Wechselzahl

Die Wechselzahl (engl. Turnover Frequency, abgek. TOF) beschreibt in der Katalyse die Anzahl an Formelumsätzen (bzw. katalytischen Zyklen), die ein bestimmter Katalysator pro Zeitspanne und katalytisch aktivem Zentrum beschleunigen kann. Die Wechselzahl ist ein Maß für die Effizienz eines Katalysators.

Homogene metallorganische Komplexkatalyse

In der homogenen metallorganischen Komplexkatalyse ist in der Regel jedes Komplexmolekül katalytisch aktiv. Gemessen wird die Wechselzahl z. B. als die volumetrische Reaktionsrate ${\displaystyle \left(\mathrm {in\,{\frac {mol_{Edukt}}{m^{3}\cdot s}}} \right)}$ pro katalytisch aktivem Komplex ${\displaystyle \left(\mathrm {in\,{\frac {mol_{Katalysator}}{m^{3}}}} \right)}$; die SI-Einheit der Wechselzahl ist damit s⁻¹.

Heterogene Katalyse

In der heterogenen Katalyse wird die Wechselzahl als Umsatz pro aktivem Zentrum pro Katalysatorvolumen bestimmt.

Die Zahl der aktiven Metallzentren ist dabei z. B. durch Wasserstoff- oder Kohlenmonoxidadsorption bestimmbar, die Zahl der aktiven Säurezentren z. B. durch die Adsorption von Ammoniak.^[1]

Biokatalyse

In der Biochemie charakterisiert der Quotient aus Wechselzahl (k_cat) und Michaelis-Menten-Konstante (K_m) die Leistungsfähigkeit bzw. katalytische Effizienz eines einzelnen Enzymmoleküls.

Bei enzymatischen Reaktionen wird statt der Gesamtzahl an möglichen Umsätzen die Anzahl der Umsätze pro Zeitspanne bestimmt. Damit ist die Wechselzahl in diesem Zusammenhang die Geschwindigkeitskonstante der enzymatischen Reaktion. Daher wird hier auch von molekularer Aktivität (k_cat) gesprochen. Mathematisch betrachtet beschreibt der Wert also das Maximum des Enzymumsatzes pro Zeit, der durch weitere Substratgabe nicht mehr steigerbar ist.

Beispiele

Tabelle

Enzym	Substrat	Wechselzahl (kcat) in s−1	kcat / Km in s−1·mol−1·l	Quelle
Carboanhydrase	CO2	1.000.000	76.000.000	[2]
"	HCO3−	200.000	10.000.000	"
Katalase	H2O2	10.000.000?	40.000.000
Acetylcholinesterase	AcCh	25.000	50.000.000	[3]
Urease	Harnstoff	3.000	1.250.000	[4]
Fumarase	Fumarat	1150	5.560.000	[5]
"	S-Malat	600	700.000	"
Kinasen	ATP	1.000	–	?
Trypsin, Chymotrypsin	Proteine	100–1.000	–	?
Dehydrogenasen	NADH, H+, FADH2	1.000	–	?
DNA-Polymerasen	DNA, NTP	10–10.000	–	?
- Pol I	"	15	–	?
- Pol III	"	10.000	–	?
Myosin-ATPase	ATP	100	–	?
humane Aldolase A	Fructose-1,6-bisphosphat	60	1.150.000	[6]
"	Fructose-1-phosphat	1,3	50	"
humane Aldolase B	Fructose-1,6-bisphosphat	13	1.100.000	"
"	Fructose-1-phosphat	11	3.000	"
humane Aldolase C	Fructose-1,6-bisphosphat	20	1.500.000	"
"	Fructose-1-phosphat	2,7	150	"
Lysozym	Murein	0,5	–	?

Siehe auch

• Enzymkinetik
• Katalytische Produktivität