Όλες οι βιοχημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο σώμα υπόκεινται σε ειδικό έλεγχο, ο οποίος πραγματοποιείται μέσω μιας ενεργοποιητικής ή ανασταλτικής δράσης στα ρυθμιστικά ένζυμα. Τα τελευταία βρίσκονται συνήθως στην αρχή των αλυσίδων μεταβολικών μετασχηματισμών και είτε ξεκινούν μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων είτε την επιβραδύνουν. Ορισμένες μεμονωμένες αντιδράσεις υπόκεινται επίσης σε ρύθμιση. Η ανταγωνιστική αναστολή είναι ένας από τους κύριους μηχανισμούς ελέγχου της καταλυτικής δραστηριότητας των ενζύμων.
Τι είναι η αναστολή;
Ο μηχανισμός της ενζυματικής κατάλυσης βασίζεται στη δέσμευση της ενεργού θέσης του ενζύμου στο μόριο του υποστρώματος (σύμπλεγμα ES), με αποτέλεσμα μια χημική αντίδραση με το σχηματισμό και την απελευθέρωση του προϊόντος (E+S=ES=EP=E+P).
Η αναστολή ενός ενζύμου είναι η μείωση του ρυθμού ή η πλήρης διακοπή της διαδικασίας κατάλυσης. Σε ένα στενότεροΜε την έννοια, αυτός ο όρος σημαίνει μείωση της συγγένειας του ενεργού κέντρου για το υπόστρωμα, η οποία επιτυγχάνεται με τη δέσμευση μορίων ενζύμου σε ουσίες αναστολέα. Τα τελευταία μπορούν να δράσουν με διάφορους τρόπους, με βάση τους οποίους χωρίζονται σε διάφορους τύπους, που αντιστοιχούν στους ομώνυμους μηχανισμούς αναστολής.
Κύριοι τύποι αναστολής
Από τη φύση της διαδικασίας, η αναστολή μπορεί να είναι δύο τύπων:
- Μη αναστρέψιμο - προκαλεί επίμονες αλλαγές στο μόριο του ενζύμου, στερώντας του τη λειτουργική δραστηριότητα (η τελευταία δεν μπορεί να αποκατασταθεί). Μπορεί να είναι είτε συγκεκριμένο είτε μη ειδικό. Ο αναστολέας συνδέεται ισχυρά με το ένζυμο μέσω ομοιοπολικής αλληλεπίδρασης.
- Αναστρέψιμη - ο κύριος τύπος αρνητικής ρύθμισης των ενζύμων. Διεξάγεται λόγω της αναστρέψιμης ειδικής προσκόλλησης του αναστολέα στην ενζυμική πρωτεΐνη με ασθενείς μη ομοιοπολικούς δεσμούς, που υπόκεινται σε κινητική περιγραφή σύμφωνα με την εξίσωση Michaelis-Menten (με εξαίρεση την αλλοστερική ρύθμιση).
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αναστρέψιμης αναστολής ενζύμων: ανταγωνιστική (μπορεί να εξασθενήσει με την αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος) και μη ανταγωνιστική. Στην τελευταία περίπτωση, ο μέγιστος δυνατός ρυθμός κατάλυσης μειώνεται.
Η κύρια διαφορά μεταξύ ανταγωνιστικής και μη ανταγωνιστικής αναστολής έγκειται στη θέση σύνδεσης της ρυθμιστικής ουσίας στο ένζυμο. Στην πρώτη περίπτωση, ο αναστολέας συνδέεται απευθείας με την ενεργό θέση και στη δεύτερη περίπτωση, σε άλλη θέση του ενζύμου ή στο σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος.
Υπάρχει επίσης ένας μεικτός τύπος αναστολής, στον οποίο η δέσμευση σε έναν αναστολέα δεν εμποδίζει το σχηματισμό ES, αλλά επιβραδύνει την κατάλυση. Σε αυτή την περίπτωση, η ρυθμιστική ουσία βρίσκεται στη σύνθεση διπλών ή τριπλών συμπλεγμάτων (EI και EIS). Στον μη ανταγωνιστικό τύπο, το ένζυμο συνδέεται μόνο με ES.
