Toate reacțiile biochimice care apar în organism sunt supuse unui control specific, care se efectuează printr-un efect activator sau inhibitor asupra enzimelor reglatoare. Acestea din urmă sunt de obicei localizate la începutul lanțurilor de transformări metabolice și fie încep un proces în mai multe etape, fie îl încetinesc. Unele reacții unice sunt, de asemenea, supuse reglementării. Inhibarea competitivă este unul dintre principalele mecanisme de control al activității catalitice a enzimelor.
Ce este inhibiția?
Mecanismul catalizei enzimatice se bazează pe legarea locului activ al enzimei de molecula substrat (complexul ES), rezultând o reacție chimică cu formarea și eliberarea produsului (E+S=ES=EP=E+P).
Inhibarea unei enzime este o reducere a vitezei sau o oprire completă a procesului de cataliză. Într-o mai îngustăsens, acest termen înseamnă o scădere a afinității centrului activ pentru substrat, care se realizează prin legarea moleculelor de enzime de substanțe inhibitoare. Acestea din urmă pot acționa în diverse moduri, pe baza cărora se împart în mai multe tipuri, care corespund mecanismelor de inhibiție cu același nume.
Tipuri principale de inhibiție
După natura procesului, inhibiția poate fi de două tipuri:
- Ireversibil - provoacă modificări persistente ale moleculei enzimatice, privând-o de activitate funcțională (aceasta din urmă nu poate fi restabilită). Poate fi fie specific, fie nespecific. Inhibitorul se leagă puternic de enzimă prin interacțiune covalentă.
- Reversibil - principalul tip de reglare negativă a enzimelor. Se realizează datorită atașării specifice reversibile a inhibitorului de proteina enzimatică prin legături slabe necovalente, susceptibile de descriere cinetică conform ecuației Michaelis-Menten (cu excepția reglării alosterice).
Există două tipuri principale de inhibare reversibilă a enzimelor: competitivă (poate fi atenuată prin creșterea concentrației de substrat) și necompetitivă. În acest din urmă caz, viteza maximă posibilă de cataliză scade.
Principala diferență dintre inhibiția competitivă și cea necompetitivă constă în locul de atașare a substanței de reglementare la enzimă. În primul caz, inhibitorul se leagă direct la locul activ, iar în al doilea caz, la un alt situs al enzimei sau la complexul enzimă-substrat.
Există și un tip mixt de inhibiție, în care legarea de un inhibitor nu previne formarea ES, ci încetinește cataliza. În acest caz, substanța regulatoare se află în compoziția complexelor duble sau triple (EI și EIS). La tipul necompetitiv, enzima se leagă doar de ES.
Caracteristici ale inhibării competitive reversibile a enzimelor
Mecanismul competitiv de inhibiție se bazează pe asemănarea structurală a substanței de reglare cu substratul. Ca rezultat, se formează un complex al centrului activ cu inhibitorul, denumit în mod convențional EI.
Inhibarea competitivă reversibilă are următoarele caracteristici:
- legarea de inhibitor are loc la locul activ;
- inactivarea moleculei de enzimă este reversibilă;
- efectul inhibitor poate fi redus prin creșterea concentrației substratului;
- inhibitorul nu afectează rata maximă de cataliză enzimatică;
- complexul EI se poate descompune, care se caracterizează prin constanta de disociere corespunzătoare.
Cu acest tip de reglare, inhibitorul și substratul par să concureze (concureze) unul cu celăl alt pentru un loc în centrul activ, de unde și numele procesului.
Ca urmare, inhibiția competitivă poate fi definită ca un proces reversibil de inhibare a catalizei enzimatice, bazat pe afinitatea specifică a locului activ pentru substanța inhibitoare.
Mecanism de acțiune
Tetheringun inhibitor cu un situs activ previne formarea unui complex enzima-substrat necesar catalizei. Ca urmare, molecula de enzimă devine inactivă. Cu toate acestea, centrul catalitic se poate lega nu numai de inhibitor, ci și de substrat. Probabilitatea formării unuia sau altui complex depinde de raportul concentrațiilor. Dacă există semnificativ mai multe molecule de substrat, atunci enzima va reacționa cu ele mai des decât cu inhibitorul.
