Todas las reacciones bioquímicas que se producen en el organismo están sujetas a un control específico, que se lleva a cabo mediante un efecto activador o inhibidor de las enzimas reguladoras. Estos últimos generalmente se ubican al comienzo de cadenas de transformaciones metabólicas y comienzan un proceso de varias etapas o lo ralentizan. Algunas reacciones individuales también están sujetas a regulación. La inhibición competitiva es uno de los principales mecanismos para controlar la actividad catalítica de las enzimas.
¿Qué es la inhibición?
El mecanismo de la catálisis enzimática se basa en la unión del sitio activo de la enzima a la molécula sustrato (complejo ES), lo que da como resultado una reacción química con la formación y liberación del producto (E+S=ES=EP=E+P).
La inhibición de una enzima es una reducción en la velocidad o una parada completa del proceso de catálisis. En un estrechosentido, este término significa una disminución en la afinidad del centro activo por el sustrato, que se logra al unir moléculas de enzima a sustancias inhibidoras. Estos últimos pueden actuar de varias formas, por lo que se dividen en varios tipos, que corresponden a los mecanismos de inhibición del mismo nombre.
Principales tipos de inhibición
Por la naturaleza del proceso, la inhibición puede ser de dos tipos:
- Irreversible: provoca cambios persistentes en la molécula de enzima, privándola de actividad funcional (esta última no se puede restaurar). Puede ser específico o no específico. El inhibidor se une fuertemente a la enzima a través de una interacción covalente.
- Reversible - el principal tipo de regulación negativa de las enzimas. Se lleva a cabo debido a la unión específica reversible del inhibidor a la proteína enzimática mediante enlaces no covalentes débiles, susceptibles de descripción cinética según la ecuación de Michaelis-Menten (con la excepción de la regulación alostérica).
Hay dos tipos principales de inhibición enzimática reversible: competitiva (puede atenuarse aumentando la concentración de sustrato) y no competitiva. En este último caso, la tasa máxima posible de catálisis disminuye.
La principal diferencia entre la inhibición competitiva y no competitiva radica en el sitio de unión de la sustancia reguladora a la enzima. En el primer caso, el inhibidor se une directamente al sitio activo, y en el segundo caso, a otro sitio de la enzima, o al complejo enzima-sustrato.
También existe un tipo mixto de inhibición, en el que la unión a un inhibidor no evita la formación de SE, pero ralentiza la catálisis. En este caso, la sustancia reguladora se encuentra en la composición de complejos dobles o triples (EI y EIS). En el tipo no competitivo, la enzima solo se une a ES.
Características de la inhibición competitiva reversible de las enzimas
El mecanismo competitivo de inhibición se basa en la similitud estructural de la sustancia reguladora con el sustrato. Como resultado, se forma un complejo del centro activo con el inhibidor, designado convencionalmente como EI.
La inhibición competitiva reversible tiene las siguientes características:
- la unión al inhibidor se produce en el sitio activo;
- la inactivación de la molécula enzimática es reversible;
- el efecto inhibidor se puede reducir aumentando la concentración del sustrato;
- inhibidor no afecta la tasa máxima de catálisis enzimática;
- el complejo EI puede descomponerse, lo que se caracteriza por la correspondiente constante de disociación.
Con este tipo de regulación, el inhibidor y el sustrato parecen competir (competir) entre sí por un lugar en el centro activo, de ahí el nombre del proceso.
Como resultado, la inhibición competitiva puede definirse como un proceso reversible de inhibición de la catálisis enzimática, basado en la afinidad específica del sitio activo por la sustancia inhibidora.
Mecanismo de acción
Anclajeun inhibidor con un sitio activo previene la formación de un complejo enzima-sustrato necesario para la catálisis. Como resultado, la molécula de enzima se vuelve inactiva. Sin embargo, el centro catalítico puede unirse no solo al inhibidor, sino también al sustrato. La probabilidad de formación de uno u otro complejo depende de la relación de concentraciones. Si hay muchas más moléculas de sustrato, entonces la enzima reaccionará con ellas más a menudo que con el inhibidor.
