Visas bioķīmiskās reakcijas, kas notiek organismā, tiek pakļautas īpašai kontrolei, kas tiek veikta, aktivizējot vai inhibējot regulējošos enzīmus. Pēdējie parasti atrodas vielmaiņas transformāciju ķēžu sākumā un vai nu sāk daudzpakāpju procesu, vai palēnina to. Dažas atsevišķas reakcijas arī ir pakļautas regulējumam. Konkurētspējīga inhibīcija ir viens no galvenajiem mehānismiem fermentu katalītiskās aktivitātes kontrolei.
Kas ir kavēšana?
Enzīmu katalīzes mehānisms ir balstīts uz fermenta aktīvās vietas saistīšanos ar substrāta molekulu (ES kompleksu), kā rezultātā notiek ķīmiska reakcija ar produkta veidošanos un atbrīvošanos (E+S=ES=EP=E+P).
Enzīma inhibīcija ir katalīzes procesa ātruma samazināšanās vai pilnīga apturēšana. Šaurākānozīmē, šis termins nozīmē aktīvā centra afinitātes samazināšanos pret substrātu, ko panāk, saistot enzīmu molekulas ar inhibitorvielām. Pēdējie var darboties dažādos veidos, pamatojoties uz kuriem tie tiek iedalīti vairākos veidos, kas atbilst tāda paša nosaukuma kavēšanas mehānismiem.
Galvenie kavēšanas veidi
Atbilstoši procesa būtībai kavēšana var būt divu veidu:
- Neatgriezenisks - izraisa noturīgas izmaiņas fermenta molekulā, atņemot tai funkcionālo aktivitāti (pēdējo nevar atjaunot). Tas var būt specifisks vai nespecifisks. Inhibitors spēcīgi saistās ar fermentu, izmantojot kovalentu mijiedarbību.
- Atgriezenisks – galvenais enzīmu negatīvās regulēšanas veids. To veic, pateicoties inhibitora atgriezeniskajai specifiskai piesaistei fermenta proteīnam ar vājām nekovalentām saitēm, kuras var kinētiski aprakstīt saskaņā ar Mihaelisa-Mentena vienādojumu (izņemot allosterisko regulējumu).
Ir divi galvenie atgriezeniskās enzīmu inhibīcijas veidi: konkurējošā (var tikt vājināta, palielinot substrāta koncentrāciju) un nekonkurējošā. Pēdējā gadījumā maksimālais iespējamais katalīzes ātrums samazinās.
Galvenā atšķirība starp konkurējošo un nekonkurējošo inhibīciju ir regulējošās vielas piesaistes vietā fermentam. Pirmajā gadījumā inhibitors saistās tieši ar aktīvo vietu, bet otrajā gadījumā ar citu fermenta vietu vai enzīma-substrāta kompleksu.
Ir arī jaukts inhibīcijas veids, kurā saistīšanās ar inhibitoru nenovērš ES veidošanos, bet palēnina katalīzi. Šajā gadījumā regulatora viela ir divkāršu vai trīskāršu kompleksu (EI un EIS) sastāvā. Nekonkurētspējīgā veidā ferments saistās tikai ar ES.
Enzīmu atgriezeniskas konkurējošas inhibīcijas pazīmes
Konkurētspējīgais kavēšanas mehānisms ir balstīts uz regulējošās vielas strukturālo līdzību ar substrātu. Rezultātā veidojas aktīvā centra komplekss ar inhibitoru, ko parasti apzīmē ar EI.
Atgriezeniskajai konkurences kavēšanai ir šādas funkcijas:
- saistīšanās ar inhibitoru notiek aktīvajā vietā;
- enzīma molekulas inaktivācija ir atgriezeniska;
- inhibējošo efektu var samazināt, palielinot substrāta koncentrāciju;
- inhibitors neietekmē maksimālo fermentatīvās katalīzes ātrumu;
- EI komplekss var sadalīties, ko raksturo atbilstošā disociācijas konstante.
Izmantojot šāda veida regulēšanu, inhibitors un substrāts, šķiet, sacenšas (konkurē) savā starpā par vietu aktīvajā centrā, līdz ar to arī procesa nosaukums.
Tā rezultātā konkurējošo inhibīciju var definēt kā atgriezenisku fermentatīvās katalīzes inhibīcijas procesu, pamatojoties uz aktīvās vietas specifisko afinitāti pret inhibitoru.
Darbības mehānisms
Piesaisteinhibitors ar aktīvo vietu novērš katalīzei nepieciešamā enzīma-substrāta kompleksa veidošanos. Tā rezultātā fermenta molekula kļūst neaktīva. Neskatoties uz to, katalītiskais centrs var saistīties ne tikai ar inhibitoru, bet arī ar substrātu. Viena vai otra kompleksa veidošanās iespējamība ir atkarīga no koncentrāciju attiecības. Ja substrāta molekulu ir ievērojami vairāk, tad ferments ar tām reaģēs biežāk nekā ar inhibitoru.
