A szervezetben előforduló összes biokémiai reakció specifikus szabályozás alá esik, amely a szabályozó enzimek aktiváló vagy gátló hatásán keresztül valósul meg. Ez utóbbiak általában az anyagcsere-transzformációk láncolatának elején helyezkednek el, és vagy elindítanak egy többlépcsős folyamatot, vagy lelassítják azt. Néhány egyedi reakció is szabályozás alá esik. A kompetitív gátlás az egyik fő mechanizmus az enzimek katalitikus aktivitásának szabályozására.
Mi az a gátlás?
Az enzimatikus katalízis mechanizmusa azon alapul, hogy az enzim aktív helye kötődik a szubsztrát molekulához (ES komplex), ami kémiai reakciót eredményez a termék képződésével és felszabadulásával (E+S=ES=EP=E+P).
Egy enzim gátlása a katalízis sebességének csökkenése vagy teljes leállítása. Egy szűkebbbenEz a kifejezés az aktív centrum szubsztrát iránti affinitásának csökkenését jelenti, amelyet az enzimmolekulák inhibitor anyagokhoz való kötésével érnek el. Ez utóbbiak többféleképpen hatnak, ezek alapján több típusra oszthatók, amelyek megfelelnek az azonos nevű gátlási mechanizmusoknak.
A gátlás fő típusai
A folyamat természeténél fogva a gátlás kétféle lehet:
- Irreverzibilis - tartós változásokat okoz az enzimmolekulában, megfosztva a funkcionális aktivitásától (ez utóbbit nem lehet helyreállítani). Ez lehet specifikus vagy nem specifikus. Az inhibitor erősen kötődik az enzimhez kovalens kölcsönhatás révén.
- Reverzibilis – az enzimek negatív szabályozásának fő típusa. Ez az inhibitor reverzibilis, specifikus, az enzimfehérjéhez való kapcsolódása miatt valósul meg gyenge, nem kovalens kötésekkel, amelyek a Michaelis-Menten egyenlet szerint kinetikai leírásra alkalmasak (az alloszterikus szabályozás kivételével).
A reverzibilis enzimgátlásnak két fő típusa van: kompetitív (gyengítheti a szubsztrátkoncentráció növekedésével) és nem kompetitív. Ez utóbbi esetben a katalízis maximális lehetséges sebessége csökken.
A kompetitív és nem kompetitív gátlás közötti fő különbség a szabályozó anyag enzimhez való kapcsolódási helyében rejlik. Az első esetben az inhibitor közvetlenül az aktív helyhez, a második esetben pedig az enzim másik helyéhez vagy az enzim-szubsztrát komplexhez kötődik.
Létezik egy vegyes típusú gátlás is, amelyben az inhibitorhoz való kötődés nem akadályozza meg az ES képződését, de lassítja a katalízist. Ebben az esetben a szabályozó anyag kettős vagy hármas komplexek (EI és EIS) összetételében található. A nem kompetitív típusban az enzim csak az ES-hez kötődik.
Az enzimek reverzibilis kompetitív gátlásának jellemzői
A gátlás kompetitív mechanizmusa a szabályozó anyag és a szubsztrát szerkezeti hasonlóságán alapul. Ennek eredményeként az aktív centrum és az inhibitor komplexe képződik, amelyet hagyományosan EI-nek neveznek.
A visszafordítható kompetitív gátlás a következő tulajdonságokkal rendelkezik:
- az inhibitorhoz való kötődés az aktív helyen történik;
- az enzimmolekula inaktiválása reverzibilis;
- a gátló hatás csökkenthető a szubsztrát koncentrációjának növelésével;
- inhibitor nem befolyásolja az enzimatikus katalízis maximális sebességét;
- az EI komplex fel tud bomlani, amit a megfelelő disszociációs állandóval jellemeznek.
Ennél a szabályozási típusnál úgy tűnik, hogy az inhibitor és a szubsztrát versengenek (versenyeznek) egymással az aktív központban elfogl alt helyért, innen ered a folyamat neve.
Ennek eredményeként a kompetitív gátlás az enzimatikus katalízis gátlásának reverzibilis folyamataként határozható meg, az aktív hely specifikus affinitása alapján az inhibitor anyaggal szemben.
Hatásmechanizmus
Tetheringegy aktív hellyel rendelkező inhibitor megakadályozza a katalízishez szükséges enzim-szubsztrát komplex kialakulását. Ennek eredményeként az enzimmolekula inaktívvá válik. Ennek ellenére a katalitikus centrum nem csak az inhibitorhoz, hanem a szubsztráthoz is kötődhet. Egyik vagy másik komplex kialakulásának valószínűsége a koncentrációk arányától függ. Ha lényegesen több szubsztrátmolekula van, akkor az enzim gyakrabban lép reakcióba velük, mint az inhibitorral.
