大学 · 20分

酵素触媒：ミハエリス・メンテン曲線

酵素反応の初速度 v を基質濃度に対してプロットし、なぜ曲線が Vmax で飽和するかを見る。

目的

曲線 $v = V_\mathrm{max}[S]/(K_m + [S])$ から $K_m$ と $V_\mathrm{max}$ を読み取り、酵素–基質親和性や酵素量と結びつける。

器具と試薬

仮想実験台：基質原液、カタラーゼ様酵素、ストップウォッチと速度表示。曲線全体はシミュレーションが供給する。

手順

基準プリセット（Km = 1.0、Vmax = 1）から始める。[S] = Km にカーソルを合わせ、v = Vmax/2 を確かめる。
Km = 4.0（親和性低）に切り替える。Vmax の半分に達するには基質がどれだけ必要か。
Km = 1.0、Vmax = 0.5 を基準と比べる。何が変わらず、何が半減するか。酵素を半分にした場合と結びつけよう。
各プリセットで [S] → 0 の見かけの効率を見積もる。Vmax/Km に近づく。

観察すること

[S] が低いと曲線はほぼ直線で傾きは Vmax/Km。[S] が高いと活性部位がすべて埋まり曲線は平坦になる。
Km を 1.0 から 4.0 にすると半飽和点は4倍右へ移るが、プラトーは変わらない。
Vmax を半分にするとプラトーは下がるが、半飽和基質濃度である Km は変わらない。

解説

酵素 E は基質 S と可逆的に結合して ES をつくり、生成物を放出する: $\ce{E + S <=> ES -> E + P}$ 。活性部位の大半が空いていれば [S] を2倍にすると v もほぼ2倍になる。[S] ≫ Km では全部位が埋まり速度は $V_\mathrm{max} = k_\mathrm{cat}[E]_\mathrm{total}$ に頭打ちとなり、酵素を増やすしか上げられない。 $K_m$ は半分の速度を与える基質濃度なので、Km が小さいほど低 [S] でも有効に結合する。

実験の歴史

1913年、レオノール・ミハエリスとモード・メンテンはベルリンの実験室でインベルターゼを測定し、ヴィクトル・アンリの先行定式をもとに速度式を導いた。この双曲線式は酵素学の柱となり、1925年にブリッグスとホールデンの定常状態近似で洗練された。

ゆかりの化学者

エミール・フィッシャーヴィルヘルム・オストヴァルトフランシス・アーノルド