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Enzymkinetik mit dem Supermarktmodell erklärt
Das Supermarktmodell ist eine effektive Metapher, um die Enzymkinetik und das Michaelis-Menten-Diagramm in der Biochemie verständlich zu machen. In diesem Modell werden die einzelnen Aspekte der Enzymarbeit mit Vorgängen in einem Supermarkt verglichen.
a) Beschreibung des Modells
In unserem Modell entsprechen die Kassen mit Kassierer(innen) den Enzymen. Die Kunden, die ihre Einkäufe bezahlen möchten, stehen für die Substrate. Sobald ein Kunde (Substrat) seinen Einkauf bezahlt hat, wird er zum Produkt, das den Supermarkt verlässt.
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Situation a: Nur wenige Kunden sind im Supermarkt, und es gibt mehr als genug Kassen. Jeder Kunde kann sofort bezahlen, ohne zu warten.
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Situation b: Die Anzahl der Kunden hat zugenommen, aber es gibt immer noch ausreichend Kassen. Es bilden sich kleine Schlangen, aber die Kunden müssen nicht lange warten.
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Situation c: Der Supermarkt ist sehr voll. Alle Kassen sind besetzt, und lange Schlangen haben sich gebildet. Neue Kunden müssen warten, bis frühere Kunden fertig sind.
b) Michaelis-Menten-Diagramm und das Supermarktmodell
Das Michaelis-Menten-Diagramm zeigt, wie die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration ansteigt, bis eine maximale Geschwindigkeit (\(V_{max}\)) erreicht ist. Im Supermarktmodell wäre dies vergleichbar mit der Zunahme der Kundenanzahl: Zunächst steigt die Anzahl der abgefertigten Kunden schnell, doch sobald alle Kassen besetzt sind, führen zusätzliche Kunden nur zu längeren Schlangen, ohne dass mehr Kunden pro Zeiteinheit abgefertigt werden können.
c) Veranschaulichung weiterer Aspekte
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Halbsättigung der Enzyme: Dies entspricht dem Punkt, an dem die Hälfte der Kassen aktiv Kunden bedient. Es zeigt, wie viel Substrat benötigt wird, um die Hälfte der Enzyme (Kassen) zu sättigen.
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Reaktionsgeschwindigkeit: Wie schnell Kunden abgefertigt werden können. Bei wenigen Kunden (Substrat) ist die Geschwindigkeit hoch, da keine Wartezeiten entstehen.
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Maximalgeschwindigkeit (\(V_{max}\)): Dies ist der Punkt, an dem alle Kassen (Enzyme) besetzt sind und Kunden (Substrate) so schnell wie möglich abgefertigt werden; eine Erhöhung der Kunden führt nicht zu einer schnelleren Abfertigungsgeschwindigkeit.
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K Wert (Michaelis-Konstante): Der Punkt, an dem die Geschwindigkeit genau die Hälfte der Maximalgeschwindigkeit ist. Dies spiegelt die Substratkonzentration wider, bei der die Hälfte der Kassen (Enzyme) besetzt ist.
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Wechselzahl: Die Anzahl der Kunden, die eine Kasse in einer bestimmten Zeit abfertigen kann, äquivalent zu der Anzahl der Substratmoleküle, die ein Enzym in Produkte umwandelt.
d) Einfluss der Substratkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei hohen Substratkonzentrationen
Bei hohen Substratkonzentrationen sind alle Enzyme (Kassen) ständig besetzt und arbeiten mit ihrer maximalen Geschwindigkeit (\(V_{max}\)). Eine weitere Erhöhung der Substratkonzentration fügt mehr Kunden hinzu, aber da keine Kassen frei sind, können diese nicht schneller bedient werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann nicht über \(V_{max}\) hinaus erhöht werden, ähnlich wie im Supermarkt keine Kunden schneller abgefertigt werden können, wenn alle Kassen bereits voll ausgelastet sind.
