Alla biokemiska reaktioner som inträffar i kroppen är föremål för specifik kontroll, som utförs genom en aktiverande eller hämmande effekt på regulatoriska enzymer. De senare är vanligtvis lokaliserade i början av kedjor av metaboliska transformationer och antingen startar en flerstegsprocess eller saktar ner den. Vissa enstaka reaktioner är också föremål för reglering. Kompetitiv hämning är en av huvudmekanismerna för att kontrollera enzymers katalytiska aktivitet.
Vad är hämning?
Mekanismen för enzymatisk katalys är baserad på bindningen av enzymets aktiva plats till substratmolekylen (ES-komplex), vilket resulterar i en kemisk reaktion med bildning och frisättning av produkten (E+S=ES=EP=E+P).
Hämning av ett enzym är en minskning av hastigheten eller ett fullständigt stopp av katalysprocessen. I en smalarebetydelse betyder denna term en minskning av det aktiva centrets affinitet för substratet, vilket uppnås genom att binda enzymmolekyler till inhibitorsubstanser. De senare kan verka på olika sätt, på grundval av vilka de är indelade i flera typer, som motsvarar hämningsmekanismerna med samma namn.
Huvudtyper av hämning
På grund av processens natur kan hämning vara av två typer:
- Irreversibel - orsakar ihållande förändringar i enzymmolekylen, vilket berövar den funktionell aktivitet (den senare kan inte återställas). Den kan vara antingen specifik eller ospecifik. Hämmaren binder starkt till enzymet genom kovalent interaktion.
- Reversibel - huvudtypen av negativ reglering av enzymer. Den utförs på grund av den reversibla specifika bindningen av inhibitorn till enzymproteinet genom svaga icke-kovalenta bindningar, mottaglig för kinetisk beskrivning enligt Michaelis-Mentens ekvation (med undantag för allosterisk reglering).
Det finns två huvudtyper av reversibel enzymhämning: kompetitiv (kan försvagas genom att öka substratkoncentrationen) och icke-konkurrenskraftig. I det senare fallet minskar den maxim alt möjliga katalyshastigheten.
Den huvudsakliga skillnaden mellan konkurrenskraftig och icke-konkurrerande hämning ligger i platsen för bindningen av den reglerande substansen till enzymet. I det första fallet binder inhibitorn direkt till det aktiva stället och i det andra fallet till ett annat ställe av enzymet, eller till enzym-substratkomplexet.
Det finns också en blandad typ av hämning, där bindning till en hämmare inte förhindrar bildandet av ES, utan saktar ner katalysen. I detta fall är regulatorämnet i sammansättningen av dubbla eller trippelkomplex (EI och EIS). I den icke-konkurrenskraftiga typen binder enzymet endast till ES.
Funktioner för reversibel kompetitiv hämning av enzymer
Den kompetitiva mekanismen för hämning är baserad på den strukturella likheten mellan det reglerande ämnet och substratet. Som ett resultat bildas ett komplex av det aktiva centret med inhibitorn, konventionellt betecknad som EI.
Reversibel konkurrenshämning har följande funktioner:
- bindning till inhibitorn sker på den aktiva platsen;
- inaktivering av enzymmolekylen är reversibel;
- den hämmande effekten kan minskas genom att öka koncentrationen av substratet;
- inhibitor påverkar inte den maximala hastigheten för enzymatisk katalys;
- EI-komplexet kan brytas ned, vilket kännetecknas av motsvarande dissociationskonstant.
Med denna typ av reglering verkar hämmaren och substratet tävla (tävla) med varandra om en plats i det aktiva centret, därav namnet på processen.
Som ett resultat kan kompetitiv hämning definieras som en reversibel process för hämning av enzymatisk katalys, baserat på den specifika affiniteten hos det aktiva stället för hämmarsubstansen.
verkansmekanism
Internetdelningen inhibitor med ett aktivt ställe förhindrar bildandet av ett enzym-substratkomplex som är nödvändigt för katalys. Som ett resultat blir enzymmolekylen inaktiv. Icke desto mindre kan det katalytiska centret binda inte bara till inhibitorn utan även till substratet. Sannolikheten för bildning av ett eller annat komplex beror på förhållandet mellan koncentrationer. Om det finns betydligt fler substratmolekyler kommer enzymet att reagera med dem oftare än med inhibitorn.
