Všechny biochemické reakce probíhající v těle podléhají specifické kontrole, která se provádí prostřednictvím aktivačního nebo inhibičního účinku na regulační enzymy. Ty se obvykle nacházejí na začátku řetězců metabolických přeměn a buď nastartují vícestupňový proces, nebo jej zpomalí. Některé jednotlivé reakce také podléhají regulaci. Kompetitivní inhibice je jedním z hlavních mechanismů pro řízení katalytické aktivity enzymů.
Co je inhibice?
Mechanismus enzymatické katalýzy je založen na vazbě aktivního místa enzymu na molekulu substrátu (komplex ES), což vede k chemické reakci se vznikem a uvolňováním produktu (E+S=ES=EP=E+P).
Inhibice enzymu je snížení rychlosti nebo úplné zastavení procesu katalýzy. V užšímsmyslu, tento termín znamená snížení afinity aktivního centra k substrátu, kterého je dosaženo vazbou molekul enzymu na inhibiční látky. Ty mohou působit různými způsoby, na základě čehož se dělí na několik typů, které odpovídají stejnojmenným inhibičním mechanismům.
Hlavní typy inhibice
Podle povahy procesu může být inhibice dvou typů:
- Ireverzibilní – způsobuje trvalé změny v molekule enzymu a zbavuje ji funkční aktivity (tu nelze obnovit). Může být buď specifický, nebo nespecifický. Inhibitor se silně váže na enzym prostřednictvím kovalentní interakce.
- Reverzibilní – hlavní typ negativní regulace enzymů. Provádí se díky reverzibilnímu specifickému navázání inhibitoru na enzymový protein slabými nekovalentními vazbami, přístupnými kinetickému popisu podle Michaelis-Mentenovy rovnice (s výjimkou alosterické regulace).
Existují dva hlavní typy reverzibilní enzymové inhibice: kompetitivní (může být oslabena zvýšením koncentrace substrátu) a nekompetitivní. V druhém případě se maximální možná rychlost katalýzy sníží.
Hlavní rozdíl mezi kompetitivní a nekompetitivní inhibicí spočívá v místě připojení regulační látky k enzymu. V prvním případě se inhibitor váže přímo na aktivní místo a ve druhém případě na jiné místo enzymu nebo na komplex enzym-substrát.
Existuje také smíšený typ inhibice, kdy vazba na inhibitor nebrání tvorbě ES, ale zpomaluje katalýzu. Regulační látka je v tomto případě ve složení dvoj- nebo trojkomplexů (EI a EIS). U nekompetitivního typu se enzym váže pouze na ES.
Vlastnosti reverzibilní kompetitivní inhibice enzymů
Konkurenční mechanismus inhibice je založen na strukturální podobnosti regulační látky se substrátem. Výsledkem je vytvoření komplexu aktivního centra s inhibitorem, běžně označovaného jako EI.
Reverzibilní kompetitivní inhibice má následující vlastnosti:
- vazba na inhibitor nastává v aktivním místě;
- inaktivace molekuly enzymu je reverzibilní;
- inhibiční účinek lze snížit zvýšením koncentrace substrátu;
- inhibitor neovlivňuje maximální rychlost enzymatické katalýzy;
- komplex EI se může rozkládat, což je charakterizováno příslušnou disociační konstantou.
U tohoto typu regulace se zdá, že inhibitor a substrát spolu soutěží (soutěží) o místo v aktivním centru, odtud název procesu.
V důsledku toho lze kompetitivní inhibici definovat jako reverzibilní proces inhibice enzymatické katalýzy, založený na specifické afinitě aktivního místa k inhibiční látce.
Mechanismus účinku
Tetheringinhibitor s aktivním místem brání tvorbě komplexu enzym-substrát nezbytného pro katalýzu. V důsledku toho se molekula enzymu stane neaktivní. Katalytické centrum se však může vázat nejen na inhibitor, ale také na substrát. Pravděpodobnost tvorby jednoho nebo druhého komplexu závisí na poměru koncentrací. Pokud je molekul substrátu podstatně více, enzym s nimi bude reagovat častěji než s inhibitorem.
