Leonor Michaelis und Maud Menten

Michaelis-Menten-Kinetik

Bereits im 19. Jahrhundert wurde das Phänomen beobachtet, dass bestimmte Reaktionen durch Extrakte, Körperflüssigkeiten oder Mikroorganismen stark beschleunigt werden.

Michaelis-Menten

Abb. 1: Michaelis-Menten-Sättigungskurve für eine Enzymreaktion, die die Beziehung zwischen der Substratkonzentration und der Reaktionsgeschwindigkeit zeigt. | © Thomas Shafee – Own work, CC BY 4.0

Eduard Buchner (Nobelpreis 1907) und Moritz Traube etablierten den Enzymbegriff für hochmolekulare, reaktionsspezifische und nicht an Zellen gebundene Katalysatoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit um den Faktor 108 bis 1020 erhöhen. Es fehlte aber noch die physikalisch-chemische Bearbeitung der Vorgänge. Die Bestimmung der katalytischen Aktivität (Substratverbrauch oder Produktbildung) der Enzyme und die Nutzung der Enzyme zur Substratbestimmung haben die klinische Diagnostik entscheidend bereichert.

Victor Henri (1872–1940, ein deutsch-französischer Biochemiker russischer Abstammung) publizierte 1902/3 erste Artikel zur Enzymkinetik. In einer komplizierten Formel hatte er verschiedene Varianten mathematisch erfasst, aber experimentell die Einflüsse von pH-Wert und Mutarotation optisch aktiver Verbindungen nicht berücksichtigt. Henris Arbeiten wurden zwar von einzelnen Biochemikern zitiert, aber erst 1913 konnten Leonor Michaelis (1875–1949)[1] und Maud Menten (1879–1960)[2] durch genauere und vereinfachte Ableitung, Interpretation und experimentelle Bestätigung der Messungen an der Invertase (Saccharase) den entscheidenden Erfolg erzielen [3–6].

Die Geschwindigkeit einer Enzymreaktion hängt von der Konzentration der Reaktionsteilnehmer ab: Enzym E und Substrat S bilden einen spezifischen Komplex ES („Schlüssel-Schloss-Prinzip“ nach Emil Fischer). Die Geschwindigkeit V ist von der S-Konzentration [S] abhängig und erreicht bei S-Sättigung des Enzyms die maximale Geschwindigkeit Vmax . Bestimmend ist der Zerfall von ES zu E und Produkt [P], nur im Fließgleichgewicht sind Bildungs- und Zerfallsgeschwindigkeit gleich groß.



KM ist die sogenannte Michaelis-Menten-Konstante (gelegentlich auch Henri-Michaelis-Menten-Konstante genannt). Für [S] = KM erreicht V die halbmaximale Geschwindigkeit (für die meisten Enzyme bei 10–5 bis 10–3 mol/l) und KM ist ein inverses Maß für die Affinität von E und S (die sogenannte Assoziationskonstante). Durch doppelreziproke Auftragung der gemessenen Hyperbel kann man KM und Vmax aus der Steigung der Geraden KM/Vmax , aus dem Ordinatenschnittpunkt 1/Vmax oder dem negativen Schnittpunkt mit der Abszisse –1/KM ablesen (Lineweaver-Burk-Plot) oder heute direkt mittels Computerprogrammen.

Michaelis und Menten hatten auch bereits erkannt und berechnet, dass die Aktivität der Enzyme durch Effektoren, wie den kompetitiven Inhibitoren, verändert werden kann. Die ermittelten Inhibitionskonstanten KI geben die Affinität des Enzyms zum Hemmstoff analog wie KM zu [S] wieder. Die Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung von Arzneistoffen. Das Modell wurde später auf Antigen-Antikörper-Bindung, Protein-Protein-Interaktion und DNA-DNA-Hybridisierung übertragen.

Leonor Michaelis wurde 1875 als Sohn einer jüdischen Kaufmannsfamilie in Berlin geboren [1]. Ab 1893 studierte er Medizin in Freiburg und Berlin und promovierte nach vier Jahren. Danach war er Assistent bei Paul Ehrlich (histochemische Färbungen, Janusgrün für Mitchondrien), Moritz Litten und Victor von Leyden. Da er nur eine außerordentliche Professur erhielt, wechselte er als Leiter des Bakteriologischen Labors an das Städtische Urban-Krankenhaus in Berlin. Dort richtete er mit seinem jüdischen Freund und späteren Nachfolger Peter Rona (1945 ermordet oder Selbstmord) ein winziges chemisches Labor ein, wo jedoch zahlreiche, auch ausländische, Gäste (etwa 40 Personen bis 1920) mit ihm arbeiteten und von ihm lernten. 1902 hatte er mit Carl Gutmann bei der seltenen renalen Malakoplakie die sogenannten Michaelis-Gutmann-Körperchen entdeckt: Reste von Phagozyten, die Bakterienreste sowie Ca und Fe enthalten.