Všetky biochemické reakcie prebiehajúce v tele podliehajú špecifickej kontrole, ktorá sa uskutočňuje prostredníctvom aktivačného alebo inhibičného účinku na regulačné enzýmy. Tie sa zvyčajne nachádzajú na začiatku reťazcov metabolických premien a buď spúšťajú viacstupňový proces, alebo ho spomaľujú. Niektoré jednotlivé reakcie tiež podliehajú regulácii. Kompetitívna inhibícia je jedným z hlavných mechanizmov kontroly katalytickej aktivity enzýmov.
Čo je inhibícia?
Mechanizmus enzymatickej katalýzy je založený na väzbe aktívneho miesta enzýmu na molekulu substrátu (komplex ES), čo vedie k chemickej reakcii s tvorbou a uvoľňovaním produktu (E+S=ES=EP=E+P).
Inhibícia enzýmu je zníženie rýchlosti alebo úplné zastavenie procesu katalýzy. V užšomzmysle, tento termín znamená zníženie afinity aktívneho centra k substrátu, čo sa dosiahne väzbou molekúl enzýmu na inhibičné látky. Tieto môžu pôsobiť rôznymi spôsobmi, na základe čoho sa delia na niekoľko typov, ktoré zodpovedajú inhibičným mechanizmom rovnakého mena.
Hlavné typy inhibície
Podľa povahy procesu môže byť inhibícia dvoch typov:
- Ireverzibilné – spôsobuje pretrvávajúce zmeny v molekule enzýmu, čím ju zbavuje funkčnej aktivity (tú nemožno obnoviť). Môže byť špecifický alebo nešpecifický. Inhibítor sa silne viaže na enzým prostredníctvom kovalentnej interakcie.
- Reverzibilné - hlavný typ negatívnej regulácie enzýmov. Uskutočňuje sa vďaka reverzibilnému špecifickému naviazaniu inhibítora na enzýmový proteín slabými nekovalentnými väzbami, ktoré sú prístupné kinetickému popisu podľa Michaelis-Mentenovej rovnice (s výnimkou alosterickej regulácie).
Existujú dva hlavné typy reverzibilnej inhibície enzýmov: kompetitívna (môže byť oslabená zvýšením koncentrácie substrátu) a nekompetitívna. V druhom prípade sa maximálna možná rýchlosť katalýzy zníži.
Hlavný rozdiel medzi kompetitívnou a nekompetitívnou inhibíciou spočíva v mieste pripojenia regulačnej látky k enzýmu. V prvom prípade sa inhibítor viaže priamo na aktívne miesto a v druhom prípade na iné miesto enzýmu alebo na komplex enzým-substrát.
Existuje aj zmiešaný typ inhibície, pri ktorej väzba na inhibítor nezabráni tvorbe ES, ale spomaľuje katalýzu. Regulačná látka je v tomto prípade v zložení dvojitých alebo trojitých komplexov (EI a EIS). V nekonkurenčnom type sa enzým viaže iba na ES.
Vlastnosti reverzibilnej kompetitívnej inhibície enzýmov
Konkurenčný mechanizmus inhibície je založený na štruktúrnej podobnosti regulačnej látky so substrátom. Výsledkom je vytvorenie komplexu aktívneho centra s inhibítorom, bežne označovaného ako EI.
Reverzibilná kompetitívna inhibícia má nasledujúce vlastnosti:
- väzba na inhibítor sa vyskytuje na aktívnom mieste;
- inaktivácia molekuly enzýmu je reverzibilná;
- inhibičný účinok možno znížiť zvýšením koncentrácie substrátu;
- inhibítor neovplyvňuje maximálnu rýchlosť enzymatickej katalýzy;
- komplex EI sa môže rozkladať, čo je charakterizované príslušnou disociačnou konštantou.
Pri tomto type regulácie sa zdá, že inhibítor a substrát spolu súperia (súťažia) o miesto v aktívnom centre, odtiaľ názov procesu.
V dôsledku toho možno kompetitívnu inhibíciu definovať ako reverzibilný proces inhibície enzymatickej katalýzy, založený na špecifickej afinite aktívneho miesta pre látku inhibítora.
Mechanizmus účinku
Tetheringinhibítor s aktívnym miestom bráni tvorbe komplexu enzým-substrát potrebného na katalýzu. V dôsledku toho sa molekula enzýmu stáva neaktívnou. Katalytické centrum sa však môže viazať nielen na inhibítor, ale aj na substrát. Pravdepodobnosť tvorby jedného alebo druhého komplexu závisí od pomeru koncentrácií. Ak existuje podstatne viac molekúl substrátu, enzým s nimi bude reagovať častejšie ako s inhibítorom.
