Alle biokjemiske reaksjoner som oppstår i kroppen er underlagt spesifikk kontroll, som utføres gjennom en aktiverende eller hemmende effekt på regulatoriske enzymer. De sistnevnte er vanligvis lokalisert i begynnelsen av kjeder av metabolske transformasjoner og starter enten en flertrinnsprosess eller bremser den. Enkelte enkeltreaksjoner er også underlagt regulering. Konkurrerende hemming er en av hovedmekanismene for å kontrollere den katalytiske aktiviteten til enzymer.
Hva er hemming?
Mekanismen for enzymatisk katalyse er basert på bindingen av det aktive stedet til enzymet til substratmolekylet (ES-komplekset), som resulterer i en kjemisk reaksjon med dannelse og frigjøring av produktet (E+S=ES=EP=E+P).
Hemming av et enzym er en reduksjon i hastigheten eller en fullstendig stopp av katalyseprosessen. I en smalereForstand betyr dette begrepet en reduksjon i affiniteten til det aktive senteret for substratet, som oppnås ved å binde enzymmolekyler til inhibitorstoffer. Sistnevnte kan virke på ulike måter, på grunnlag av hvilke de er delt inn i flere typer, som tilsvarer hemningsmekanismene med samme navn.
Hovedtyper av hemming
I henhold til prosessens natur kan hemming være av to typer:
- Irreversibel - forårsaker vedvarende endringer i enzymmolekylet, og fratar det funksjonell aktivitet (sistnevnte kan ikke gjenopprettes). Den kan enten være spesifikk eller uspesifikk. Inhibitoren binder seg sterkt til enzymet gjennom kovalent interaksjon.
- Reversibel - hovedtypen negativ regulering av enzymer. Den utføres på grunn av den reversible spesifikke bindingen av inhibitoren til enzymproteinet ved svake ikke-kovalente bindinger, mottagelig for kinetisk beskrivelse i henhold til Michaelis-Menten-ligningen (med unntak av allosterisk regulering).
Det er to hovedtyper av reversibel enzymhemming: konkurransedyktig (kan svekkes ved å øke substratkonsentrasjonen) og ikke-konkurrerende. I sistnevnte tilfelle reduseres den maksim alt mulige katalysehastigheten.
Hovedforskjellen mellom konkurrerende og ikke-konkurrerende hemming ligger i stedet for bindingen av det regulatoriske stoffet til enzymet. I det første tilfellet binder inhibitoren seg direkte til det aktive stedet, og i det andre tilfellet til et annet sted for enzymet, eller til enzym-substratkomplekset.
Det er også en blandet type hemming, der binding til en inhibitor ikke forhindrer dannelsen av ES, men bremser katalyse. I dette tilfellet er regulatorstoffet i sammensetningen av doble eller trippelkomplekser (EI og EIS). I den ikke-konkurransedyktige typen binder enzymet seg kun til ES.
Funksjoner ved reversibel konkurrerende hemming av enzymer
Den kompetitive mekanismen for hemming er basert på den strukturelle likheten mellom det regulerende stoffet og substratet. Som et resultat dannes et kompleks av det aktive senteret med inhibitoren, konvensjonelt betegnet som EI.
Reversibel konkurransehemming har følgende funksjoner:
- binding til inhibitoren skjer på det aktive stedet;
- inaktivering av enzymmolekylet er reversibel;
- den hemmende effekten kan reduseres ved å øke konsentrasjonen av underlaget;
- inhibitor påvirker ikke maksimal hastighet for enzymatisk katalyse;
- EI-komplekset kan dekomponere, som er preget av den tilsvarende dissosiasjonskonstanten.
Med denne typen regulering ser det ut til at inhibitoren og substratet konkurrerer (konkurrerer) med hverandre om en plass i det aktive senteret, derav navnet på prosessen.
Som et resultat kan konkurrerende hemming defineres som en reversibel prosess for hemming av enzymatisk katalyse, basert på den spesifikke affiniteten til det aktive stedet for inhibitorstoffet.
Handlingsmekanisme
Tetheringen inhibitor med et aktivt sted forhindrer dannelsen av et enzym-substratkompleks som er nødvendig for katalyse. Som et resultat blir enzymmolekylet inaktivt. Ikke desto mindre kan det katalytiske senteret binde seg ikke bare til inhibitoren, men også til substratet. Sannsynligheten for dannelse av et eller annet kompleks avhenger av forholdet mellom konsentrasjoner. Hvis det er betydelig flere substratmolekyler, vil enzymet reagere med dem oftere enn med inhibitoren.