Befolyásolás a kémiai reakció sebességére
A katalízis gátlásának mértékét a kompetitív gátlás során az határozza meg, hogy az enzim mekkora része képez EI-komplexeket. Ebben az esetben lehetőség van a szubsztrát koncentrációjának olyan mértékű növelésére, hogy az inhibitor szerepe kicserélődik, és a katalízis sebessége elérje a Vmax értéknek megfelelő maximális értéket.a Michaelis-Menten egyenlet szerint.
Ez a jelenség az inhibitor erős hígításának köszönhető. Ennek eredményeként az enzimmolekulák hozzákötődésének valószínűsége nullára csökken, és az aktív centrumok csak a szubsztráttal reagálnak.
Egy kompetitív inhibitort magában foglaló enzimreakció kinetikai függőségei
A kompetitív gátlás növeli a Michaelis-állandót (Km), amely megegyezik azzal a szubsztrátkoncentrációval, amely a reakció kezdetén a maximális katalízissebesség felének eléréséhez szükséges. A szubsztráthoz feltételezhetően kötődni képes enzim mennyisége állandó marad, míg az ES-A komplexek mennyisége csak az utóbbi koncentrációjától függ (az EI komplexek nem állandóak, és a szubsztrát kiszoríthatja őket).
Az enzimek kompetitív gátlását könnyű meghatározni a szubsztrát különböző koncentrációira felépített kinetikai függőség grafikonjaiból. Ebben az esetben a Km értéke megváltozik, míg a Vmax állandó marad.
Nem kompetitív gátlás esetén ennek az ellenkezője igaz: az inhibitor az aktív centrumon kívül kötődik, és a szubsztrát jelenléte ezt semmilyen módon nem tudja befolyásolni. Ennek eredményeként az enzimmolekulák egy része „kikapcsol” a katalízisből, és a lehetséges maximális sebesség csökken. Ennek ellenére az aktív enzimmolekulák könnyen kötődhetnek a szubsztráthoz mind alacsony, mind magas koncentrációban. Ezért a Michaelis-konstans állandó marad.
A kompetíciós gátlás grafikonjai a kettős inverz koordináták rendszerében több egyenes, amelyek az y tengelyt az 1/Vmax pontban metszik. Minden egyenes vonal a szubsztrát egy bizonyos koncentrációjának felel meg. Az abszcissza tengellyel való különböző metszéspontok (1/[S]) a Michaelis-állandó változását jelzik.
A kompetitív inhibitor hatása a malonát példáján
A kompetitív gátlás tipikus példája a szukcinát-dehidrogenáz, a borostyánkősav (szukcinát) fumársavvá történő oxidációját katalizáló enzim aktivitásának csökkentésének folyamata. Itt gátlókéntA malonát úgy működik, hogy szerkezeti hasonlóságot mutat a szukcináttal.
Inhibítor hozzáadása a táptalajhoz malonát és szukcinát-dehidrogenáz komplexek képződését okozza. Az ilyen kötés nem károsítja az aktív helyet, de blokkolja a borostyánkősavhoz való hozzáférését. A szukcinát koncentrációjának növelése csökkenti a gátló hatást.
Orvosi felhasználás
Sok olyan gyógyszer hatása, amelyek egyes anyagcsereútvonalak szubsztrátjainak szerkezeti analógjai, amelyek gátlása a betegségek kezelésének szükséges része, a kompetitív gátlás mechanizmusán alapul.
Például az idegimpulzusok vezetésének javítása érdekében izomdisztrófiák esetén növelni kell az acetilkolin szintjét. Ezt a hidrolizáló acetilkolin-észteráz aktivitásának gátlásával érik el. Az inhibitorok kvaterner ammóniumbázisok, amelyek a gyógyszerek részét képezik (prorezin, endrofónium stb.).
Az antimetabolitokat egy speciális csoportba sorolják, amelyek a gátló hatás mellett pszeudosubsztrát tulajdonságait is mutatják. Ebben az esetben az EI komplex képződése biológiailag inert anomáliás termék képződéséhez vezet. Az antimetabolitok közé tartoznak a szulfonamidok (bakteriális fertőzések kezelésére használják), a nukleotid-analógok (a rákos daganat sejtnövekedésének megállítására) stb.
