Sve biokemijske reakcije koje se događaju u tijelu podložne su specifičnoj kontroli, koja se provodi kroz aktivacijski ili inhibitorni učinak na regulatorne enzime. Potonji se obično nalaze na početku lanaca metaboličkih transformacija i ili započinju višestupanjski proces ili ga usporavaju. Neke pojedinačne reakcije također su podložne regulaciji. Kompetitivna inhibicija jedan je od glavnih mehanizama za kontrolu katalitičke aktivnosti enzima.
Što je inhibicija?
Mehanizam enzimske katalize temelji se na vezanju aktivnog mjesta enzima na molekulu supstrata (ES kompleks), što rezultira kemijskom reakcijom s stvaranjem i oslobađanjem produkta (E+S=ES=EP=E+P).
Inhibicija enzima je smanjenje brzine ili potpuno zaustavljanje procesa katalize. U užemsmislu, ovaj izraz označava smanjenje afiniteta aktivnog centra za supstrat, što se postiže vezanjem molekula enzima na inhibitorske tvari. Potonji mogu djelovati na različite načine, na temelju čega se dijele na nekoliko tipova, koji odgovaraju istoimenim mehanizmima inhibicije.
Glavne vrste inhibicije
Po prirodi procesa, inhibicija može biti dvije vrste:
- Nepovratno - uzrokuje trajne promjene u molekuli enzima, lišavajući je funkcionalne aktivnosti (potonje se ne može obnoviti). Može biti specifična ili nespecifična. Inhibitor se snažno veže na enzim kovalentnom interakcijom.
- Reverzibilno - glavna vrsta negativne regulacije enzima. Provodi se zbog reverzibilnog specifičnog vezanja inhibitora na enzimski protein putem slabih nekovalentnih veza, podložnih kinetičkom opisu prema Michaelis-Menten jednadžbi (s izuzetkom alosterične regulacije).
Postoje dvije glavne vrste reverzibilne inhibicije enzima: kompetitivna (može biti oslabljena povećanjem koncentracije supstrata) i nekonkurentna. U potonjem slučaju, najveća moguća brzina katalize se smanjuje.
Glavna razlika između kompetitivne i nekonkurentske inhibicije leži u mjestu vezanja regulatorne tvari za enzim. U prvom slučaju, inhibitor se veže izravno na aktivno mjesto, au drugom slučaju na drugo mjesto enzima, ili na kompleks enzim-supstrat.
Postoji i mješoviti tip inhibicije, u kojem vezivanje na inhibitor ne sprječava nastanak ES, ali usporava katalizu. U ovom slučaju, regulatorna tvar je u sastavu dvostrukih ili trostrukih kompleksa (EI i EIS). U nekonkurentnom tipu, enzim se veže samo na ES.
Značajke reverzibilne kompetitivne inhibicije enzima
Natjecateljski mehanizam inhibicije temelji se na strukturnoj sličnosti regulatorne tvari sa supstratom. Kao rezultat, formira se kompleks aktivnog centra s inhibitorom, konvencionalno označen kao EI.
Reverzibilna kompetitivna inhibicija ima sljedeće značajke:
- vezivanje na inhibitor se događa na aktivnom mjestu;
- inaktivacija molekule enzima je reverzibilna;
- inhibicijski učinak može se smanjiti povećanjem koncentracije supstrata;
- inhibitor ne utječe na maksimalnu brzinu enzimske katalize;
- kompleks EI se može razgraditi, što je karakterizirano odgovarajućom konstantom disocijacije.
S ovom vrstom regulacije, čini se da se inhibitor i supstrat natječu (natječu) jedni s drugima za mjesto u aktivnom centru, otuda i naziv procesa.
Kao rezultat toga, kompetitivna inhibicija se može definirati kao reverzibilni proces inhibicije enzimske katalize, na temelju specifičnog afiniteta aktivnog mjesta za inhibitorsku tvar.
Mehanizam djelovanja
Privezivanjeinhibitor s aktivnim mjestom sprječava stvaranje kompleksa enzim-supstrat potrebnog za katalizu. Kao rezultat toga, molekula enzima postaje neaktivna. Ipak, katalitički centar se može vezati ne samo na inhibitor, već i na supstrat. Vjerojatnost stvaranja jednog ili drugog kompleksa ovisi o omjeru koncentracija. Ako postoji znatno više molekula supstrata, tada će enzim češće reagirati s njima nego s inhibitorom.