Influencia en la velocidad de una reacción química
El grado de inhibición de la catálisis durante la inhibición competitiva está determinado por la cantidad de enzima que formará complejos EI. En este caso, es posible aumentar la concentración del sustrato hasta el punto de que se reemplace el papel del inhibidor y la tasa de catálisis alcance el valor máximo posible correspondiente al valor Vmaxsegún la ecuación de Michaelis-Menten.
Este fenómeno se debe a la fuerte dilución del inhibidor. Como resultado, la probabilidad de que las moléculas de enzima se unan a él se reduce a cero y los centros activos reaccionan solo con el sustrato.
Dependencias cinéticas de una reacción enzimática que involucra un inhibidor competitivo
La inhibición competitiva aumenta la constante de Michaelis (Km), que es igual a la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima de catálisis al comienzo de la reacción. La cantidad de enzima hipotéticamente capaz de unirse al sustrato permanece constante, mientras que el número de ES-complejos depende únicamente de la concentración de estos últimos (los complejos EI no son constantes y pueden ser desplazados por el sustrato).
La inhibición competitiva de las enzimas es fácil de determinar a partir de los gráficos de dependencia cinética construidos para diferentes concentraciones del sustrato. En este caso, el valor de Km cambiará, mientras que Vmax permanecerá constante.
Con la inhibición no competitiva, ocurre lo contrario: el inhibidor se une fuera del centro activo y la presencia del sustrato no puede afectar esto de ninguna manera. Como resultado, algunas de las moléculas de enzima se “apagan” de la catálisis y la velocidad máxima posible disminuye. Sin embargo, las moléculas de enzimas activas pueden unirse fácilmente al sustrato tanto a bajas como a altas concentraciones de este último. Por lo tanto, la constante de Michaelis permanece constante.
Los gráficos de inhibición competitiva en el sistema de coordenadas inversas dobles son varias líneas rectas que se cruzan con el eje y en el punto 1/Vmax. Cada línea recta corresponde a una cierta concentración del sustrato. Diferentes puntos de intersección con el eje de abscisas (1/[S]) indican un cambio en la constante de Michaelis.
La acción de un inhibidor competitivo en el ejemplo del malonato
Un ejemplo típico de inhibición competitiva es el proceso de reducción de la actividad de la succinato deshidrogenasa, una enzima que cataliza la oxidación del ácido succínico (succinato) a ácido fumárico. Aquí como un inhibidorEl malonato actúa teniendo una similitud estructural con el succinato.
La adición de un inhibidor al medio provoca la formación de complejos de malonato con succinato deshidrogenasa. Tal enlace no causa daño al sitio activo, pero bloquea su accesibilidad al ácido succínico. El aumento de la concentración de succinato reduce el efecto inhibidor.
Uso médico
La acción de muchos fármacos, que son análogos estructurales de los sustratos de algunas vías metabólicas, cuya inhibición es una parte necesaria del tratamiento de enfermedades, se basa en el mecanismo de inhibición competitiva.
Por ejemplo, para mejorar la conducción de los impulsos nerviosos en distrofias musculares, se requiere aumentar el nivel de acetilcolina. Esto se logra inhibiendo la actividad de su acetilcolinesterasa hidrolizante. Los inhibidores son bases de amonio cuaternario que forman parte de fármacos (proresina, endrofonio, etc.).
Los antimetabolitos se distinguen en un grupo especial que, además del efecto inhibitorio, exhiben las propiedades de un pseudosustrato. En este caso, la formación del complejo EI conduce a la formación de un producto anómalo biológicamente inerte. Los antimetabolitos incluyen sulfonamidas (usadas en el tratamiento de infecciones bacterianas), análogos de nucleótidos (usados para detener el crecimiento celular de un tumor canceroso), etc.
