Enzymaktivität

Die Enzymaktivität (a) beschreibt, wie gut ein Enzym arbeitet. Es ist also ein Maßstab für die Wirksamkeit des Enzyms, einem Biokatalysator, und kann von verschiedensten Faktoren beeinflusst werden.

Einheit der Enzymaktivität

Die Aktivität der Enzyme gibt den Umsatz eines zum Enzym passenden Substrats pro Zeiteinheit an. Anhand dieser Aktivität lässt sich also erkennen, wie viel Substrat das Enzym innerhalb einer gewissen Zeit umgesetzt hat. Dadurch, dass der Substratumsatz in der Einheit der Stoffmenge (n) angegeben wird, ist die Einheit der Enzymaktivität Stoffmenge / Zeit ( ∆n / ∆t ). Dafür gibt es zwei gebräuchliche Einheiten der Aktivität eines Enzyms:

Katal

Katal ist die weniger häufig verwendete Einheit der Enzymaktivität in der Wissenschaft. Die Abkürzung der Einheit lautet "kat". Sie gehört zu den SI-Einheiten mit folgendem Aufbau:

• Ein Substratumsatz wird in in mol angegeben
• Die Zeit wird in Sekunden angegeben.

Die genaue SI-Einheit von 1 kat ist also anders ausgedrückt 1 mol / s.

Unit

Neben Katal gibt es eine zweite Einheit: "Unit". Heutzutage ist diese, zumindest in Deutschland, die gebräuchlichere Einheit für die Enzymaktivität. Sie wird mit "U" abgekürzt.

Bei dieser Einheit der Aktivität der Enzyme wird

• der Substratumsatz in µmol angegeben und
• die Zeiteinheit in Minuten.

Somit ist die Einheit 1U das Gleiche wie 1 µmol / min.

Umrechnung von Unit in Katal

Da Unit häufiger in der Praxis angewandt wird, Katal aber die richtige SI-Einheit der Enzymaktivität ist, werden diese oft ineinander umgerechnet. Das ergibt insofern Sinn, als dass die SI-Einheit ein weltweiter Standard ist und sich so Wissenschaftler*innen von überall auf der Welt mit den Ergebnissen ihrer Kolleg*innen beschäftigen können. Dabei entspricht die Einheit 1 U einer Enzymaktivität von 16,7 nkat (nanokatal).

Volumenaktivität der Enzymaktivität

Durch die Aktivität der Enzyme lässt sich die Volumenaktivität einer Lösung ableiten. Dies ist in der Wissenschaft von Bedeutung, da die Enzyme in der Praxis meist in einer Lösung vorliegen. Die Volumenaktivität ist die Enzymaktivität pro Volumen in 1 U / mL beziehungsweise 1 kat / mL.

Spezifische Aktivität bei der Enzymaktivität

Wenn bei einem Versuch die Konzentration an Proteinen (also des Substrats) bekannt ist, kann man die spezifische Aktivität der Lösung errechnen. Diese ist angegeben als Enzymaktivität geteilt durch das Volumen, welches mit der Proteinkonzentration (Substrat) zusammen berechnet wird. Somit ist dessen Einheit 1 U / mg beziehungsweise 1 kat / mg.

Maximalgeschwindigkeit eines Enzyms

Die Wechselzahl (kcat) des Enzyms ist sehr spezifisch und beschreibt die Anzahl der Substratmoleküle, welche ein Enzymmolekül pro Zeiteinheit umsetzen kann. Multipliziert man diese Wechselzahl kcat nun mit der Enzymkonzentration, erhält man die (theoretische) Maximalgeschwindigkeit der durch ein Enzym katalysierten Reaktion Vmax.

Abhängigkeit der Enzymaktivität

Die Enzymaktivität ist von verschiedenen Größen abhängig. Manche davon sind äußere Faktoren, aber es gibt auch andere Gegebenheiten, welche die Aktivität der Enzyme beeinflussen:

Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität

Die Temperatur gilt als ein äußerer Faktor, welcher die Enzymaktivität maßgeblich beeinflusst.

