Enzymaktivität

Die Enzymaktivität kann in zwei möglichen Einheiten angegeben werden:

1. Klassische Einheit: 1 Unit (1 Enzymeinheit) = 1μmol Substrat min^-1
2. Seit 1972 SI-Einheit: 1 Katal (kat) = 1 mol Substrat s^-1

Somit beträgt 1 Unit = 16,67·10^-9 kat = 16,67 nkat. Die typische spezifische Aktivität eines reinen Enzyms liegt meist zwischen 5 und 100 Units pro mg Enzym.

Ein sehr gutes Näherungsverfahren zur Berechnung der initialen Geschwindigkeit einer enzymatisch katalysierten Reaktion und somit auch für die Enzymaktivität wurde von Leonor Michaelis und Maud Menten vorgestellt.

Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt die Geschwindigkeit einer enzymatischen Katalyse bzw. einer biochemischen Reaktion. Die Gleichung beschreibt folgende Reaktion: Ein Enzym E und ein Substrat S verbinden sich zu einem Übergangskomplex ES, welcher schließlich zu einem Enzym E und dem Produkt P reagiert.

Nach der mathematischen Herleitung erhält man folgende Gleichung:

$${\displaystyle v_{0}={\frac {V_{max}\times [S]}{K_{m}+[S]}}}$$

wobei:

• v₀ = Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion
• V_max = maximale Reaktionsgeschwindigkeit
• K_m = Michaelis-Konstante
• [S] = Substratkonzentration

Der K_m-Wert gibt die Substratkonzentration an, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit halbmaximal wird. Es wird also die Substratkonzentration bei der Hälfte von V_max angegeben. Diese Konstante ist in tabellierter Form für verschiedene Enzyme definiert.

Je nach Reaktionsordnung erhält man für K_m als Konzentrationsangabe unterschiedliche Werte und somit auch für die Reaktionsgeschwindigkeit v₀.

• Reaktion 1. Ordnung = in 1/s
• Reaktion 2. Ordnung = in 1/s * M

Die Wechselzahl definiert den Formelumsatz des jeweiligen Katalysators und somit die Effizienz der Aktivität. Anders ausgedrückt bedeutet dies den größtmöglichen stöchiometrischen Umsatz, bei welchem das Edukt umgesetzt wird. Beide Werte werden durch die folgenden Formeln definiert:

Wechselzahl:

$${\displaystyle k_{cat}={\frac {V_{max}}{[E]}}\;{\Bigl (}in\;{\frac {1}{s}}{\Bigr )}}$$

$${\displaystyle Kat_{L}={\frac {k_{cat}}{K_{m}}}}$$

• [E] = Enzymkonzentration

Da der im Organismus Enzyme ubiquitär vorkommen, müssen verlässliche und schnell wirkende Mechanismen eingesetzt werden, um die Enzymaktivität zu kontrollieren. Es sind prinzipiell zwei Methoden vorhanden:

Kontrolle der Enzymverfügbarkeit

Die Menge eines Enzyms (und damit indirekt die Aktivität), hängt von dem Gleichgewicht zwischen der Synthese und Abbau ab. Dieser Prozess wird von der Zelle durch verschiedene genetische Maßnahmen reguliert und kontrolliert. Ergebnisse sind Induktion, Repression oder auch Enzymwirkketten.

Direkte Kontrolle der Enzymaktivität

Hierbei sorgen Konformationsänderungen innerhalb des Enzyms für die Inaktivierung. Dabei wird die Substratbindungsaffinität beeinflusst und geregelt. Ein häufiger Regulationsmechanismus ist die Konformationsänderung durch die allosterischen Effektoren (meist kleine Moleküle), die an die allosterischen Zentren an einem Enzym binden. Darüber hinaus kann man beispielsweise Aktivitäten auch durch Phosphorylierung oder Dephosphorylierung von spezifischen Aminsosäurenseitenketten (Ser-, Thr-, Tyr-Reste) beeinflussen. Durch die kovalente Modifikationen wird eine Aktivitätsveränderung im Enzym hervorgerufen.

Die Enzymaktivität ist definiert als die Menge Enzym, welche bei geeigneten Bedingungen eine Abnahme z.B. der Trübung einer Bakteriensuspension zur Folge hat. Hierbei greift man auf photospektroskopische Methoden, wie zum Beispiel ein Photometer, zurück.

Zwei Formeln sind von zentraler Bedeutung:

Relative spezifische Aktivität

Diese Formel bezieht sich speziell auf ein Enzym:

$${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {\delta \;A_{\lambda }}{min}}\times 10^{3}{\Bigr )}\times (Protein\;insgesamt\;(in\;mg))^{-1}}$$

• δ A_λ = Absorption der spektroskopierten Lösung mit passender Wellenlänge

Gesamtaktivität

Mit dieser Formel wird die Aktivität eines Enzyms in einem Gemisch von Proteinen bzw. Enzymen bestimmt:

$${\displaystyle relative\;spezifische\;Aktivit{\ddot {a}}t\times Gesamtprotein\;(in\;mg)}$$