Totes les reaccions bioquímiques que es produeixen a l'organisme estan subjectes a un control específic, que es realitza mitjançant un efecte activador o inhibidor dels enzims reguladors. Aquests últims se solen situar a l'inici de les cadenes de transformacions metabòliques i o bé inicien un procés multietapa o bé el retarden. Algunes reaccions individuals també estan subjectes a regulació. La inhibició competitiva és un dels mecanismes principals per controlar l'activitat catalítica dels enzims.
Què és la inhibició?
El mecanisme de catàlisi enzimàtica es basa en la unió del lloc actiu de l'enzim a la molècula de substrat (complex ES), donant lloc a una reacció química amb la formació i alliberament del producte (E+S=ES).=EP=E+P).
La inhibició d'un enzim és una reducció de la velocitat o una aturada completa del procés de catàlisi. En un més estretsentit, aquest terme significa una disminució de l'afinitat del centre actiu pel substrat, que s'aconsegueix unint molècules enzimàtiques a substàncies inhibidores. Aquests últims poden actuar de diverses maneres, a partir de les quals es divideixen en diversos tipus, que corresponen als mecanismes d'inhibició del mateix nom.
Tipus principals d'inhibició
Per la naturalesa del procés, la inhibició pot ser de dos tipus:
- Irreversible - provoca canvis persistents en la molècula enzimàtica, privant-la de l'activitat funcional (aquesta última no es pot restaurar). Pot ser específic o no específic. L'inhibidor s'uneix fortament a l'enzim mitjançant una interacció covalent.
- Reversible: el principal tipus de regulació negativa dels enzims. Es duu a terme a causa de la unió específica reversible de l'inhibidor a la proteïna enzimàtica mitjançant enllaços no covalents febles, susceptibles de descripció cinètica segons l'equació de Michaelis-Menten (a excepció de la regulació al·lostèrica).
Hi ha dos tipus principals d'inhibició enzimàtica reversible: competitiva (es pot atenuar augmentant la concentració de substrat) i no competitiva. En aquest últim cas, la velocitat màxima possible de catàlisi disminueix.
La principal diferència entre la inhibició competitiva i la no competitiva rau en el lloc d'unió de la substància reguladora a l'enzim. En el primer cas, l'inhibidor s'uneix directament al lloc actiu, i en el segon cas, a un altre lloc de l'enzim, o al complex enzim-substrat.
També hi ha un tipus mixt d'inhibició, en què la unió a un inhibidor no impedeix la formació d'ES, sinó que alenteix la catàlisi. En aquest cas, la substància reguladora es troba en la composició de complexos dobles o triples (EI i EIS). En el tipus no competitiu, l'enzim només s'uneix a ES.
Característiques de la inhibició competitiva reversible dels enzims
El mecanisme competitiu d'inhibició es basa en la similitud estructural de la substància reguladora amb el substrat. Com a resultat, es forma un complex del centre actiu amb l'inhibidor, denominat convencionalment com a EI.
La inhibició competitiva reversible té les característiques següents:
- la unió a l'inhibidor es produeix al lloc actiu;
- la inactivació de la molècula enzimàtica és reversible;
- l'efecte inhibidor es pot reduir augmentant la concentració del substrat;
- inhibidor no afecta la velocitat màxima de catàlisi enzimàtica;
- el complex EI es pot descompondre, que es caracteritza per la constant de dissociació corresponent.
Amb aquest tipus de regulació, l'inhibidor i el substrat semblen competir (competir) entre ells per un lloc al centre actiu, d'aquí el nom del procés.
Com a resultat, la inhibició competitiva es pot definir com un procés reversible d'inhibició de la catàlisi enzimàtica, basat en l'afinitat específica del lloc actiu per la substància inhibidora.
Mecanisme d'acció
Tetheringun inhibidor amb un lloc actiu impedeix la formació d'un complex enzim-substrat necessari per a la catàlisi. Com a resultat, la molècula enzimàtica es torna inactiva. No obstant això, el centre catalític es pot unir no només a l'inhibidor, sinó també al substrat. La probabilitat de formació d'un o altre complex depèn de la relació de concentracions. Si hi ha molt més molècules de substrat, l'enzim reaccionarà amb elles més sovint que amb l'inhibidor.