RGT-Regel zur Enzymaktivität

RGT steht für Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel. Diese besagt, dass pro 10 Kelvin Temperaturerhöhung, die Geschwindigkeit einer Reaktion um das Doppelte ansteigt. Diese Regel wird auch van't Hoffsche Reaktionsgeschwindigkeitsregel genannt und beschreibt damit den Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität beziehungsweise auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

Ganz einfach kann man sich diese Regel merken, indem man davon ausgeht, dass sich bei höherer Temperatur die Teilchen einer Lösung schneller bewegen. Wenn also die Temperatur steigt, ist es wahrscheinlicher, dass ein Enzym schneller auf sein passendes Substrat trifft. Eine höhere Temperatur geht also mit einer höheren Teilchengeschwindigkeit einher.

Temperaturoptima der Enzymaktivität

Nun sind Enzyme auch Proteine, weswegen sie bei zu hohen Temperaturen denaturieren (zerstört werden). Dies bedeutet, dass die RGT-Regel nur für den Temperaturbereich des Enzyms gilt, in welchem dieses Enzym noch nicht denaturiert. Diese Höchsttemperatur vor der Denaturierung nennt man Optimum der Temperatur beziehungsweise Temperaturoptimum. Im menschlichen Körper beispielsweise haben die meisten Enzyme ein ungefähres Temperaturoptimum bei 37 °C, also der Körpertemperatur. Die Enzymaktivität und dessen Optimum hängt als von der Temperatur ab, diese darf aber trotz dessen nicht zu hoch sein.

Abbildung 1: Aktivität eines Enzyms bei Temperaturzunahme

Einfluss des pH-Wertes auf die Enzymaktivität

Die Basen- beziehungsweise Säurestärke des Milieus, in welchem das Enzym arbeitet, ist entscheidend für dessen Enzymaktivität. Dabei kommt es auf den spezifischen Aufbau des Enzyms an. Der pH-Wert beim Optimum eines Enzyms hängt also davon ab, ob das Enzym eine saure oder basische Aminosäuren Seitenkette besitzt. Das Optimum verschiedenster Enzyme im Körper kann also ganz unterschiedlich ausfallen. Diese Begebenheit kommt zustande, da sich fern vom pH-Optimum die Ladung dieser Seitenketten verändern und das Enzym so an Aktivität abnimmt.

Regulation der Enzymaktivität

Die Enzymaktivität kann durch verschiedenste Größen beeinflusst werden. Der Körper und Organismus muss seine Enzymaktivität stark regulieren, damit der Stoffwechsel aufeinander abgestimmt funktionieren kann.

An- und Ausschalter der Enzyme

Enzyme können mithilfe von Phosphatresten aktiviert werden. Dabei schaltet dieses Phosphat (beispielsweise übertragen von ATP) ein Enzym und dessen Aktivität ein oder aus. Dieser Vorgang nennt sich Phosphorylierung und kommt beispielsweise häufig in Verbindung mit ATP vor. Diese Aktivierung und damit Regulation der Enzymaktivität nennt sich Interkonversion.

Allosterische Hemmung

Die Enzymaktivität kann zudem beeinflusst werden durch die allosterische Hemmung. Dort hemmt meist ein Endprodukt eines Enzyms dessen Enzymaktivität. Angenommen, ein Enzym katalysiert die Bildung eines bestimmten Stoffes, dann kann dieser gebildete Stoff, wenn er in ausreichender Form vorhanden ist, das Enzym allosterisch hemmen. So reguliert es seine eigene Produktion durch die Regulation der Enzymaktivität.

