezeigt, S-förmig ist.

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