Utjecaj na brzinu kemijske reakcije
Stupanj inhibicije katalize tijekom kompetitivne inhibicije određen je koliki će dio enzima formirati EI-komplekse. U tom slučaju moguće je povećati koncentraciju supstrata do te mjere da će se zamijeniti uloga inhibitora, a brzina katalize dostići najveću moguću vrijednost koja odgovara vrijednosti Vmaxprema Michaelis-Menten jednadžbi.
Ova pojava je posljedica jakog razrjeđivanja inhibitora. Kao rezultat toga, vjerojatnost da se molekule enzima vežu na njega smanjena je na nulu, a aktivni centri reagiraju samo sa supstratom.
Kinetičke ovisnosti enzimske reakcije koja uključuje kompetitivni inhibitor
Konkurentska inhibicija povećava Michaelisovu konstantu (Km), koja je jednaka koncentraciji supstrata potrebnoj za postizanje ½ maksimalne brzine katalize na početku reakcije. Količina enzima hipotetski sposobna da se veže na supstrat ostaje konstantna, dok broj ES-kompleksi ovise samo o koncentraciji potonjeg (EI kompleksi nisu konstantni i mogu se istisnuti supstratom).
Kompetitivnu inhibiciju enzima lako je odrediti iz grafova kinetičke ovisnosti izgrađenih za različite koncentracije supstrata. U ovom slučaju, vrijednost Km će se promijeniti, dok će Vmax ostati konstantna.
Kod nekonkurentne inhibicije, točno je suprotno: inhibitor se veže izvan aktivnog centra i prisutnost supstrata ne može utjecati na to ni na koji način. Kao rezultat toga, neke od molekula enzima se "isključuju" iz katalize, a najveća moguća brzina se smanjuje. Ipak, aktivne molekule enzima mogu se lako vezati na supstrat i pri niskim i pri visokim koncentracijama potonjeg. Stoga Michaelisova konstanta ostaje konstantna.
Grafovi kompetitivne inhibicije u sustavu dvostrukih inverznih koordinata su nekoliko ravnih linija koje sijeku y-os u točki 1/Vmax. Svaka ravna crta odgovara određenoj koncentraciji supstrata. Različite točke presjeka s apscisnom osi (1/[S]) ukazuju na promjenu Michaelisove konstante.
Djelovanje kompetitivnog inhibitora na primjeru malonata
Tipičan primjer kompetitivne inhibicije je proces smanjenja aktivnosti sukcinat dehidrogenaze, enzima koji katalizira oksidaciju jantarne kiseline (sukcinata) u fumarnu kiselinu. Ovdje kao inhibitormalonat djeluje, ima strukturnu sličnost sa sukcinatom.
Dodavanje inhibitora mediju uzrokuje stvaranje kompleksa malonata sa sukcinat dehidrogenazom. Takva veza ne uzrokuje oštećenje aktivnog mjesta, ali blokira njegovu dostupnost jantarnoj kiselini. Povećanje koncentracije sukcinata smanjuje inhibicijski učinak.
Medicinska upotreba
Djelovanje mnogih lijekova, koji su strukturni analozi supstrata nekih metaboličkih puteva, čija je inhibicija nužan dio liječenja bolesti, temelji se na mehanizmu kompetitivne inhibicije..
Na primjer, za poboljšanje provođenja živčanih impulsa kod mišićnih distrofija potrebno je povećati razinu acetilkolina. To se postiže inhibicijom aktivnosti njegove hidrolizirajuće acetilkolinesteraze. Inhibitori su kvaternarne amonijeve baze koje su dio lijekova (proresin, endrofonij, itd.).
U posebnu skupinu izdvajaju se antimetaboliti, koji osim inhibitornog djelovanja pokazuju svojstva pseudosupstrata. U tom slučaju stvaranje EI kompleksa dovodi do stvaranja biološki inertnog anomalnog produkta. Antimetaboliti uključuju sulfonamide (koriste se u liječenju bakterijskih infekcija), analoge nukleotida (koriste se za zaustavljanje rasta stanica kancerogenog tumora) itd.