Katalase

Die Katalase ist ein Enzym, welches Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff umwandelt. Dabei kommt es bei der Reaktion zur Schaumbildung. Diese Katalase wird oft als Beispielreaktion der Enzymaktivität verwendet:

Die Katalase-Reaktion

Die Katalase Reaktion ist ein in der Praxis angewandtes Verfahren zur Bestimmung der Enzymaktivität von Bakterien in der Mikrobiologie. Dabei wandelt das Enzym Wasserstoffperoxid um. Die Wechselzahl der Katalase dieser Wasserstoffperoxid Umsetzung ist eine der höchsten, die je bei Enzymen gefunden wurde. Im Körper kommt Wasserstoffperoxid und damit die Katalase beispielsweise in der Leber vor. Wasserstoffperoxid kommt dort in den Peroxisomen der Zellen vor. Dort trägt sie einen wichtigen Teil zum Stoffwechsel bei, der durch die Wasserstoffperoxid Entstehung gehindert werden würde.

Berechnung der Enzymaktivität

Die Aktivität eines Enzyms kann durch verschiedene Größen und Berechnungen bestimmt werden. Die wichtigsten sind im nächsten Abschnitt aufgeführt:

Die Michaelis-Menten-Gleichung

Ein Modell der Berechnung der Enzymaktivität ist das von Maud Menten und Leonor Michaelis. Dabei wird die Geschwindigkeit eines Enzyms beschrieben als die Enzym-Substrat Konzentration () multipliziert mit der Wechselzahl des Enzyms (kcat).

v =

Das Konzept dahinter ist folgendes:

Ein Enzym verbindet sich mit seinem Substrat (umzusetzender Stoff) und bildet einen Enzym-Substrat-Komplex (ES). Dieser Schritt der Enzymaktivität läuft sehr schnell ab. Das Enzym arbeitet nun daran, den Enzym-Substrat-Komplex umzusetzen (kcat) zum Produkt + Enzym und dies benötigt viel mehr Zeit. Deswegen ist dieser Teil der Reaktion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Daher kann der Schritt der Enzym-Substrat-Komplex Bildung beider Enzymaktivität vernachlässigt werden.

Abbildung 2: Wirkungsweise eines Enzyms und Formung des Enzym-Substrat-Komplexes

Km-Wert eines Enzyms

Der- Wert ist die Michaelis-Konstante. Sie beschreibt die Konzentration eines Substrats bei halbmaximaler Geschwindigkeit und beschreibt dadurch auch die Enzymaktivität. Sie wird auch Halbsättigungskonstante genannt, da bei die Hälfte aller Enzyme mit Substrat besetzt sind. Damit kann zusammengefasst festgehalten werden, dass Km die Enzymaktivität insoweit beschreibt, als dass sie angibt wie affin das Enzym für sein Substrat ist. Wenn der- Wert des Enzyms niedrig ist, reichen bereits geringe Substratkonzentrationen aus, um das Enzym bei halbmaximaler Geschwindigkeit arbeiten zu lassen.

Abbildung 3: KM-Wert eines Enzyms

Hier ein Beispiel, damit Ihr Euch den Km-Wert gut merken könnt: Wenn ich morgens nur einen Kaffe brauche, um aus dem Haus zu gehen um optimal wach zu sein, ist mein Kaffee-Km-Wert viel niedriger als bei jemandem, der für das gleiche Ergebnis 5 Tassen braucht. Mein Kaffee-Km-Wert ist also zwar niedriger, das lässt aber darauf schließen, dass ich auch mit wenig Koffein optimal arbeiten kann (Vmax).

Geschwindigkeit der Enzymreaktion

Die Parameter der Michaelis Gleichung ergeben die finale Formel zur Bestimmung der Enzymaktivität. Sie ist definiert als die Maximalgeschwindigkeit der Reaktion (Vmax), multipliziert mit der Konzentration des Substrats (). Dies wird geteilt durch die Michaelis Konstante (), addiert mit der Substratkonzentration (). Die Einheit ist dabei 1/s.

v =