Sve biohemijske reakcije koje se dešavaju u telu podležu specifičnoj kontroli, koja se sprovodi kroz aktivirajuće ili inhibitorno dejstvo na regulatorne enzime. Potonji se obično nalaze na početku lanaca metaboličkih transformacija i ili započinju višestepeni proces ili ga usporavaju. Neke pojedinačne reakcije su također predmet regulacije. Kompetitivna inhibicija je jedan od glavnih mehanizama za kontrolu katalitičke aktivnosti enzima.
Šta je inhibicija?
Mehanizam enzimske katalize zasniva se na vezivanju aktivnog mesta enzima na molekul supstrata (ES kompleks), što rezultira hemijskom reakcijom sa formiranjem i oslobađanjem proizvoda (E+S=ES=EP=E+P).
Inhibicija enzima je smanjenje brzine ili potpuno zaustavljanje procesa katalize. U užemU smislu, ovaj izraz označava smanjenje afiniteta aktivnog centra za supstrat, što se postiže vezivanjem molekula enzima na inhibitorske supstance. Potonji mogu djelovati na različite načine, na osnovu čega se dijele na nekoliko tipova, koji odgovaraju istoimenim mehanizmima inhibicije.
Glavne vrste inhibicije
Po prirodi procesa, inhibicija može biti dva tipa:
- Ireverzibilno - uzrokuje trajne promjene u molekulu enzima, lišavajući ga funkcionalne aktivnosti (potonje se ne može obnoviti). Može biti specifična ili nespecifična. Inhibitor se snažno vezuje za enzim kroz kovalentnu interakciju.
- Reverzibilno - glavni tip negativne regulacije enzima. Izvodi se zbog reverzibilnog specifičnog vezivanja inhibitora za enzimski protein putem slabih nekovalentnih veza, podložnih kinetičkom opisu prema Michaelis-Menten jednadžbi (sa izuzetkom alosterične regulacije).
Postoje dvije glavne vrste reverzibilne inhibicije enzima: kompetitivna (može biti oslabljena povećanjem koncentracije supstrata) i nekonkurentna. U potonjem slučaju, maksimalna moguća brzina katalize se smanjuje.
Glavna razlika između kompetitivne i nekonkurentne inhibicije leži u mjestu vezivanja regulatorne supstance za enzim. U prvom slučaju, inhibitor se vezuje direktno za aktivno mjesto, au drugom slučaju za drugo mjesto enzima, ili za kompleks enzim-supstrat.
Postoji i mješoviti tip inhibicije, u kojem vezivanje za inhibitor ne sprječava nastanak ES, ali usporava katalizu. U ovom slučaju, regulatorna supstanca je u sastavu dvostrukih ili trostrukih kompleksa (EI i EIS). Kod nekonkurentnog tipa, enzim se vezuje samo za ES.
Obilježja reverzibilne kompetitivne inhibicije enzima
Kompetitivni mehanizam inhibicije zasniva se na strukturnoj sličnosti regulatorne supstance sa supstratom. Kao rezultat, formira se kompleks aktivnog centra sa inhibitorom, konvencionalno označen kao EI.
Reverzibilna kompetitivna inhibicija ima sljedeće karakteristike:
- vezivanje za inhibitor se javlja na aktivnom mjestu;
- inaktivacija molekula enzima je reverzibilna;
- inhibicijski efekat se može smanjiti povećanjem koncentracije supstrata;
- inhibitor ne utiče na maksimalnu brzinu enzimske katalize;
- kompleks EI se može razgraditi, što je karakterizirano odgovarajućom konstantom disocijacije.
Sa ovom vrstom regulacije, inhibitor i supstrat kao da se takmiče (takmiče) 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, zasnovan na specifičnom afinitetu aktivnog mjesta za supstancu inhibitora.