Χαρακτηριστικά της αναστρέψιμης ανταγωνιστικής αναστολής των ενζύμων
Ο ανταγωνιστικός μηχανισμός αναστολής βασίζεται στη δομική ομοιότητα της ρυθμιστικής ουσίας με το υπόστρωμα. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα σύμπλεγμα του ενεργού κέντρου με τον αναστολέα, που συμβατικά ορίζεται ως ΕΙ.
Η αναστρέψιμη ανταγωνιστική αναστολή έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
- σύνδεση με τον αναστολέα συμβαίνει στην ενεργό θέση;
- αδρανοποίηση του μορίου του ενζύμου είναι αναστρέψιμη,
- η ανασταλτική δράση μπορεί να μειωθεί αυξάνοντας τη συγκέντρωση του υποστρώματος.
- Ο αναστολέας δεν επηρεάζει τον μέγιστο ρυθμό ενζυματικής κατάλυσης.
- το σύμπλεγμα EI μπορεί να αποσυντεθεί, το οποίο χαρακτηρίζεται από την αντίστοιχη σταθερά διάστασης.
Με αυτόν τον τύπο ρύθμισης, ο αναστολέας και το υπόστρωμα φαίνεται να ανταγωνίζονται (ανταγωνίζονται) μεταξύ τους για μια θέση στο ενεργό κέντρο, εξ ου και το όνομα της διαδικασίας.
Σαν αποτέλεσμα, η ανταγωνιστική αναστολή μπορεί να οριστεί ως μια αναστρέψιμη διαδικασία αναστολής της ενζυματικής κατάλυσης, με βάση την ειδική συγγένεια της δραστικής θέσης για την ουσία αναστολέα.
Μηχανισμός δράσης
Σύνδεσηένας αναστολέας με ενεργή θέση εμποδίζει το σχηματισμό ενός συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος που είναι απαραίτητο για την κατάλυση. Ως αποτέλεσμα, το μόριο του ενζύμου καθίσταται ανενεργό. Ωστόσο, το καταλυτικό κέντρο μπορεί να συνδεθεί όχι μόνο με τον αναστολέα, αλλά και με το υπόστρωμα. Η πιθανότητα σχηματισμού ενός ή άλλου συμπλόκου εξαρτάται από την αναλογία των συγκεντρώσεων. Εάν υπάρχουν σημαντικά περισσότερα μόρια υποστρώματος, τότε το ένζυμο θα αντιδράσει μαζί τους πιο συχνά παρά με τον αναστολέα.
Επίδραση στον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης
Ο βαθμός αναστολής της κατάλυσης κατά τη διάρκεια της ανταγωνιστικής αναστολής καθορίζεται από το πόσο από το ένζυμο θα σχηματίσει σύμπλοκα EI. Σε αυτή την περίπτωση, είναι δυνατό να αυξηθεί η συγκέντρωση του υποστρώματος σε τέτοιο βαθμό ώστε να αντικατασταθεί ο ρόλος του αναστολέα και ο ρυθμός κατάλυσης να φτάσει τη μέγιστη δυνατή τιμή που αντιστοιχεί στην τιμή Vmaxσύμφωνα με την εξίσωση Michaelis-Menten.
Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στην ισχυρή αραίωση του αναστολέα. Ως αποτέλεσμα, η πιθανότητα δέσμευσης μορίων ενζύμου σε αυτό μειώνεται στο μηδέν και τα ενεργά κέντρα αντιδρούν μόνο με το υπόστρωμα.
Κινητικές εξαρτήσεις μιας ενζυμικής αντίδρασης που περιλαμβάνει έναν ανταγωνιστικό αναστολέα
Η ανταγωνιστική αναστολή αυξάνει τη σταθερά Michaelis (Km), η οποία είναι ίση με τη συγκέντρωση του υποστρώματος που απαιτείται για την επίτευξη ½ του μέγιστου ρυθμού κατάλυσης στην αρχή της αντίδρασης. Η ποσότητα του ενζύμου που υποθετικά μπορεί να δεσμευτεί στο υπόστρωμα παραμένει σταθερή, ενώ ο αριθμός των ES-τα σύμπλοκα εξαρτώνται μόνο από τη συγκέντρωση του τελευταίου (τα σύμπλοκα ΕΙ δεν είναι σταθερά και μπορούν να εκτοπιστούν από το υπόστρωμα).
