Kaikki kehossa tapahtuvat biokemialliset reaktiot ovat erityisen hallinnan alaisia, mikä tapahtuu sääteleviä entsyymejä aktivoivan tai estävän vaikutuksen kautta. Jälkimmäiset sijaitsevat yleensä metabolisten muutosten ketjujen alussa ja joko aloittavat monivaiheisen prosessin tai hidastavat sitä. Jotkut yksittäiset reaktiot ovat myös säänneltyjä. Kilpaileva esto on yksi tärkeimmistä entsyymien katalyyttisen aktiivisuuden säätelymekanismeista.
Mitä esto on?
Entsymaattisen katalyysin mekanismi perustuu entsyymin aktiivisen kohdan sitoutumiseen substraattimolekyyliin (ES-kompleksi), mikä johtaa kemialliseen reaktioon tuotteen muodostumisen ja vapautumisen kanssa (E+S=ES=EP=E+P).
Entsyymin esto tarkoittaa katalyysiprosessin nopeuden hidastamista tai sen täydellistä pysäyttämistä. KapeampinaTämä termi tarkoittaa substraatin aktiivisen keskuksen affiniteetin vähenemistä, joka saavutetaan sitomalla entsyymimolekyylejä estoaineisiin. Jälkimmäiset voivat toimia eri tavoin, minkä perusteella ne jaetaan useisiin tyyppeihin, jotka vastaavat samannimistä estomekanismeja.
Esityksen päätyypit
Prosessin luonteesta johtuen esto voi olla kahta tyyppiä:
- Peruuttamaton - aiheuttaa pysyviä muutoksia entsyymimolekyylissä, mikä estää sen toiminnallisen toiminnan (jälkimmäistä ei voida palauttaa). Se voi olla joko spesifinen tai epäspesifinen. Inhibiittori sitoutuu voimakkaasti entsyymiin kovalenttisen vuorovaikutuksen kautta.
- Kääntyvä - entsyymien negatiivisen säätelyn päätyyppi. Se suoritetaan johtuen inhibiittorin palautuvasta spesifisesta kiinnittymisestä entsyymiproteiiniin heikkojen ei-kovalenttisten sidosten avulla, jotka voidaan kuvata Michaelis-Menten-yhtälön mukaisesti (poikkeuksena allosteerinen säätely).
Reversiibelien entsyymien estämiseen on kaksi päätyyppiä: kompetitiivinen (voi heikentää substraattipitoisuuden lisäämistä) ja ei-kilpaileva. Jälkimmäisessä tapauksessa suurin mahdollinen katalyysinopeus laskee.
Pääasiallinen ero kilpailevan ja ei-kilpailevan inhibition välillä on säätelyaineen kiinnittymiskohdassa entsyymiin. Ensimmäisessä tapauksessa inhibiittori sitoutuu suoraan aktiiviseen kohtaan ja toisessa tapauksessa toiseen entsyymin kohtaan tai entsyymi-substraattikompleksiin.
On olemassa myös sekatyyppinen esto, jossa inhibiittoriin sitoutuminen ei estä ES:n muodostumista, mutta hidastaa katalyysiä. Tässä tapauksessa säätelyaine on kaksois- tai kolmoiskompleksien (EI ja EIS) koostumuksessa. Kilpailukyvyttömässä tyypissä entsyymi sitoutuu vain ES:hen.
Entsyymien palautuvan kilpailevan eston ominaisuudet
Kilpaileva estomekanismi perustuu säätelyaineen rakenteelliseen samank altaisuuteen substraatin kanssa. Tuloksena muodostuu aktiivisen keskuksen kompleksi inhibiittorin kanssa, jota kutsutaan perinteisesti nimellä EI.
Kääntyvä kilpailuesto sisältää seuraavat ominaisuudet:
- sitoutuminen inhibiittoriin tapahtuu aktiivisessa kohdassa;
- entsyymimolekyylin inaktivaatio on palautuva;
- estävää vaikutusta voidaan vähentää lisäämällä substraatin pitoisuutta;
- estäjä ei vaikuta entsymaattisen katalyysin maksiminopeuteen;
- EI-kompleksi voi hajota, jolle on tunnusomaista vastaava dissosiaatiovakio.
Tällaisessa säätelyssä inhibiittori ja substraatti näyttävät kilpailevan (kilpailevan) toistensa kanssa paikasta aktiivisessa keskustassa, tästä johtuu prosessin nimi.
Tämän seurauksena kilpaileva esto voidaan määritellä palautuvaksi entsymaattisen katalyysin estoprosessiksi, joka perustuu aktiivisen kohdan spesifiseen affiniteettiin estäjäaineeseen.
Toimintamekanismi
Jaettuinhibiittori, jolla on aktiivinen kohta, estää katalyysille välttämättömän entsyymi-substraattikompleksin muodostumisen. Tämän seurauksena entsyymimolekyyli muuttuu inaktiiviseksi. Siitä huolimatta katalyyttinen keskus voi sitoutua paitsi inhibiittoriin myös substraattiin. Yhden tai toisen kompleksin muodostumisen todennäköisyys riippuu pitoisuuksien suhteesta. Jos substraattimolekyylejä on huomattavasti enemmän, entsyymi reagoi niiden kanssa useammin kuin inhibiittorin kanssa.