Vliv na rychlost chemické reakce
Stupeň inhibice katalýzy během kompetitivní inhibice je určen tím, kolik enzymu vytvoří EI-komplexy. V tomto případě je možné zvýšit koncentraci substrátu natolik, že bude nahrazena role inhibitoru a rychlost katalýzy dosáhne maximální možné hodnoty odpovídající hodnotě Vmaxpodle Michaelis-Mentenovy rovnice.
Tento jev je způsoben silným zředěním inhibitoru. V důsledku toho se pravděpodobnost, že se na něj navážou molekuly enzymu, sníží na nulu a aktivní centra reagují pouze se substrátem.
Kinetické závislosti enzymatické reakce zahrnující kompetitivní inhibitor
Konkurenční inhibice zvyšuje Michaelisovu konstantu (Km), která se rovná koncentraci substrátu potřebné k dosažení ½ maximální rychlosti katalýzy na začátku reakce. Množství enzymu hypoteticky schopného vázat se na substrát zůstává konstantní, zatímco počet ES-komplexů závisí pouze na jejich koncentraci (komplexy EI nejsou konstantní a mohou být vytlačeny substrátem).
Konkurenční inhibici enzymů lze snadno určit z grafů kinetické závislosti sestavené pro různé koncentrace substrátu. V tomto případě se hodnota Km změní, zatímco Vmax zůstane konstantní.
U nekompetitivní inhibice je tomu naopak: inhibitor se váže mimo aktivní centrum a přítomnost substrátu to nemůže nijak ovlivnit. V důsledku toho jsou některé molekuly enzymu „vypnuty“z katalýzy a maximální možná rychlost klesá. Nicméně aktivní molekuly enzymu se mohou snadno vázat na substrát jak při nízkých, tak při vysokých koncentracích substrátu. Proto Michaelisova konstanta zůstává konstantní.
Grafy kompetitivní inhibice v systému dvojitých inverzních souřadnic jsou několika přímkami protínajícími osu y v bodě 1/Vmax. Každá přímka odpovídá určité koncentraci substrátu. Různé průsečíky s osou úsečky (1/[S]) indikují změnu Michaelisovy konstanty.
Účinek kompetitivního inhibitoru na příkladu malonátu
Typickým příkladem kompetitivní inhibice je proces snižování aktivity sukcinátdehydrogenázy, enzymu, který katalyzuje oxidaci kyseliny jantarové (sukcinátu) na kyselinu fumarovou. Zde jako inhibitormalonát působí se strukturní podobností s sukcinátem.
Přidání inhibitoru do média způsobí tvorbu komplexů malonátu se sukcinátdehydrogenázou. Taková vazba nezpůsobuje poškození aktivního místa, ale blokuje jeho přístup ke kyselině jantarové. Zvýšení koncentrace sukcinátu snižuje inhibiční účinek.
Lékařské použití
Účinek mnoha léků, které jsou strukturními analogy substrátů některých metabolických drah, jejichž inhibice je nezbytnou součástí léčby nemocí, je založena na mechanismu kompetitivní inhibice.
Například pro zlepšení vedení nervových vzruchů u svalových dystrofií je nutné zvýšit hladinu acetylcholinu. Toho je dosaženo inhibicí aktivity jeho hydrolyzující acetylcholinesterázy. Inhibitory jsou kvartérní amoniové báze, které jsou součástí léčiv (proresin, endrofonium atd.).
Do zvláštní skupiny se dělí antimetabolity, které kromě inhibičního účinku vykazují vlastnosti pseudosubstrátu. V tomto případě tvorba EI komplexu vede k vytvoření biologicky inertního anomálního produktu. Mezi antimetabolity patří sulfonamidy (používané při léčbě bakteriálních infekcí), analogy nukleotidů (používané k zastavení růstu buněk rakovinného nádoru) atd.