Ietekme uz ķīmiskās reakcijas ātrumu
Katalīzes inhibīcijas pakāpi konkurējošās inhibīcijas laikā nosaka tas, cik daudz fermenta veidos EI kompleksus. Šajā gadījumā ir iespējams palielināt substrāta koncentrāciju līdz tādam līmenim, ka inhibitora loma tiks aizstāta un katalīzes ātrums sasniegs maksimālo iespējamo vērtību, kas atbilst vērtībai Vmaxsaskaņā ar Mihaelisa-Mentena vienādojumu.
Šīs parādības cēlonis ir spēcīga inhibitora atšķaidīšana. Rezultātā iespējamība, ka fermentu molekulas saistīsies ar to, tiek samazināta līdz nullei, un aktīvie centri reaģē tikai ar substrātu.
Enzīmu reakcijas kinētiskās atkarības, iesaistot konkurējošu inhibitoru
Konkurences kavēšana palielina Mihaelisa konstanti (Km), kas ir vienāda ar substrāta koncentrāciju, kas nepieciešama, lai reakcijas sākumā sasniegtu ½ maksimālo katalīzes ātrumu. Fermenta daudzums, kas hipotētiski spēj saistīties ar substrātu, paliek nemainīgs, savukārt ES skaitskompleksi ir atkarīgi tikai no pēdējās koncentrācijas (EI kompleksi nav nemainīgi un tos var izspiest substrāts).
Enzīmu konkurējošo inhibīciju ir viegli noteikt pēc kinētiskās atkarības grafikiem, kas izveidoti dažādām substrāta koncentrācijām. Šajā gadījumā Km vērtība mainīsies, savukārt Vmax paliks nemainīga.
Ar nekonkurējošu inhibīciju ir otrādi: inhibitors saistās ārpus aktīvā centra, un substrāta klātbūtne to nekādā veidā nevar ietekmēt. Rezultātā dažas fermentu molekulas tiek “izslēgtas” no katalīzes, un maksimālais iespējamais ātrums samazinās. Tomēr aktīvās enzīmu molekulas var viegli saistīties ar substrātu gan zemā, gan augstā koncentrācijā. Tāpēc Mihaēla konstante paliek nemainīga.
Konkurences kavēšanas grafiki dubulto apgriezto koordinātu sistēmā ir vairākas taisnas līnijas, kas krustojas ar y asi punktā 1/Vmax. Katra taisna līnija atbilst noteiktai substrāta koncentrācijai. Dažādi krustošanās punkti ar abscisu asi (1/[S]) norāda uz Mihaelisa konstantes izmaiņām.
Konkurētspējīga inhibitora darbība malonāta piemērā
Tipisks konkurences kavēšanas piemērs ir sukcināta dehidrogenāzes aktivitātes samazināšanas process, enzīms, kas katalizē dzintarskābes (sukcināta) oksidēšanos par fumārskābi. Šeit kā inhibitorsMalonāts darbojas, un tam ir strukturāla līdzība ar sukcinātu.
Inhibitoru pievienošana barotnei izraisa malonāta kompleksu veidošanos ar sukcināta dehidrogenāzi. Šāda saite neizraisa aktīvās vietas bojājumus, bet bloķē tās pieejamību dzintarskābei. Sukcināta koncentrācijas palielināšana samazina inhibējošo efektu.
Medicīnas lietošanai
Daudzu zāļu, kas ir dažu vielmaiņas ceļu substrātu strukturālie analogi, kuru inhibēšana ir nepieciešama slimību ārstēšanas sastāvdaļa, darbība balstās uz konkurējošās inhibīcijas mehānismu.
Piemēram, lai uzlabotu nervu impulsu vadīšanu muskuļu distrofijas gadījumā, nepieciešams paaugstināt acetilholīna līmeni. Tas tiek panākts, inhibējot tā hidrolizējošās acetilholīnesterāzes aktivitāti. Inhibitori ir ceturtdaļas amonija bāzes, kas ir zāļu sastāvdaļa (prosveķi, endrofonijs utt.).
Antimetabolīti tiek iedalīti īpašā grupā, kam papildus inhibējošajai iedarbībai piemīt pseidosubstrāta īpašības. Šajā gadījumā EI kompleksa veidošanās noved pie bioloģiski inerta anomāla produkta veidošanās. Antimetabolīti ietver sulfonamīdus (lieto bakteriālu infekciju ārstēšanai), nukleotīdu analogus (lieto, lai apturētu vēža audzēja šūnu augšanu) utt.
