Was verbirgt sich hinter Kcat / Km?

Genauso wie$k_{cat}$stellt die Reaktionsgeschwindigkeit bei sättigender Substratkonzentration dar,$k_{cat} / K_m$stellt die Reaktionsgeschwindigkeit bei vernachlässigbarer Substratkonzentration dar.

Wenn wir uns die standardmäßige Michaelis-Menten-Kinetik-Geschwindigkeitsgleichung mit einem Substrat/einem Produkt ansehen:

Wir können uns vorstellen, was wann passiert$[S] \to 0$, das sehen wir wann$[S] \ll K_m$, kann der Nenner auf reduziert werden$K_m$, und somit wird die Geschwindigkeitsgleichung

Oder anders gesagt,$k_{cat} / K_m$die Geschwindigkeitskonstante (pseudo-)zweiter Ordnung zwischen dem Enzym und dem Substrat ist, wenn$[S] \ll K_m$.

Wenn Sie sich mit komplexeren Geschwindigkeitsgleichungen befassen (wie Inhibitoren, pH-Effekte und kinetische Isotopeneffekte), muss tatsächlich ein anständiges Argument (eines, das häufig von WW Cleland vorgebracht wird ) vorgebracht werden, dass die beiden Schlüsselkonstanten für enzymatische Reaktionen sind$k_{cat}$und$k_{cat} / K_m$, und sein$K_m$das sollte als die "abgeleitete" Konstante betrachtet werden. (Die Tatsache, dass wir die Ratengleichung in Form von schreiben$k_{cat}$und$K_m$ist ein historischer Unfall - wir hätten es genauso gut haben können$v = \frac{k_{cat}\Phi [E][S]}{K_m + \Phi [S]}$, wo ich willkürlich gewählt habe$\Phi$als Symbol für$k_{cat}/K_m$.)

Bleibt noch die Frage nach dem Warum$k_{cat} / K_m$wird oft als "Spezifitätskonstante" des Enzyms bezeichnet. Der Grund dafür ist, dass Sie, wenn Sie ein einzelnes Enzym in Gegenwart von zwei verschiedenen Substraten haben, eine kompetitive Hemmung haben. Die Mathematik ist etwas kompliziert (siehe hier oder hier für Beispiele), aber das Endergebnis ist, dass das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten für die beiden Substrate mit dem Verhältnis ihrer jeweiligen zusammenhängt$k_{cat} / K_m$'s:

Mit der richtigen Denkweise ergibt dies tatsächlich einen intuitiven Sinn – die einzige Phase, in der die beiden Substrate konkurrieren (wo Sie die Entscheidung treffen, Reaktion A gegenüber Reaktion B durchzuführen), ist, wenn sie an freies Enzym binden. "Die Rate, wenn Sie sich nur um freies Enzym kümmern" entspricht dem Fall mit vernachlässigbarem Substrat. Bei vernachlässigbarem Substrat ist alles, was Sie haben, freies Enzym - es gibt nicht genug Substrat, um nennenswerte Mengen an substratgebundener Form zu haben, und die Rate der Enzym-Substrat-Begegnung ist viel niedriger als die Rate der Produktbildung, was bedeutet, dass sie stabil ist Geben Sie an, dass Sie auch keine nennenswerten Mengen an produktgebundener Form haben. Und so kam es dass der$k_{cat} / K_m$für ein bestimmtes Substrat zeigt an, wie gut das freie Enzym diese Reaktion durchführen kann.

Dieses Verhältnis wird häufiger als "katalytische Effizienz" bezeichnet und ist ein schlechtes Maß. In vielen Fällen sind Enzyme nur dann besser, wenn sie eine höhere kcat haben , weil die Substratkonzentration immer weit über der Km liegt. Die Verwendung des Verhältnisses, wenn dies offensichtlich der Fall ist, ist imo nur irreführend, aber das passiert viel zu oft.

In manchen Fällen kann ein Vergleich mit Enzymen sinnvoll sein. Zum Beispiel, wenn Sie bei höheren Substratkonzentrationen nicht messen können. Sie hätten nur die anfängliche Steigung des Diagramms [S] vs. vmax. Bei niedrigen Konzentrationen nähert sich diese Steigung kcat/km.

Das kcat/Km-Verhältnis stellt nichts Reales dar, es ist nur eine faule Art, Enzyme zu vergleichen, indem zwei Zahlen, die jeweils etwas anderes darstellen, zu einer Zahl kombiniert werden, die nur gut aussieht, weil es eine Zahl ist.