Alle biokemiske reaktioner, der forekommer i kroppen, er underlagt specifik kontrol, som udføres gennem en aktiverende eller hæmmende effekt på regulerende enzymer. Sidstnævnte er norm alt placeret i begyndelsen af kæder af metaboliske transformationer og starter enten en flertrinsproces eller bremser den. Nogle enkeltreaktioner er også underlagt regulering. Konkurrencehæmning er en af hovedmekanismerne til at kontrollere enzymers katalytiske aktivitet.
Hvad er hæmning?
Mekanismen for enzymatisk katalyse er baseret på bindingen af det aktive sted af enzymet til substratmolekylet (ES-kompleks), hvilket resulterer i en kemisk reaktion med dannelse og frigivelse af produktet (E+S=ES=EP=E+P).
Hæmning af et enzym er en reduktion i hastigheden eller et fuldstændigt stop af katalyseprocessen. I en smallereForstand betyder dette udtryk et fald i det aktive centers affinitet for substratet, hvilket opnås ved at binde enzymmolekyler til inhibitorstoffer. Sidstnævnte kan virke på forskellige måder, på grundlag af hvilke de er opdelt i flere typer, som svarer til hæmningsmekanismerne af samme navn.
Hovedtyper af hæmning
I processens natur kan hæmning være af to typer:
- Irreversibel - forårsager vedvarende ændringer i enzymmolekylet, der fratager det funktionel aktivitet (sidstnævnte kan ikke genoprettes). Det kan enten være specifikt eller uspecifikt. Hæmmeren binder sig stærkt til enzymet gennem kovalent interaktion.
- Reversibel - hovedtypen af negativ regulering af enzymer. Det udføres på grund af den reversible specifikke binding af inhibitoren til enzymproteinet ved hjælp af svage ikke-kovalente bindinger, der kan beskrives kinetisk ifølge Michaelis-Menten-ligningen (med undtagelse af allosterisk regulering).
Der er to hovedtyper af reversibel enzymhæmning: kompetitiv (kan dæmpes ved at øge substratkoncentrationen) og ikke-konkurrerende. I sidstnævnte tilfælde falder den maksim alt mulige katalysehastighed.
Den største forskel mellem kompetitiv og ikke-konkurrerende hæmning ligger i det sted, hvor det regulerende stof bindes til enzymet. I det første tilfælde binder inhibitoren sig direkte til det aktive sted, og i det andet tilfælde til et andet sted i enzymet eller til enzym-substratkomplekset.
Der er også en blandet type hæmning, hvor binding til en inhibitor ikke forhindrer dannelsen af ES, men bremser katalysen. I dette tilfælde er regulatorstoffet i sammensætningen af dobbelte eller tredobbelte komplekser (EI og EIS). I den ikke-konkurrerende type binder enzymet sig kun til ES.
Funktioner ved reversibel kompetitiv hæmning af enzymer
Den kompetitive inhiberingsmekanisme er baseret på den strukturelle lighed mellem det regulerende stof og substratet. Som et resultat dannes et kompleks af det aktive center med inhibitoren, konventionelt betegnet som EI.
Reversibel konkurrencehæmning har følgende funktioner:
- binding til inhibitoren sker på det aktive sted;
- inaktivering af enzymmolekylet er reversibel;
- den hæmmende effekt kan reduceres ved at øge koncentrationen af substratet;
- inhibitor påvirker ikke den maksimale hastighed for enzymatisk katalyse;
- EI-komplekset kan nedbrydes, hvilket er karakteriseret ved den tilsvarende dissociationskonstant.
Med denne type regulering ser inhibitoren og substratet ud til at konkurrere (konkurrerer) med hinanden om en plads i det aktive center, deraf navnet på processen.
Som et resultat kan kompetitiv inhibering defineres som en reversibel proces til inhibering af enzymatisk katalyse, baseret på den specifikke affinitet af det aktive sted for inhibitorstoffet.
Handlingsmekanisme
Tetheringen inhibitor med et aktivt sted forhindrer dannelsen af et enzym-substratkompleks, der er nødvendigt for katalyse. Som et resultat bliver enzymmolekylet inaktivt. Ikke desto mindre kan det katalytiske center binde ikke kun til inhibitoren, men også til substratet. Sandsynligheden for dannelse af et eller andet kompleks afhænger af forholdet mellem koncentrationer. Hvis der er væsentligt flere substratmolekyler, vil enzymet reagere med dem oftere end med inhibitoren.