Influența asupra vitezei unei reacții chimice
Gradul de inhibare a catalizei în timpul inhibării competitive este determinat de cât de mult din enzimă va forma complexe EI. În acest caz, este posibilă creșterea concentrației substratului în așa măsură încât rolul inhibitorului să fie înlocuit, iar viteza de cataliză să atingă valoarea maximă posibilă corespunzătoare valorii Vmaxconform ecuației Michaelis-Menten.
Acest fenomen se datorează diluției puternice a inhibitorului. Ca urmare, probabilitatea ca moleculele de enzimă să se lege de acesta este redusă la zero, iar centrii activi reacţionează numai cu substratul.
Dependențe cinetice ale unei reacții enzimatice care implică un inhibitor competitiv
Inhibarea competitivă crește constanta Michaelis (Km), care este egală cu concentrația de substrat necesară pentru a atinge ½ viteza maximă de cataliză la începutul reacției. Cantitatea de enzimă ipotetic capabilă să se lege de substrat rămâne constantă, în timp ce numărul de ES-complexe depinde doar de concentrația acestora din urmă (complecșii EI nu sunt constante și pot fi deplasați de substrat).
Inhibarea competitivă a enzimelor este ușor de determinat din graficele dependenței cinetice construite pentru diferite concentrații ale substratului. În acest caz, valoarea Km se va modifica, în timp ce Vmax va rămâne constantă.
În cazul inhibiției necompetitive, opusul este adevărat: inhibitorul se leagă în afara centrului activ și prezența substratului nu poate afecta în niciun fel acest lucru. Ca rezultat, unele dintre moleculele de enzime sunt „oprite” din cataliză, iar rata maximă posibilă scade. Cu toate acestea, moleculele de enzime active se pot lega cu ușurință de substrat atât la concentrații scăzute, cât și la concentrații mari ale acestuia din urmă. Prin urmare, constanta Michaelis rămâne constantă.
Grafice de inhibiție competitivă în sistemul de coordonate duble inverse sunt mai multe drepte care intersectează axa y în punctul 1/Vmax. Fiecare linie dreaptă corespunde unei anumite concentrații a substratului. Diferite puncte de intersecție cu axa absciselor (1/[S]) indică o modificare a constantei Michaelis.
Acțiunea unui inhibitor competitiv pe exemplul malonatului
Un exemplu tipic de inhibiție competitivă este procesul de reducere a activității succinat dehidrogenazei, o enzimă care catalizează oxidarea acidului succinic (succinat) la acid fumaric. Aici ca un inhibitormalonatul acționează, având o asemănare structurală cu succinatul.
Adăugarea unui inhibitor la mediu determină formarea de complexe de malonat cu succinat dehidrogenază. O astfel de legătură nu provoacă daune site-ului activ, ci blochează accesibilitatea acestuia la acidul succinic. Creșterea concentrației de succinat reduce efectul inhibitor.
Uz medical
Acțiunea multor medicamente, care sunt analogi structurali ai substraturilor unor căi metabolice, a căror inhibare este o parte necesară a tratamentului bolilor, se bazează pe mecanismul inhibiției competitive..
De exemplu, pentru a îmbunătăți conducerea impulsurilor nervoase în distrofiile musculare, este necesară creșterea nivelului de acetilcolină. Acest lucru se realizează prin inhibarea activității acetilcolinesterazei sale hidrolizatoare. Inhibitorii sunt baze de amoniu cuaternar care fac parte din medicamente (prorășină, endrofoniu etc.).
Antimetaboliții se disting într-un grup special, care, pe lângă efectul inhibitor, prezintă proprietățile unui pseudosubstrat. În acest caz, formarea complexului EI duce la formarea unui produs anormal inert biologic. Antimetaboliții includ sulfonamide (utilizate în tratamentul infecțiilor bacteriene), analogi de nucleotide (utilizați pentru a opri creșterea celulară a unei tumori canceroase), etc.
