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FließgleichgewichtUnter einem Fließgleichgewicht (steady state) versteht man einen stationären Zustand, bei dem fortgesetzt Substanzen in ein System einströmen und Reaktionsprodukte herausgeschleust werden. Zum Wesen des Fließgleichgewichts gehört, dass es sich um ein offenes System handelt und dass Transportvorgänge die Gleichgewichtskonzentrationen der einzelnen Stoffe in jeder Zelle bestimmen. Nach Störungen besteht die Tendenz, zum status quo zurückzukehren (Homöostase). Im deutschen Sprachraum wird zwischen Fließgleichgewicht, chemischem Gleichgewicht und Homöostase unterschieden. Lebende Zellen können ein Fließgleichgewicht von Substraten über längere Zeiträume deshalb aufrechterhalten, weil typische enzymatische Umsetzungen Teil einer Reaktionskette sind. In einer solchen wird umgeschlagenes Substrat durch das vorgeschaltete Enzym oder durch Transportvorgänge nachgeliefert und entstehendes Produkt durch das nachfolgende Enzym abgeleitet. Diese Bedingungen sind bei den klassischen enzymkinetischen Messungen eindeutig nicht gegeben, dennoch hat sich gerade auf diesem Gebiet der Begriff des "Fließgleichgewichtes/steady states" eingebürgert. Bei einer typischen Anordnung gibt es nämlich einen einzigen Punkt, an dem die Substratkonzentration definiert bzw. bekannt ist und somit der Reaktionsgeschwindigkeit zugeordnet werden kann: den Reaktionsstart. Diese Zuordnung gelingt allerdings nur durch Extrapolation ("Stichwort: Tangente an den Ursprung"), wie im Folgenden gezeigt wird. Im Folgenden wird deshalb nicht ein Fließgleichgewicht im strengen Sinne sondern die Enzymkinetik in einem abgeschlossenen System beschrieben. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Annahmen und VereinfachungenNach der Michaelis-Menten-Theorie ist die Existenz des Enzym-Substratkomplexes, ES, das zentrale Phänomen für das Verständnis enzymkinetischer Messungen. Nach der folgenden allgemeinen Reaktionsgleichung 1 -
2 -
und zwar mit folgender Begründung:
Dies sind exakt die Bedingungen typischer enzymkinetischer Messungen: man misst die enzymatische Anfangsgeschwindigkeit v0, das ist jene Umsatzgeschwindigkeit direkt nach der Vereinigung aller notwendigen Komponenten. Experimentell legt man die Tangente an den Ursprung der registrierten Zeit-Umsatzkurve und bestimmt deren Steigung, eben v0. "Fließgleichgewicht" in der EnzymkinetikKurz nachdem das Enzym mit Substrat vermischt worden ist, gibt es eine Anfangsphase ("pre-steady-state"), in der sich der ES-Komplex aufbaut. Die Verfolgung dieser Phase erfordert spezielle Messmethoden ("stopped-flow") und liegt außerhalb des Standardrepertoires der herkömmlichen Enzymkinetik. Die Reaktion erreicht schnell den geschilderten "quasi-stationären" Zustand, während dessen die Reaktionsgeschwindigkeit v0 die Substratkonzentration reflektiert. Vereinfachend wird hier vom "Fließgleichgewicht" gesprochen, obgleich v0 auf die Anfangsphase der Reaktion beschränkt und damit nur durch die erwähnte Extrapolation zugänglich ist. Nur unter Sättigungsbedingungen ([S]>>[E]), das sind die Bedingungen einer Aktivitätsmessung, ist die lineare Phase am Anfang der Reaktion sehr ausgedehnt. Unter diesen Bedingungen lässt sich allerdings keine Information über den Affinitätsparameter (Michaelis-Konstante Km) bzw. die katalytische Effizienz (kcat / Km, im Jargon "kcat-über-Km" genannt) gewinnen. "Fließgleichgewicht" in der ThermodynamikIn der Thermodynamik, speziell in der nichtlinearen Thermodynamik, wird als Fließgleichgewicht ein Gleichgewicht mit Entropieproduktion bezeichnet. Abschließend ist festzuhalten, dass der Begriff "Fließgleichgewicht" in unterschiedlichem Zusammenhang gebraucht wird - eine stete Quelle von Missverständnissen, die hier bewusst herausgestellt wird. Siehe auchGleichgewicht, Äquifinalität |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Fließgleichgewicht aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |