Alle biochemiese reaksies wat in die liggaam voorkom, is onderhewig aan spesifieke beheer, wat uitgevoer word deur 'n aktiverende of inhiberende effek op regulatoriese ensieme. Laasgenoemde is gewoonlik aan die begin van kettings van metaboliese transformasies geleë en begin óf 'n multi-stadium proses óf vertraag dit. Sommige enkele reaksies is ook onderhewig aan regulering. Mededingende inhibisie is een van die hoofmeganismes vir die beheer van die katalitiese aktiwiteit van ensieme.
Wat is inhibisie?
Die meganisme van ensiematiese katalise is gebaseer op die binding van die aktiewe plek van die ensiem aan die substraatmolekule (ES-kompleks), wat lei tot 'n chemiese reaksie met die vorming en vrystelling van die produk (E+S=ES)=EP=E+P).
Inhibisie van 'n ensiem is 'n vermindering in die tempo of 'n volledige stop van die kataliseproses. In 'n smallersin beteken hierdie term 'n afname in die affiniteit van die aktiewe sentrum vir die substraat, wat bereik word deur ensiemmolekules aan inhibeerstowwe te bind. Laasgenoemde kan op verskeie maniere optree, op grond waarvan hulle in verskeie tipes verdeel word, wat ooreenstem met die inhibisiemeganismes met dieselfde naam.
Hooftipes inhibisie
Deur die aard van die proses kan inhibisie van twee tipes wees:
- Onomkeerbaar - veroorsaak aanhoudende veranderinge in die ensiemmolekule, wat dit van funksionele aktiwiteit ontneem (laasgenoemde kan nie herstel word nie). Dit kan óf spesifiek óf nie-spesifiek wees. Die inhibeerder bind sterk aan die ensiem deur kovalente interaksie.
- Omkeerbaar - die hooftipe negatiewe regulering van ensieme. Dit word uitgevoer as gevolg van die omkeerbare spesifieke binding van die inhibeerder aan die ensiemproteïen deur swak nie-kovalente bindings, vatbaar vir kinetiese beskrywing volgens die Michaelis-Menten-vergelyking (met die uitsondering van allosteriese regulering).
Daar is twee hooftipes omkeerbare ensieminhibisie: mededingend (kan verswak word deur toenemende substraatkonsentrasie) en nie-mededingend. In laasgenoemde geval neem die maksimum moontlike katalisetempo af.
Die belangrikste verskil tussen mededingende en nie-mededingende inhibisie lê in die plek van aanhegting van die regulerende stof aan die ensiem. In die eerste geval bind die inhibeerder direk aan die aktiewe plek, en in die tweede geval aan 'n ander plek van die ensiem, of aan die ensiem-substraat kompleks.
Daar is ook 'n gemengde tipe inhibisie, waarin binding aan 'n inhibeerder nie die vorming van ES verhoed nie, maar katalise vertraag. In hierdie geval is die reguleerderstof in die samestelling van dubbele of drievoudige komplekse (EI en EIS). In die onmededingende tipe bind die ensiem slegs aan ES.
Kenmerke van omkeerbare kompeterende inhibisie van ensieme
Die mededingende meganisme van inhibisie is gebaseer op die strukturele ooreenkoms van die regulerende stof met die substraat. As gevolg hiervan word 'n kompleks van die aktiewe sentrum met die inhibeerder gevorm, wat konvensioneel as EI aangedui word.
Omkeerbare mededingende inhibisie het die volgende kenmerke:
- binding aan die inhibeerder vind plaas by die aktiewe werf;
- inaktivering van die ensiemmolekule is omkeerbaar;
- die inhiberende effek kan verminder word deur die konsentrasie van die substraat te verhoog;
- inhibeerder beïnvloed nie die maksimum tempo van ensiematiese katalise nie;
- die EI-kompleks kan ontbind, wat gekenmerk word deur die ooreenstemmende dissosiasiekonstante.
Met hierdie tipe regulering lyk dit of die inhibeerder en die substraat met mekaar kompeteer om 'n plek in die aktiewe sentrum, vandaar die naam van die proses.
Gevolglik kan mededingende inhibisie gedefinieer word as 'n omkeerbare proses van inhibisie van ensiematiese katalise, gebaseer op die spesifieke affiniteit van die aktiewe plek vir die inhibeerderstof.
Mechanisme van aksie
Tethering'n inhibeerder met 'n aktiewe plek verhoed die vorming van 'n ensiem-substraat kompleks wat nodig is vir katalise. As gevolg hiervan word die ensiemmolekule onaktief. Nietemin kan die katalitiese sentrum nie net aan die inhibeerder bind nie, maar ook aan die substraat. Die waarskynlikheid van vorming van een of ander kompleks hang af van die verhouding van konsentrasies. As daar aansienlik meer substraatmolekules is, sal die ensiem meer gereeld daarmee reageer as met die inhibeerder.