Påvirkning på hastigheten til en kjemisk reaksjon
Graden av inhibering av katalyse under konkurrerende hemming bestemmes av hvor mye av enzymet som vil danne EI-komplekser. I dette tilfellet er det mulig å øke konsentrasjonen av substratet i en slik grad at rollen til inhibitoren vil bli erstattet, og katalysehastigheten vil nå maksim alt mulig verdi tilsvarende verdien Vmaxi henhold til Michaelis-Menten-ligningen.
Dette fenomenet skyldes den sterke fortynningen av inhibitoren. Som et resultat reduseres sannsynligheten for at enzymmolekyler binder seg til det til null, og aktive sentre reagerer bare med substratet.
Kinetiske avhengigheter av en enzymatisk reaksjon som involverer en konkurrerende hemmer
Kompetitiv inhibering øker Michaelis-konstanten (Km), som er lik substratkonsentrasjonen som kreves for å oppnå ½ maksimal katalysehastighet ved starten av reaksjonen. Mengden av enzymet som hypotetisk er i stand til å binde seg til substratet forblir konstant, mens antallet ES-komplekser avhenger bare av konsentrasjonen av sistnevnte (EI-komplekser er ikke konstante og kan fortrenges av substratet).
Kompetitiv hemming av enzymer er lett å bestemme fra grafene for den kinetiske avhengigheten bygget for ulike konsentrasjoner av substratet. I dette tilfellet vil verdien av Km endres, mens Vmax vil forbli konstant.
Med ikke-konkurrerende hemming er det motsatt: inhibitoren binder seg utenfor det aktive senteret og tilstedeværelsen av substratet kan ikke påvirke dette på noen måte. Som et resultat blir noen av enzymmolekylene "slått av" fra katalyse, og den maksim alt mulige hastigheten reduseres. Likevel kan aktive enzymmolekyler lett binde seg til substratet både ved lave og høye konsentrasjoner av sistnevnte. Derfor forblir Michaelis-konstanten konstant.
Graffer for konkurrerende inhibering i systemet med doble inverse koordinater er flere rette linjer som skjærer y-aksen i punktet 1/Vmax. Hver rett linje tilsvarer en viss konsentrasjon av underlaget. Ulike skjæringspunkter med abscisseaksen (1/[S]) indikerer en endring i Michaelis-konstanten.
Handlingen til en konkurrerende inhibitor på eksemplet med malonat
Et typisk eksempel på konkurrerende hemming er prosessen med å redusere aktiviteten til succinatdehydrogenase, et enzym som katalyserer oksidasjonen av ravsyre (succinat) til fumarsyre. Her som hemmermalonate handlinger som har en strukturell likhet med succinat.
Tilsetting av en inhibitor til mediet forårsaker dannelse av komplekser av malonat med succinatdehydrogenase. En slik binding forårsaker ikke skade på det aktive stedet, men blokkerer dets tilgjengelighet for ravsyre. Å øke konsentrasjonen av succinat reduserer den hemmende effekten.
Medisinsk bruk
Virken til mange medikamenter, som er strukturelle analoger av substratene til noen metabolske veier, hvis hemming er en nødvendig del av behandlingen av sykdommer, er basert på mekanismen for konkurrerende hemming.
For å forbedre ledningen av nerveimpulser ved muskeldystrofier, er det for eksempel nødvendig å øke nivået av acetylkolin. Dette oppnås ved å hemme aktiviteten til dens hydrolyserende acetylkolinesterase. Hemmerne er kvaternære ammoniumbaser som inngår i legemidler (proresin, endrofonium, etc.).
Antimetabolitter skilles ut i en spesiell gruppe, som i tillegg til den hemmende effekten, viser egenskapene til et pseudosubstrat. I dette tilfellet fører dannelsen av EI-komplekset til dannelsen av et biologisk inert anom alt produkt. Antimetabolitter inkluderer sulfonamider (brukes i behandling av bakterielle infeksjoner), nukleotidanaloger (brukes for å stoppe celleveksten til en kreftsvulst), osv.