Η ανταγωνιστική αναστολή των ενζύμων είναι εύκολο να προσδιοριστεί από τα γραφήματα της κινητικής εξάρτησης που έχουν κατασκευαστεί για διαφορετικές συγκεντρώσεις του υποστρώματος. Σε αυτήν την περίπτωση, η τιμή του Km θα αλλάξει, ενώ το Vmax θα παραμείνει σταθερή.
Με τη μη ανταγωνιστική αναστολή, ισχύει το αντίθετο: ο αναστολέας δεσμεύεται έξω από το ενεργό κέντρο και η παρουσία του υποστρώματος δεν μπορεί να επηρεάσει αυτό με κανέναν τρόπο. Ως αποτέλεσμα, ορισμένα από τα μόρια του ενζύμου «απενεργοποιούνται» από την κατάλυση και ο μέγιστος δυνατός ρυθμός μειώνεται. Ωστόσο, τα ενεργά μόρια ενζύμου μπορούν εύκολα να συνδεθούν στο υπόστρωμα τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές συγκεντρώσεις του τελευταίου. Επομένως, η σταθερά Michaelis παραμένει σταθερή.
Τα γραφήματα ανταγωνιστικής αναστολής στο σύστημα διπλών αντίστροφων συντεταγμένων είναι πολλές ευθείες γραμμές που τέμνουν τον άξονα y στο σημείο 1/Vmax. Κάθε ευθεία γραμμή αντιστοιχεί σε μια ορισμένη συγκέντρωση του υποστρώματος. Διαφορετικά σημεία τομής με τον άξονα της τετμημένης (1/[S]) υποδεικνύουν μια αλλαγή στη σταθερά Michaelis.
Η δράση ενός ανταγωνιστικού αναστολέα στο παράδειγμα του μηλονικού
Ένα τυπικό παράδειγμα ανταγωνιστικής αναστολής είναι η διαδικασία μείωσης της δραστηριότητας της ηλεκτρικής αφυδρογονάσης, ενός ενζύμου που καταλύει την οξείδωση του ηλεκτρικού οξέος (ηλεκτρικού) σε φουμαρικό οξύ. Εδώ ως αναστολέαςΤο μηλονικό δρα, έχοντας δομική ομοιότητα με το ηλεκτρικό.
Η προσθήκη ενός αναστολέα στο μέσο προκαλεί τον σχηματισμό συμπλοκών μηλονικού με ηλεκτρική αφυδρογονάση. Ένας τέτοιος δεσμός δεν προκαλεί βλάβη στο ενεργό κέντρο, αλλά εμποδίζει την προσβασιμότητά του στο ηλεκτρικό οξύ. Η αύξηση της συγκέντρωσης του ηλεκτρικού μειώνει την ανασταλτική δράση.
Ιατρική χρήση
Η δράση πολλών φαρμάκων, που είναι δομικά ανάλογα των υποστρωμάτων ορισμένων μεταβολικών οδών, η αναστολή των οποίων είναι απαραίτητο μέρος της θεραπείας ασθενειών, βασίζεται στον μηχανισμό της ανταγωνιστικής αναστολής.
Για παράδειγμα, για τη βελτίωση της αγωγιμότητας των νευρικών ερεθισμάτων σε μυϊκές δυστροφίες, απαιτείται αύξηση του επιπέδου της ακετυλοχολίνης. Αυτό επιτυγχάνεται με την αναστολή της δράσης της υδρολυτικής ακετυλοχολινεστεράσης της. Οι αναστολείς είναι βάσεις τεταρτοταγούς αμμωνίου που αποτελούν μέρος των φαρμάκων (προρεζίνη, ενδοφόνιο κ.λπ.).
Οι αντιμεταβολίτες διακρίνονται σε μια ειδική ομάδα, οι οποίοι, εκτός από την ανασταλτική δράση, εμφανίζουν τις ιδιότητες ενός ψευδουποστρώματος. Σε αυτή την περίπτωση, ο σχηματισμός του συμπλέγματος ΕΙ οδηγεί στον σχηματισμό ενός βιολογικά αδρανούς ανώμαλου προϊόντος. Οι αντιμεταβολίτες περιλαμβάνουν σουλφοναμίδες (χρησιμοποιούνται στη θεραπεία βακτηριακών λοιμώξεων), ανάλογα νουκλεοτιδίων (χρησιμοποιούνται για να σταματήσουν την κυτταρική ανάπτυξη ενός καρκινικού όγκου) κ.λπ.