Vaikutus kemiallisen reaktion nopeuteen
Katalyysin eston aste kompetitiivisen inhibition aikana määräytyy sen mukaan, kuinka suuri osa entsyymistä muodostaa EI-komplekseja. Tässä tapauksessa on mahdollista nostaa substraatin pitoisuutta siinä määrin, että inhibiittorin rooli vaihtuu ja katalyysinopeus saavuttaa suurimman mahdollisen arvon, joka vastaa arvoa VmaxMichaelis-Menten yhtälön mukaan.
Tämä ilmiö johtuu inhibiittorin voimakkaasta laimenemisesta. Tämän seurauksena entsyymimolekyylien sitoutumisen todennäköisyys siihen pienenee nollaan ja aktiiviset keskukset reagoivat vain substraatin kanssa.
Entsymaattisen reaktion kineettiset riippuvuudet, johon liittyy kilpaileva inhibiittori
Kilpaileva esto lisää Michaelis-vakiota (Km), joka on yhtä suuri kuin substraattikonsentraatio, joka tarvitaan saavuttamaan ½ maksimikatalyysinopeudesta reaktion alussa. Substraattiin hypoteettisesti sitoutuvan entsyymin määrä pysyy vakiona, kun taas ES-kompleksit riippuvat vain jälkimmäisen pitoisuudesta (EI-kompleksit eivät ole vakioita ja substraatti voi syrjäyttää ne).
Entsyymien kilpaileva esto on helppo määrittää substraattien eri pitoisuuksille rakennetuista kineettisen riippuvuuden kaavioista. Tässä tapauksessa Km muuttuu, kun taas Vmax pysyy vakiona.
Ei-kilpailevalla estolla on päinvastoin: inhibiittori sitoutuu aktiivisen keskuksen ulkopuolelle, eikä substraatin läsnäolo voi vaikuttaa tähän millään tavalla. Tämän seurauksena osa entsyymimolekyyleistä "sammutetaan" katalyysistä ja suurin mahdollinen nopeus laskee. Siitä huolimatta aktiiviset entsyymimolekyylit voivat sitoutua helposti substraattiin sekä alhaisilla että suurilla pitoisuuksilla. Siksi Michaelis-vakio pysyy vakiona.
Kilpailevan eston kuvaajat kaksoiskäänteiskoordinaattijärjestelmässä ovat useita suoria viivoja, jotka leikkaavat y-akselin pisteessä 1/Vmax. Jokainen suora vastaa tiettyä substraatin pitoisuutta. Eri leikkauspisteet abskissa-akselin kanssa (1/[S]) osoittavat muutoksen Michaelis-vakiossa.
Kilpailevan estäjän toiminta malonaatin esimerkissä
Tyypillinen esimerkki kilpailevasta estämisestä on prosessi, jossa vähennetään sukkinaattidehydrogenaasin, entsyymin, joka katalysoi meripihkahapon (sukkinaatin) hapettumista fumaarihapoksi, aktiivisuutta. Tässä estäjänämalonaatti toimii, ja sillä on rakenteellista samank altaisuutta sukkinaatin kanssa.
Inhibiittorin lisääminen alustaan aiheuttaa malonaattikompleksien muodostumisen sukkinaattidehydrogenaasin kanssa. Tällainen sidos ei aiheuta vahinkoa aktiiviselle alueelle, mutta estää sen pääsyn meripihkahapolle. Sukkinaatin pitoisuuden lisääminen vähentää estävää vaikutusta.
Lääketieteellinen käyttö
Monien lääkkeiden, jotka ovat joidenkin aineenvaihduntareittien substraattien rakenteellisia analogeja, joiden estäminen on välttämätön osa sairauksien hoitoa, vaikutus perustuu kilpailevan eston mekanismiin.
Esimerkiksi hermoimpulssien johtumisen parantamiseksi lihasdystrofioissa on nostettava asetyylikoliinin tasoa. Tämä saavutetaan estämällä sen hydrolysoivan asetyylikoliiniesteraasin aktiivisuutta. Inhibiittorit ovat kvaternäärisiä ammoniumemäksiä, jotka ovat osa lääkkeitä (proresiini, endrofonium jne.).
Antimetaboliitit jaetaan erityiseen ryhmään, joilla on estävän vaikutuksen lisäksi pseudosubstraatin ominaisuuksia. Tässä tapauksessa EI-kompleksin muodostuminen johtaa biologisesti inertin poikkeavan tuotteen muodostumiseen. Antimetaboliitteja ovat sulfonamidit (käytetään bakteeri-infektioiden hoidossa), nukleotidianalogit (käytetään estämään syöpäkasvaimen solujen kasvu) jne.