Mehanizam djelovanja
Tetheringinhibitor sa aktivnim mestom sprečava stvaranje kompleksa enzim-supstrat neophodnog za katalizu. Kao rezultat, molekul enzima postaje neaktivan. Ipak, katalitički centar se može vezati ne samo za inhibitor, već i za supstrat. Vjerojatnost stvaranja jednog ili drugog kompleksa ovisi o omjeru koncentracija. Ako postoji znatno više molekula supstrata, onda će enzim češće reagirati s njima nego s inhibitorom.
Uticaj na brzinu hemijske reakcije
Stepen inhibicije katalize tokom kompetitivne inhibicije je određen koliko će enzima formirati EI-komplekse. U ovom slučaju moguće je povećati koncentraciju supstrata do te mjere da će se zamijeniti uloga inhibitora, a brzina katalize dostići maksimalnu moguću vrijednost koja odgovara vrijednosti Vmaxprema Michaelis-Menten jednačini.
Ova pojava je posledica jakog razblaženja inhibitora. Kao rezultat toga, vjerovatnoća da se molekuli enzima za njega vežu svedena je na nulu, a aktivni centri reagiraju samo sa supstratom.
Kinetičke zavisnosti enzimske reakcije koja uključuje kompetitivni inhibitor
Konkurentska inhibicija povećava Michaelisovu konstantu (Km), koja je jednaka koncentraciji supstrata koja je potrebna za postizanje ½ maksimalne brzine katalize na početku reakcije. Količina enzima hipotetički sposobnog da se veže za supstrat ostaje konstantna, dok broj ES-kompleksi zavise samo od koncentracije potonjeg (EI kompleksi nisu konstantni i mogu se istisnuti supstratom).
Kompetitivnu inhibiciju enzima je lako odrediti iz grafova kinetičke zavisnosti izgrađene za različite koncentracije supstrata. U ovom slučaju, vrijednost Km će se promijeniti, dok će Vmax ostati konstantna.
Kod nekonkurentne inhibicije, tačno je suprotno: inhibitor se vezuje izvan aktivnog centra i prisustvo supstrata ne može uticati na to ni na koji način. Kao rezultat toga, neki od molekula enzima se "isključuju" iz katalize, a maksimalna moguća brzina se smanjuje. Ipak, aktivni molekuli enzima mogu se lako vezati za supstrat i pri niskim i pri visokim koncentracijama potonjeg. Stoga, Michaelisova konstanta ostaje konstantna.
Grafovi kompetitivne inhibicije u sistemu dvostrukih inverznih koordinata su nekoliko pravih linija koje seku y-osu u tački 1/Vmax. Svaka ravna linija odgovara određenoj koncentraciji supstrata. Različite tačke preseka sa apscisnom osom (1/[S]) ukazuju na promenu Michaelisove konstante.
Djelovanje kompetitivnog inhibitora na primjeru malonata
Tipičan primjer kompetitivne inhibicije je proces smanjenja aktivnosti sukcinat dehidrogenaze, enzima koji katalizuje 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 inhibitorni efekat.
Medicinska upotreba
Dejstvo mnogih lekova, koji su strukturni analozi supstrata nekih metaboličkih puteva, čija je inhibicija neophodan deo lečenja bolesti, zasniva se na mehanizmu kompetitivne inhibicije..
Na primjer, za poboljšanje provođenja nervnih impulsa kod mišićnih distrofija potrebno je povećati nivo acetilholina. To se postiže inhibicijom aktivnosti njegove hidrolizirajuće acetilholinesteraze. Inhibitori su kvaternarne amonijum baze koje su deo lekova (proresin, endrofonijum, itd.).
U posebnu grupu izdvajaju se antimetaboliti, koji pored inhibitornog dejstva ispoljavaju svojstva pseudosupstrata. U ovom slučaju, formiranje EI kompleksa dovodi do stvaranja biološki inertnog anomalnog proizvoda. Antimetaboliti uključuju sulfonamide (koriste se u liječenju bakterijskih infekcija), analoge nukleotida (koriste se za zaustavljanje rasta ćelija tumora raka), itd.