Indflydelse på hastigheden af en kemisk reaktion
Graden af inhibering af katalyse under kompetitiv inhibering bestemmes af, hvor meget af enzymet, der vil danne EI-komplekser. I dette tilfælde er det muligt at øge koncentrationen af substratet i en sådan grad, at inhibitorens rolle vil blive erstattet, og katalysehastigheden vil nå den maksim alt mulige værdi svarende til værdien Vmaxifølge Michaelis-Menten-ligningen.
Dette fænomen skyldes den kraftige fortynding af inhibitoren. Som følge heraf reduceres sandsynligheden for, at enzymmolekyler binder til det til nul, og aktive centre reagerer kun med substratet.
Kinetiske afhængigheder af en enzymatisk reaktion, der involverer en kompetitiv inhibitor
Kompetitiv inhibering øger Michaelis-konstanten (Km), som er lig med den substratkoncentration, der kræves for at opnå ½ den maksimale katalysehastighed ved reaktionens start. Mængden af enzymet, der hypotetisk er i stand til at binde til substratet, forbliver konstant, mens antallet af ES-komplekser afhænger kun af koncentrationen af sidstnævnte (EI-komplekser er ikke konstante og kan fortrænges af substratet).
Kompetitiv inhibering af enzymer er let at bestemme ud fra graferne for den kinetiske afhængighed bygget til forskellige koncentrationer af substratet. I dette tilfælde vil værdien af Km ændre sig, mens Vmax forbliver konstant.
Med ikke-konkurrerende hæmning er det modsatte tilfældet: hæmmeren binder sig uden for det aktive center, og tilstedeværelsen af substratet kan ikke påvirke dette på nogen måde. Som et resultat bliver nogle af enzymmolekylerne "slukket" fra katalyse, og den maksim alt mulige hastighed falder. Ikke desto mindre kan aktive enzymmolekyler let binde til substratet både ved lave og høje koncentrationer af sidstnævnte. Derfor forbliver Michaelis-konstanten konstant.
Graffer over kompetitiv inhibering i systemet med dobbelte inverse koordinater er flere rette linjer, der skærer y-aksen i punktet 1/Vmax. Hver lige linje svarer til en vis koncentration af substratet. Forskellige skæringspunkter med abscisseaksen (1/[S]) indikerer en ændring i Michaelis-konstanten.
En kompetitiv hæmmers virkning på eksemplet med malonat
Et typisk eksempel på kompetitiv hæmning er processen med at reducere aktiviteten af succinatdehydrogenase, et enzym, der katalyserer oxidationen af ravsyre (succinat) til fumarsyre. Her som hæmmermalonate virker, der har en strukturel lighed med succinat.
Tilføjelse af en inhibitor til mediet forårsager dannelsen af komplekser af malonat med succinatdehydrogenase. En sådan binding forårsager ikke skade på det aktive sted, men blokerer dets tilgængelighed til ravsyre. Forøgelse af koncentrationen af succinat reducerer den hæmmende effekt.
Medicinsk brug
Virkningen af mange lægemidler, som er strukturelle analoger af substraterne for nogle metaboliske veje, hvis inhibering er en nødvendig del af behandlingen af sygdomme, er baseret på mekanismen for kompetitiv hæmning.
For at forbedre ledningen af nerveimpulser ved muskeldystrofier er det for eksempel nødvendigt at øge niveauet af acetylcholin. Dette opnås ved at hæmme aktiviteten af dets hydrolyserende acetylcholinesterase. Inhibitorerne er kvaternære ammoniumbaser, der indgår i lægemidler (proresin, endrofonium osv.).
Antimetabolitter skelnes i en speciel gruppe, som ud over den hæmmende effekt udviser egenskaberne som et pseudosubstrat. I dette tilfælde fører dannelsen af EI-komplekset til dannelsen af et biologisk inert anom alt produkt. Antimetabolitter omfatter sulfonamider (bruges til behandling af bakterielle infektioner), nukleotidanaloger (bruges til at stoppe cellevæksten af en kræftsvulst) osv.
