Die Aktivität eines Enzyms wird meistens in Form der pro Zeiteinheit umgesetzten Substrat-Moleküle angegebe. Dabei werden von den meisten Enzymen enorme Werte erreicht.
Die klassische, 1961 eingeführte Einheit für die Enzymaktivität ist 1 Unit = 1 µmol Substrat / min.
Seit 1972 hat sich die Einheit 1 Katal (kat) = 1 mol Substrat / s bewährt [2,3].
Kleine organische Moleküle (also die Substrate vieler Enzyme) bewegen sich in dem wässrigen Gel des Cytoplasmas fast genau so schnell wie durch reines Wasser; für eine Strecke von 10 µm werden im Schnitt nur 0,2 s benötigt [1].
Die Konzentration vieler Substrate liegt bei 0,5 bis 1 mmol/l. Das hört sich recht wenig an, trotzdem käme man auf eine recht hohe Teilchenzahl in der Zelle, wenn man einmal nachrechnen würde. Laut [1] "wird das Aktive Zentrum eines Enzyms, das dieses Substrat bindet, in jeder Sekunde durch 500.000 Zufallszusammenstöße mit diesem Substrat bombadiert".
Aus diesen Angaben können wir die Enzymaktivität für dieses Beispiel berechnen. Wenn jeder dieser Zufallszusammenstöße erfolgreich ist, also zum gewünschten Reaktionsprodukt führt, dann entspricht das einer Enzymaktivität von 0,5 * 106 Teilchen pro Sekunde bzw. 30 * 106 Teilchen pro Minute. Ein Mol entspricht einer Teilchenzahl von ca. 6 * 1023, wie man aus dem Chemieunterricht weiß, ein Millimol sind dann also 6 * 1020 Teilchen. Dividiert man diese beiden Angaben, kommt man für das Beispiel aus [1] auf eine Enzymaktivität von 5 * 10-17 mol/s. Das gilt natürlich für jedes einzelne Molekül dieses Enzyms.
Ein etwas konkreteres Beispiel ist das Enzym Katalase, das Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff umsetzt. Dieses Enzym kann ca. 10.000.000 Substrat-Moleküle pro Sekunde umsetzen, also 107. Das ist 20 mal mehr als in dem Beispiel aus [1]. Den Teilchenumsatz pro Sekunde bezeichnet man übrigens als Wechselzahl.
Enzymaktivität und Wechselzahl
- Enzymaktivität = mol / min
- Wechselzahl = Teilchen / s
Ein anderes Enzym mit einer hohen Wechselzahl ist die Carboanhydrase. Die Wechselzahl dieses Enzyms beträgt 600.000 Substrat-Teilchen pro Sekunde [3] oder 6 * 105 Teilchen/s bzw. 36 * 106 Teilchen/min. Die Enzymaktivität wäre dann 6 * 10-17 mol/min.
Ein Enzym mit einer extrem geringen Wechselzahl (und Enzymaktivität) ist das Lysozym. Hier beträgt die Wechselzahl nur 0,5 Teilchen pro Sekunde [3].
Quellen:
- Alberts, Bruce et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.
- DocCheck Flexikon, Artikel "Enzymaktivität".
- Berg, Tymoczko, Gatto jr., Stryer: Stryer Biochemie, 8. Auflage, Springer Berlin Heidelberg 2018.