Invloed op die tempo van 'n chemiese reaksie
Die mate van inhibisie van katalise tydens kompeterende inhibisie word bepaal deur hoeveel van die ensiem EI-komplekse sal vorm. In hierdie geval is dit moontlik om die konsentrasie van die substraat tot so 'n mate te verhoog dat die rol van die inhibeerder vervang sal word, en die katalisetempo sal die maksimum moontlike waarde bereik wat ooreenstem met die waarde Vmaxvolgens die Michaelis-Menten-vergelyking.
Hierdie verskynsel is te wyte aan die sterk verdunning van die inhibeerder. Gevolglik word die waarskynlikheid dat ensiemmolekules daaraan bind, tot nul verminder, en aktiewe sentrums reageer slegs met die substraat.
Kinetiese afhanklikhede van 'n ensiematiese reaksie wat 'n mededingende inhibeerder behels
Kompeterende inhibisie verhoog die Michaelis-konstante (Km), wat gelyk is aan die substraatkonsentrasie wat benodig word om ½ die maksimum katalisetempo aan die begin van die reaksie te bereik. Die hoeveelheid van die ensiem wat hipoteties in staat is om aan die substraat te bind, bly konstant, terwyl die aantal ES-komplekse hang slegs af van die konsentrasie van laasgenoemde (EI-komplekse is nie konstant nie en kan deur die substraat verplaas word).
Kompeterende inhibisie van ensieme is maklik om te bepaal uit die grafieke van die kinetiese afhanklikheid wat gebou is vir verskillende konsentrasies van die substraat. In hierdie geval sal die waarde van Km verander, terwyl Vmax konstant sal bly.
Met nie-mededingende inhibisie is die teenoorgestelde waar: die inhibeerder bind buite die aktiewe sentrum en die teenwoordigheid van die substraat kan dit op geen manier beïnvloed nie. As gevolg hiervan word sommige van die ensiemmolekules "afgeskakel" van katalise, en die maksimum moontlike tempo verminder. Nietemin kan aktiewe ensiemmolekules maklik aan die substraat bind teen laasgenoemde sowel as by hoë konsentrasies. Daarom bly die Michaelis-konstante konstant.
Grafieke van mededingende inhibisie in die stelsel van dubbele inverse koördinate is verskeie reguitlyne wat die y-as sny by die punt 1/Vmaks. Elke reguit lyn stem ooreen met 'n sekere konsentrasie van die substraat. Verskillende snypunte met die abskis-as (1/[S]) dui op 'n verandering in die Michaelis-konstante.
Die werking van 'n mededingende inhibeerder op die voorbeeld van malonaat
'n Tipiese voorbeeld van mededingende inhibisie is die proses om die aktiwiteit van suksinaatdehidrogenase te verminder, 'n ensiem wat die oksidasie van barnsteensuur (suksinaat) na fumaarsuur kataliseer. Hier as 'n inhibeerdermalonate dade, met 'n strukturele ooreenkoms met suksinaat.
Die byvoeging van 'n inhibeerder by die medium veroorsaak die vorming van komplekse van malonaat met suksinaatdehidrogenase. So 'n binding veroorsaak nie skade aan die aktiewe terrein nie, maar blokkeer die toeganklikheid daarvan vir barnsteensuur. Die verhoging van die konsentrasie suksinaat verminder die inhiberende effek.
Mediese gebruik
Die werking van baie middels, wat strukturele analoë van die substrate van sommige metaboliese weë is, waarvan die inhibisie 'n noodsaaklike deel van die behandeling van siektes is, is gebaseer op die meganisme van mededingende inhibisie.
Om byvoorbeeld die geleiding van senuwee-impulse in spierdistrofieë te verbeter, is dit nodig om die vlak van asetielcholien te verhoog. Dit word bereik deur die aktiwiteit van sy hidrolerende asetielcholinesterase te inhibeer. Die inhibeerders is kwaternêre ammoniumbasisse wat deel is van geneesmiddels (prohars, endrofonium, ens.).
Antimetaboliete word in 'n spesiale groep onderskei, wat, benewens die inhiberende effek, die eienskappe van 'n pseudosubstraat vertoon. In hierdie geval lei die vorming van die EI-kompleks tot die vorming van 'n biologies inerte anomale produk. Antimetaboliete sluit in sulfonamiede (wat gebruik word in die behandeling van bakteriële infeksies), nukleotiedanaloë (gebruik om die selgroei van 'n kankergewas te stop), ens.
