Tutte le reazioni biochimiche che si verificano nell'organismo sono soggette a un controllo specifico, che viene effettuato attraverso un effetto attivante o inibitorio sugli enzimi regolatori. Questi ultimi si trovano solitamente all'inizio delle catene di trasformazioni metaboliche e avviano un processo a più stadi o lo rallentano. Anche alcune reazioni singole sono soggette a regolamentazione. L'inibizione competitiva è uno dei principali meccanismi per controllare l'attività catalitica degli enzimi.
Cos'è l'inibizione?
Il meccanismo della catalisi enzimatica si basa sul legame del sito attivo dell'enzima alla molecola del substrato (complesso ES), determinando una reazione chimica con la formazione e il rilascio del prodotto (E+S=ES=PE=MI+P).
L'inibizione di un enzima è una riduzione della velocità o un arresto completo del processo di catalisi. In uno strettoIn senso, con questo termine si intende una diminuzione dell'affinità del centro attivo per il substrato, che si ottiene legando molecole enzimatiche a sostanze inibitorie. Questi ultimi possono agire in vari modi, in base ai quali si dividono in più tipi, che corrispondono agli omonimi meccanismi di inibizione.
Principali tipi di inibizione
Per la natura del processo, l'inibizione può essere di due tipi:
- Irreversibile - provoca cambiamenti persistenti nella molecola dell'enzima, privandola dell'attività funzionale (quest'ultima non può essere ripristinata). Può essere specifico o non specifico. L'inibitore si lega fortemente all'enzima attraverso l'interazione covalente.
- Reversibile - il principale tipo di regolazione negativa degli enzimi. Viene effettuato a causa dell'attaccamento specifico reversibile dell'inibitore alla proteina enzimatica mediante deboli legami non covalenti, suscettibili di descrizione cinetica secondo l'equazione di Michaelis-Menten (ad eccezione della regolazione allosterica).
Esistono due tipi principali di inibizione enzimatica reversibile: competitiva (può essere attenuata aumentando la concentrazione del substrato) e non competitiva. In quest'ultimo caso, la velocità massima possibile di catalisi diminuisce.
La principale differenza tra inibizione competitiva e non competitiva risiede nel sito di attacco della sostanza regolatrice all'enzima. Nel primo caso, l'inibitore si lega direttamente al sito attivo e, nel secondo caso, a un altro sito dell'enzima, o al complesso enzima-substrato.
Esiste anche un tipo misto di inibizione, in cui il legame con un inibitore non impedisce la formazione di ES, ma rallenta la catalisi. In questo caso, la sostanza regolatrice è nella composizione di doppi o tripli complessi (EI e EIS). Nel tipo non competitivo, l'enzima si lega solo a ES.
Caratteristiche dell'inibizione competitiva reversibile degli enzimi
Il meccanismo competitivo di inibizione si basa sulla somiglianza strutturale della sostanza regolatrice con il substrato. Di conseguenza, si forma un complesso del centro attivo con l'inibitore, convenzionalmente designato come EI.
L'inibizione competitiva reversibile ha le seguenti caratteristiche:
- il legame con l'inibitore avviene nel sito attivo;
- l'inattivazione della molecola enzimatica è reversibile;
- l'effetto inibitorio può essere ridotto aumentando la concentrazione del substrato;
- inibitore non influenza il tasso massimo di catalisi enzimatica;
- il complesso EI può decomporsi, caratterizzato dalla corrispondente costante di dissociazione.
Con questo tipo di regolazione, l'inibitore e il substrato sembrano competere (competire) tra loro per un posto nel centro attivo, da cui il nome del processo.
Di conseguenza, l'inibizione competitiva può essere definita come un processo reversibile di inibizione della catalisi enzimatica, basato sull'affinità specifica del sito attivo per la sostanza inibitrice.
Meccanismo d'azione
Tetheringun inibitore con un sito attivo impedisce la formazione di un complesso enzima-substrato necessario per la catalisi. Di conseguenza, la molecola dell'enzima diventa inattiva. Tuttavia, il centro catalitico può legarsi non solo all'inibitore, ma anche al substrato. La probabilità di formazione dell'uno o dell' altro complesso dipende dal rapporto tra le concentrazioni. Se ci sono molte più molecole di substrato, l'enzima reagirà con esse più spesso che con l'inibitore.
