Sättigungskinetik

Die Sättigungskinetik ist ein enzymologisches Konzept, das die Abhängigkeit zwischen Umsatzgeschwindigkeit und Substratkonzentration einer enzymatisch regulierten Reaktion beschreibt.

Enzyme passen die Geschwindkeit ihrer Tätigkeit (gemessen in Reaktionen pro Sekunde) an die Konzentration ihres Substrats an. Bei steigendem Substratangebot ist generell eine Zunahme der Umsatzgeschwindigkeit zu erwarten. Enzyme haben jedoch einen Sättigungswert, jenseits dessen eine weitere Steigerung der Substratkonzentration keine Beschleunigung mehr ermöglicht. In der Modellvorstellung sind in der Situation der Sättigung alle Bindungsstellen der vorhandenen Enzymmenge besetzt. Jedes Enzym hat eine spezifische, charakteristische Sättigungskonzentration, bei der die maximale Umsatzgeschwindigkeit v_max erreicht wird.

Die Reaktionsgeschwindkeit nähert sich dem v_max-Wert allerdings asymptotisch an. Dadurch hat der Sättigungswert eher theoretische Bedeutung. Als charakteristische Einheit für das Sättigungsverhalten wird deswegen die Halbsättigung in Form der Michaeliskonstante (K_m) angegeben. K_m gibt die Substratkonzentration im Halbsättigungszustand an, also die Konzentration, bei der die Umsatzgeschwindigkeit 0,5 v_max beträgt.

Das Sättigungsverhalten nach Michaelis und Menten lässt sich folgendermaßen veranschaulichen:

Sättigungskurven zweier Enzyme mit unterschiedlichen Km-Werten

Das Diagramm zeigt den Unterschied in der relativen Transportgeschwindkeit zweier Enzyme mit Km-Werten von 30mg/dl bzw. 200mg/dl. Das Sättigungsverhalten aller klassischen Michaelis-Menten-Enzyme lässt sich durch eine Hyperbel abbilden, zumindest in der mathematisch-idealen Modellvorstellung. Im Experiment ergeben sich natürlich Abweichungen. Eine vereinfachte mathematische Methode zur Vorhersage und Abbildung der Umsatzgeschwindigkeit v in Abhängigkeit der Substratkonzentration c lautet folgendermaßen: oder als Quotient:

Aus einem relativ geringen Satz an vorrausgesetzten Messwerten lassen sich nach diesem Modell einige relevante Aussagen treffen.

Drug Design: Die Manipulation von enzymkatalysierten Reaktionen ist ein wichtiger Mechanismus in der pharmazeutischen Therapie. Häufig möchte man die Umsatzgeschwindigkeit eines speziellen Enzyms senken, indem man das Enzym blockiert. Anhand der Enzymkinetik kann man beispielsweise abschätzen, welchen Effekt eine spezifische Dosis an Inhibitorstoffen generiert.

Die Sättigungskinetik eines Enzyms gibt manchmal auch Hinweise auf seine physiologische Bedeutung. Der Glukosetransporter GLUT-3 (eigentlich kein Enzym, operiert aber ebenfalls nach Michaelis-Menten) arbeitet beispielsweise im physiologischen Bereich der Glukosekonzentration beinahe bei voller Auslastung. Dadurch maximiert er die Glukoseaufnahme der Gewebe, in denen er exprimiert wird (Nervensystem). Andere Gewebe, die weniger dringend auf Glukose angewiesen sind (Fettgewebe, etc.) werden durch Glukosetransporter mit geringerer Umsatzgeschwindigkeit nachrangig behandelt.

Die klassische Enzymkinetik basiert auf der Grundannahme der freien, thermodynamisch getriebenen Diffusion (siehe auch Membrantransport. In vivo findet man allerdings meist abweichende Zustände vor: Im Zytoplasma herrscht eine hohe makromolekulare Dichte vor, also ein hoher Gehalt an Proteinen und anderen Molekülen, die die Bewegungsfreiheit diffundierender Partikel beeinträchtigt. Moderne Erweiterungen der kinetischen Modelle sind an die tatsächlichen biochemischen Prozesse angepasst und ermöglichen präzisere Vorhersagen. Die mathematische Formulierung bewegt sich auf einem höheren Niveau, als an dieser Stelle vorausgesetzt werden kann.