Påverkan på en kemisk reaktions hastighet
Graden av hämning av katalys under kompetitiv hämning bestäms av hur mycket av enzymet som kommer att bilda EI-komplex. I detta fall är det möjligt att öka koncentrationen av substratet i en sådan utsträckning att inhibitorns roll kommer att ersättas, och katalyshastigheten kommer att nå det maximala möjliga värdet som motsvarar värdet Vmaxenligt Michaelis-Mentens ekvation.
Detta fenomen beror på den kraftiga utspädningen av inhibitorn. Som ett resultat reduceras sannolikheten för att enzymmolekyler binder till det till noll, och aktiva centra reagerar endast med substratet.
Kinetiska beroenden av en enzymatisk reaktion som involverar en kompetitiv hämmare
Kompetitiv hämning ökar Michaelis-konstanten (Km), vilket är lika med den substratkoncentration som krävs för att uppnå ½ den maximala katalyshastigheten vid reaktionens början. Mängden enzym som hypotetiskt kan binda till substratet förblir konstant, medan antalet ES-komplex beror endast på koncentrationen av de senare (EI-komplex är inte konstanta och kan förskjutas av substratet).
Kompetitiv hämning av enzymer är lätt att bestämma från graferna över det kinetiska beroendet som byggts för olika koncentrationer av substratet. I det här fallet kommer värdet på Km att ändras, medan Vmax kommer att förbli konstant.
Med icke-kompetitiv hämning är det motsatta: hämmaren binder utanför det aktiva centret och närvaron av substratet kan inte påverka detta på något sätt. Som ett resultat "stängs vissa av enzymmolekylerna av" från katalys, och den maximala möjliga hastigheten minskar. Ändå kan aktiva enzymmolekyler lätt binda till substratet både vid låga och höga koncentrationer av det senare. Därför förblir Michaelis-konstanten konstant.
Graferna för kompetitiv hämning i systemet med dubbla inversa koordinater är flera räta linjer som skär y-axeln i punkten 1/Vmax. Varje rät linje motsvarar en viss koncentration av substratet. Olika skärningspunkter med abskissaxeln (1/[S]) indikerar en förändring i Michaelis-konstanten.
Verkandet av en konkurrerande hämmare på exemplet malonat
Ett typiskt exempel på kompetitiv hämning är processen att minska aktiviteten av succinatdehydrogenas, ett enzym som katalyserar oxidationen av bärnstenssyra (succinat) till fumarsyra. Här som hämmaremalonerade handlingar som har en strukturell likhet med succinat.
Tillsättning av en hämmare till mediet orsakar bildning av komplex av malonat med succinatdehydrogenas. En sådan bindning orsakar inte skada på det aktiva stället, men blockerar dess tillgänglighet till bärnstenssyra. Att öka koncentrationen av succinat minskar den hämmande effekten.
Medicinsk användning
Verkandet av många läkemedel, som är strukturella analoger till substraten för vissa metabola vägar, vars hämning är en nödvändig del av behandlingen av sjukdomar, är baserad på mekanismen för kompetitiv hämning.
Till exempel, för att förbättra ledningen av nervimpulser vid muskeldystrofier, krävs det att nivån av acetylkolin ökar. Detta uppnås genom att hämma aktiviteten av dess hydrolyserande acetylkolinesteras. Hämmarna är kvartära ammoniumbaser som ingår i läkemedel (proresin, endrofonium, etc.).
Antimetaboliter särskiljs i en speciell grupp, som förutom den hämmande effekten uppvisar egenskaperna hos ett pseudosubstrat. I detta fall leder bildandet av EI-komplexet till bildandet av en biologiskt inert anomal produkt. Antimetaboliter inkluderar sulfonamider (används vid behandling av bakteriella infektioner), nukleotidanaloger (används för att stoppa celltillväxten av en cancertumör), etc.