Influenza sulla velocità di una reazione chimica
Il grado di inibizione della catalisi durante l'inibizione competitiva è determinato dalla quantità di enzima che formerà complessi EI. In questo caso è possibile aumentare la concentrazione del substrato in misura tale da sostituire il ruolo dell'inibitore e la velocità di catalisi raggiungerà il valore massimo possibile corrispondente al valore Vmaxsecondo l'equazione di Michaelis-Menten.
Questo fenomeno è dovuto alla forte diluizione dell'inibitore. Di conseguenza, la probabilità che le molecole enzimatiche si leghino ad esso si riduce a zero e i centri attivi reagiscono solo con il substrato.
Dipensioni cinetiche di una reazione enzimatica che coinvolge un inibitore competitivo
L'inibizione competitiva aumenta la costante di Michaelis (Km), che è uguale alla concentrazione di substrato richiesta per raggiungere ½ della velocità massima di catalisi all'inizio della reazione. La quantità dell'enzima ipoteticamente in grado di legarsi al substrato rimane costante, mentre il numero di ES-complessi dipende solo dalla concentrazione di quest'ultimo (i complessi EI non sono costanti e possono essere spostati dal substrato).
L'inibizione competitiva degli enzimi è facile da determinare dai grafici della dipendenza cinetica costruiti per le diverse concentrazioni del substrato. In questo caso, il valore di Km cambierà, mentre Vmax rimarrà costante.
Con l'inibizione non competitiva è vero il contrario: l'inibitore si lega all'esterno del centro attivo e la presenza del substrato non può in alcun modo influire su questo. Di conseguenza, alcune delle molecole enzimatiche vengono "spente" dalla catalisi e la velocità massima possibile diminuisce. Tuttavia, le molecole enzimatiche attive possono facilmente legarsi al substrato sia a basse che ad alte concentrazioni di quest'ultimo. Pertanto, la costante di Michaelis rimane costante.
I grafici dell'inibizione competitiva nel sistema delle doppie coordinate inverse sono diverse rette che intersecano l'asse y nel punto 1/Vmax. Ogni linea retta corrisponde ad una certa concentrazione del substrato. Diversi punti di intersezione con l'asse delle ascisse (1/[S]) indicano un cambiamento nella costante di Michaelis.
L'azione di un inibitore competitivo sull'esempio del malonato
Un tipico esempio di inibizione competitiva è il processo di riduzione dell'attività della succinato deidrogenasi, un enzima che catalizza l'ossidazione dell'acido succinico (succinato) in acido fumarico. Qui come inibitoreatti malonati, che hanno una somiglianza strutturale con succinate.
L'aggiunta di un inibitore al mezzo provoca la formazione di complessi di malonato con succinato deidrogenasi. Tale legame non provoca danni al sito attivo, ma ne blocca l'accessibilità all'acido succinico. L'aumento della concentrazione di succinato riduce l'effetto inibitorio.
Uso medico
L'azione di molti farmaci, analoghi strutturali dei substrati di alcune vie metaboliche, la cui inibizione è una parte necessaria del trattamento delle malattie, si basa sul meccanismo dell'inibizione competitiva.
Ad esempio, per migliorare la conduzione degli impulsi nervosi nelle distrofie muscolari, è necessario aumentare il livello di acetilcolina. Ciò si ottiene inibendo l'attività della sua acetilcolinesterasi idrolizzante. Gli inibitori sono basi di ammonio quaternario che fanno parte dei farmaci (proresina, endrofonio, ecc.).
Gli antimetaboliti si distinguono in un gruppo speciale che, oltre all'effetto inibitorio, presenta le proprietà di uno pseudosubstrato. In questo caso, la formazione del complesso EI porta alla formazione di un prodotto anomalo biologicamente inerte. Gli antimetaboliti includono sulfamidici (usati nel trattamento delle infezioni batteriche), analoghi nucleotidici (usati per fermare la crescita cellulare di un tumore canceroso), ecc.