Vplyv na rýchlosť chemickej reakcie
Stupeň inhibície katalýzy počas kompetitívnej inhibície je určený tým, koľko enzýmu vytvorí EI-komplexy. V tomto prípade je možné zvýšiť koncentráciu substrátu do takej miery, že bude nahradená úloha inhibítora a rýchlosť katalýzy dosiahne maximálnu možnú hodnotu zodpovedajúcu hodnote Vmaxpodľa Michaelisovej-Mentenovej rovnice.
Tento jav je spôsobený silným zriedením inhibítora. V dôsledku toho sa pravdepodobnosť väzby molekúl enzýmu zníži na nulu a aktívne centrá reagujú iba so substrátom.
Kinetické závislosti enzymatickej reakcie zahŕňajúcej kompetitívny inhibítor
Konkurenčná inhibícia zvyšuje Michaelisovu konštantu (Km), ktorá sa rovná koncentrácii substrátu potrebnej na dosiahnutie ½ maximálnej rýchlosti katalýzy na začiatku reakcie. Množstvo enzýmu hypoteticky schopného viazať sa na substrát zostáva konštantné, zatiaľ čo počet ES-komplexov závisí iba od ich koncentrácie (komplexy EI nie sú konštantné a môžu byť vytesnené substrátom).
Konkurenčná inhibícia enzýmov sa dá ľahko určiť z grafov kinetickej závislosti zostavených pre rôzne koncentrácie substrátu. V tomto prípade sa hodnota Km zmení, kým Vmax zostane konštantná.
Pri nekompetitívnej inhibícii je opak pravdou: inhibítor sa viaže mimo aktívneho centra a prítomnosť substrátu to nemôže nijako ovplyvniť. Výsledkom je, že niektoré molekuly enzýmu sú „vypnuté“z katalýzy a maximálna možná rýchlosť klesá. Napriek tomu sa molekuly aktívneho enzýmu môžu ľahko viazať na substrát ako pri nízkych, tak aj pri vysokých koncentráciách substrátu. Preto Michaelisova konštanta zostáva konštantná.
Grafy kompetitívnej inhibície v systéme dvojitých inverzných súradníc sú viaceré priame čiary pretínajúce os y v bode 1/Vmax. Každá priamka zodpovedá určitej koncentrácii substrátu. Rôzne priesečníky s osou x (1/[S]) označujú zmenu v Michaelisovej konštante.
Účinok kompetitívneho inhibítora na príklade malonátu
Typickým príkladom kompetitívnej inhibície je proces znižovania aktivity sukcinátdehydrogenázy, enzýmu, ktorý katalyzuje oxidáciu kyseliny jantárovej (sukcinátu) na kyselinu fumarovú. Tu ako inhibítormalonát pôsobí, má štrukturálnu podobnosť s sukcinátom.
Pridanie inhibítora do média spôsobuje tvorbu komplexov malonátu so sukcinátdehydrogenázou. Takáto väzba nespôsobuje poškodenie aktívneho miesta, ale blokuje jeho prístup ku kyseline jantárovej. Zvýšenie koncentrácie sukcinátu znižuje inhibičný účinok.
Lekárske použitie
Účinok mnohých liekov, ktoré sú štrukturálnymi analógmi substrátov niektorých metabolických dráh, ktorých inhibícia je nevyhnutnou súčasťou liečby chorôb, je založený na mechanizme kompetitívnej inhibície.
Napríklad na zlepšenie vedenia nervových impulzov u svalových dystrofií je potrebné zvýšiť hladinu acetylcholínu. To sa dosiahne inhibíciou aktivity jeho hydrolyzujúcej acetylcholínesterázy. Inhibítory sú kvartérne amóniové bázy, ktoré sú súčasťou liečiv (proresín, endrofónium atď.).
Do osobitnej skupiny sa rozlišujú antimetabolity, ktoré okrem inhibičného účinku vykazujú vlastnosti pseudosubstrátu. V tomto prípade tvorba EI komplexu vedie k vytvoreniu biologicky inertného anomálneho produktu. Medzi antimetabolity patria sulfónamidy (používané pri liečbe bakteriálnych infekcií), nukleotidové analógy (používané na zastavenie rastu buniek rakovinového nádoru) atď.