Influència en la velocitat d'una reacció química
El grau d'inhibició de la catàlisi durant la inhibició competitiva està determinat per la quantitat de l'enzim que formarà complexos EI. En aquest cas, és possible augmentar la concentració del substrat fins a tal punt que es substitueixi el paper de l'inhibidor i la velocitat de catàlisi assoleixi el valor màxim possible corresponent al valor Vmaxsegons l'equació de Michaelis-Menten.
Aquest fenomen es deu a la forta dilució de l'inhibidor. Com a resultat, la probabilitat que les molècules d'enzim s'hi uneixin es redueix a zero i els centres actius només reaccionen amb el substrat.
Dependències cinètiques d'una reacció enzimàtica que implica un inhibidor competitiu
La inhibició competitiva augmenta la constant de Michaelis (Km), que és igual a la concentració de substrat necessària per aconseguir ½ de la velocitat màxima de catàlisi a l'inici de la reacció. La quantitat de l'enzim hipotèticament capaç d'unir-se al substrat es manté constant, mentre que el nombre d'ES-complexos depèn només de la concentració d'aquest últim (els complexos EI no són constants i poden ser desplaçats pel substrat).
La inhibició competitiva dels enzims és fàcil de determinar a partir dels gràfics de la dependència cinètica construïts per a diferents concentracions del substrat. En aquest cas, el valor de Km canviarà, mentre que Vmax es mantindrà constant.
Amb la inhibició no competitiva, passa el contrari: l'inhibidor s'uneix fora del centre actiu i la presència del substrat no pot afectar-ho de cap manera. Com a resultat, algunes de les molècules enzimàtiques queden "apagades" de la catàlisi i la velocitat màxima possible disminueix. No obstant això, les molècules enzimàtiques actives es poden unir fàcilment al substrat tant a concentracions baixes com altes d'aquest últim. Per tant, la constant de Michaelis es manté constant.
Els gràfics d'inhibició competitiva en el sistema de coordenades inverses dobles són diverses rectes que tallen l'eix y en el punt 1/Vmax. Cada línia recta correspon a una determinada concentració del substrat. Els diferents punts d'intersecció amb l'eix d'abscisses (1/[S]) indiquen un canvi en la constant de Michaelis.
L'acció d'un inhibidor competitiu sobre l'exemple del malonat
Un exemple típic d'inhibició competitiva és el procés de reducció de l'activitat de la succinat deshidrogenasa, un enzim que catalitza l'oxidació de l'àcid succínic (succinat) a àcid fumàric. Aquí com a inhibidormalonat actua, amb una semblança estructural amb succinat.
Afegir un inhibidor al medi provoca la formació de complexos de malonat amb succinat deshidrogenasa. Aquest enllaç no causa danys al lloc actiu, però bloqueja la seva accessibilitat a l'àcid succínic. L'augment de la concentració de succinat redueix l'efecte inhibidor.
Ús mèdic
L'acció de molts fàrmacs, que són anàlegs estructurals dels substrats d'algunes vies metabòliques, la inhibició de les quals és una part necessària del tractament de les mal alties, es basa en el mecanisme d'inhibició competitiva..
Per exemple, per millorar la conducció dels impulsos nerviosos en les distròfies musculars, cal augmentar el nivell d'acetilcolina. Això s'aconsegueix inhibint l'activitat de la seva acetilcolinesterasa hidrolitzant. Els inhibidors són bases d'amoni quaternari que formen part de fàrmacs (proresina, endrofoni, etc.).
Els Els antimetabolits es distingeixen en un grup especial que, a més de l'efecte inhibidor, presenten les propietats d'un pseudosubstrat. En aquest cas, la formació del complex EI condueix a la formació d'un producte anòmal biològicament inert. Els antimetabòlics inclouen sulfonamides (utilitzades en el tractament d'infeccions bacterianes), anàlegs de nucleòtids (utilitzats per aturar el creixement cel·lular d'un tumor cancerós), etc.
