Всички биохимични реакции, протичащи в тялото, подлежат на специфичен контрол, който се осъществява чрез активиращ или инхибиращ ефект върху регулаторните ензими. Последните обикновено се намират в началото на вериги от метаболитни трансформации и или започват многоетапен процес, или го забавят. Някои единични реакции също подлежат на регулиране. Конкурентното инхибиране е един от основните механизми за контролиране на каталитичната активност на ензимите.
Какво е инхибиране?
Механизмът на ензимната катализа се основава на свързването на активното място на ензима към молекулата на субстрата (ES комплекс), което води до химическа реакция с образуването и освобождаването на продукта (E+S=ES=EP=E+P).
Инхибирането на ензима е намаляване на скоростта или пълно спиране на процеса на катализа. В по-тесенсмисъл, този термин означава намаляване на афинитета на активния център към субстрата, което се постига чрез свързване на ензимни молекули към инхибиторни вещества. Последните могат да действат по различни начини, въз основа на което се разделят на няколко типа, които отговарят на едноименните механизми на инхибиране.
Основни видове инхибиране
По естеството на процеса инхибирането може да бъде от два вида:
- Необратимо - причинява постоянни промени в ензимната молекула, лишавайки я от функционална активност (последната не може да бъде възстановена). Тя може да бъде специфична или неспецифична. Инхибиторът се свързва силно с ензима чрез ковалентно взаимодействие.
- Обратима - основният вид отрицателна регулация на ензимите. Осъществява се поради обратимото специфично прикрепване на инхибитора към ензимния протеин чрез слаби нековалентни връзки, податливи на кинетично описание съгласно уравнението на Михаелис-Ментен (с изключение на алостеричната регулация).
Има два основни типа обратимо ензимно инхибиране: конкурентно (може да бъде отслабено чрез увеличаване на концентрацията на субстрата) и неконкурентно. В последния случай максималната възможна скорост на катализа намалява.
Основната разлика между конкурентното и неконкурентното инхибиране се крие в мястото на прикрепване на регулаторното вещество към ензима. В първия случай инхибиторът се свързва директно с активното място, а във втория случай с друго място на ензима или с комплекса ензим-субстрат.
Има и смесен тип инхибиране, при което свързването с инхибитор не предотвратява образуването на ES, но забавя катализата. В този случай регулаторното вещество е в състава на двойни или тройни комплекси (EI и EIS). При неконкурентния тип ензимът се свързва само с ES.
Характеристики на обратимо конкурентно инхибиране на ензимите
Конкурентният механизъм на инхибиране се основава на структурното сходство на регулаторната субстанция със субстрата. В резултат на това се образува комплекс от активния център с инхибитора, условно обозначен като EI.
Обратимото конкурентно инхибиране има следните характеристики:
- свързване с инхибитора се случва в активния сайт;
- инактивирането на ензимната молекула е обратимо;
- инхибиторният ефект може да бъде намален чрез увеличаване на концентрацията на субстрата;
- инхибиторът не влияе на максималната скорост на ензимната катализа;
- комплексът EI може да се разложи, което се характеризира със съответната константа на дисоциация.
С този тип регулация инхибиторът и субстратът изглежда се конкурират (конкурират) един с друг за място в активния център, откъдето идва и името на процеса.
В резултат на това конкурентното инхибиране може да се дефинира като обратим процес на инхибиране на ензимната катализа, базиран на специфичния афинитет на активното място към инхибитора.
Механизъм на действие
Тетърингинхибитор с активно място предотвратява образуването на ензим-субстратен комплекс, необходим за катализа. В резултат на това ензимната молекула става неактивна. Независимо от това, каталитичният център може да се свърже не само с инхибитора, но и със субстрата. Вероятността за образуване на един или друг комплекс зависи от съотношението на концентрациите. Ако има значително повече субстратни молекули, тогава ензимът ще реагира с тях по-често, отколкото с инхибитора.
Влияние върху скоростта на химическа реакция
Степента на инхибиране на катализа по време на конкурентно инхибиране се определя от това колко от ензима ще образува EI-комплекси. В този случай е възможно да се увеличи концентрацията на субстрата до такава степен, че ролята на инхибитора да бъде заменена, а скоростта на катализа да достигне максимално възможната стойност, съответстваща на стойността Vmaxспоред уравнението на Михаелис-Ментен.
Това явление се дължи на силното разреждане на инхибитора. В резултат на това вероятността ензимните молекули да се свържат с него е намалена до нула и активните центрове реагират само със субстрата.
Кинетични зависимости на ензимна реакция, включваща конкурентен инхибитор
Конкурентното инхибиране увеличава константата на Михаелис (Km), която е равна на концентрацията на субстрата, необходима за постигане на ½ от максималната скорост на катализа в началото на реакцията. Количеството на ензима, хипотетично способен да се свърже със субстрата, остава постоянно, докато броят на ES-комплекси зависи само от концентрацията на последните (EI комплексите не са постоянни и могат да бъдат изместени от субстрата).
Конкурентното инхибиране на ензимите е лесно да се определи от графиките на кинетичната зависимост, изградена за различни концентрации на субстрата. В този случай стойността на Km ще се промени, докато Vmax ще остане постоянна..
При неконкурентно инхибиране е вярно обратното: инхибиторът се свързва извън активния център и присъствието на субстрата не може да повлияе на това по никакъв начин. В резултат на това някои от ензимните молекули се „изключват“от катализа и максималната възможна скорост намалява. Въпреки това, активните ензимни молекули могат лесно да се свързват със субстрата както при ниски, така и при високи концентрации на последния. Следователно константата на Михаелис остава постоянна.
Графиките на конкурентното инхибиране в системата от двойни обратни координати са няколко прави линии, пресичащи оста y в точка 1/Vmax. Всяка права линия съответства на определена концентрация на субстрата. Различни точки на пресичане с абсцисната ос (1/[S]) показват промяна в константата на Михаелис.
Действието на конкурентен инхибитор на примера на малонат
Типичен пример за конкурентно инхибиране е процесът на намаляване на активността на сукцинат дехидрогеназата, ензим, който катализира окислението на янтарна киселина (сукцинат) до фумарова киселина. Тук като инхибитормалонат действа, имайки структурно сходство със сукцинат.
Добавянето на инхибитор към средата причинява образуването на комплекси от малонат със сукцинат дехидрогеназа. Такава връзка не причинява увреждане на активното място, но блокира достъпа му до янтарна киселина. Увеличаването на концентрацията на сукцинат намалява инхибиторния ефект.
Медицинска употреба
Действието на много лекарства, които са структурни аналози на субстратите на някои метаболитни пътища, чието инхибиране е необходима част от лечението на заболявания, се основава на механизма на конкурентно инхибиране..
Например, за да се подобри проводимостта на нервните импулси при мускулни дистрофии, е необходимо да се повиши нивото на ацетилхолин. Това се постига чрез инхибиране на активността на неговата хидролизираща ацетилхолинестераза. Инхибиторите са кватернерни амониеви бази, които са част от лекарства (прорезин, ендофоний и др.).
Антиметаболитите се обособяват в специална група, които освен инхибиторния ефект проявяват свойствата на псевдосубстрат. В този случай образуването на EI комплекса води до образуването на биологично инертен аномален продукт. Антиметаболитите включват сулфонамиди (използвани при лечението на бактериални инфекции), нуклеотидни аналози (използвани за спиране на клетъчния растеж на раков тумор) и др.
