Kõik organismis toimuvad biokeemilised reaktsioonid alluvad spetsiifilisele kontrollile, mis viiakse läbi reguleerivaid ensüüme aktiveeriva või inhibeeriva toime kaudu. Viimased asuvad tavaliselt metaboolsete transformatsioonide ahelate alguses ja kas käivitavad mitmeetapilise protsessi või aeglustavad seda. Mõned üksikud reaktsioonid kuuluvad samuti reguleerimisele. Konkurentsivõimeline inhibeerimine on üks peamisi mehhanisme ensüümide katalüütilise aktiivsuse kontrollimiseks.
Mis on pärssimine?
Ensümaatilise katalüüsi mehhanism põhineb ensüümi aktiivse saidi seondumisel substraadi molekuliga (ES kompleks), mille tulemuseks on keemiline reaktsioon koos produkti moodustumise ja vabanemisega (E+S=ES=EP=E+P).
Ensüümi inhibeerimine on katalüüsiprotsessi kiiruse vähenemine või täielik peatamine. KitsamasSee mõiste tähendab aktiivse tsentri afiinsuse vähenemist substraadi suhtes, mis saavutatakse ensüümi molekulide sidumisel inhibiitorainetega. Viimased võivad toimida mitmeti, mille alusel jagunevad nad mitmeks tüübiks, mis vastavad samanimelistele pärssimismehhanismidele.
Peamised inhibeerimise tüübid
Protsessi olemusest lähtuv alt võib inhibeerimist olla kahte tüüpi:
- Pöördumatu – põhjustab püsivaid muutusi ensüümi molekulis, jättes selle funktsionaalsest aktiivsusest ilma (viimast ei saa taastada). See võib olla kas spetsiifiline või mittespetsiifiline. Inhibiitor seondub kovalentse interaktsiooni kaudu tugev alt ensüümiga.
- Pööratav – ensüümide negatiivse regulatsiooni põhiliik. See viiakse läbi tänu inhibiitori pöörduvale spetsiifilisele kinnitumisele ensüümvalgu külge nõrkade mittekovalentsete sidemete kaudu, mida saab Michaelis-Menteni võrrandi järgi kineetiliselt kirjeldada (välja arvatud allosteeriline regulatsioon).
On kahte peamist pöörduvat ensüümi inhibeerimist: konkureeriv (võib nõrgendada substraadi kontsentratsiooni suurenemisega) ja mittekonkureeriv. Viimasel juhul väheneb maksimaalne võimalik katalüüsi kiirus.
Peamine erinevus konkureeriva ja mittekonkureeriva inhibeerimise vahel seisneb reguleeriva aine ensüümi külge kinnitumise kohas. Esimesel juhul seondub inhibiitor otse aktiivse saidiga ja teisel juhul ensüümi teise saidiga või ensüümi-substraadi kompleksiga.
On olemas ka segatüüpi inhibeerimine, mille puhul inhibiitoriga seondumine ei takista ES teket, vaid aeglustab katalüüsi. Sel juhul on regulaatoraine kahe- või kolmekordsete komplekside (EI ja EIS) koostises. Konkurentsivõimetu tüübi puhul seondub ensüüm ainult ES-ga.
Ensüümide pöörduva konkureeriva inhibeerimise tunnused
Inhibeerimise konkureeriv mehhanism põhineb reguleeriva aine struktuursel sarnasusel substraadiga. Selle tulemusena moodustub aktiivse tsentri kompleks inhibiitoriga, mis on tavapäraselt tähistatud kui EI.
Pöörduval konkurentsi pärssimisel on järgmised omadused:
- seondumine inhibiitoriga toimub aktiivses kohas;
- ensüümmolekuli inaktiveerimine on pöörduv;
- inhibeerivat toimet saab vähendada substraadi kontsentratsiooni suurendamisega;
- inhibiitor ei mõjuta ensümaatilise katalüüsi maksimaalset kiirust;
- EI kompleks võib laguneda, mida iseloomustab vastav dissotsiatsioonikonstant.
Seda tüüpi regulatsiooni puhul näivad, et inhibiitor ja substraat konkureerivad (konkureerivad) üksteisega aktiivses tsentris koha pärast, sellest ka protsessi nimi.
Selle tulemusel võib konkureerivat inhibeerimist määratleda kui ensümaatilise katalüüsi inhibeerimise pöörduvat protsessi, mis põhineb aktiivse saidi spetsiifilisel afiinsusel inhibiitori suhtes.
Toimemehhanism
Jagamineaktiivse saidiga inhibiitor takistab katalüüsiks vajaliku ensüümi-substraadi kompleksi moodustumist. Selle tulemusena muutub ensüümi molekul mitteaktiivseks. Sellest hoolimata võib katalüütiline tsenter seonduda mitte ainult inhibiitoriga, vaid ka substraadiga. Ühe või teise kompleksi moodustumise tõenäosus sõltub kontsentratsioonide suhtest. Kui substraadi molekule on oluliselt rohkem, reageerib ensüüm nendega sagedamini kui inhibiitoriga.
Mõju keemilise reaktsiooni kiirusele
Katalüüsi inhibeerimise aste konkureeriva inhibeerimise ajal määratakse selle järgi, kui palju ensüümi moodustab EI-komplekse. Sel juhul on võimalik substraadi kontsentratsiooni suurendada niivõrd, et inhibiitori roll asendub ja katalüüsi kiirus saavutab maksimaalse võimaliku väärtuse, mis vastab väärtusele VmaxMichaelis-Menteni võrrandi järgi.
See nähtus on tingitud inhibiitori tugevast lahjendamisest. Selle tulemusena väheneb ensüümmolekulide sellega seondumise tõenäosus nullini ja aktiivsed keskused reageerivad ainult substraadiga.
Kineetilised sõltuvused ensümaatilisest reaktsioonist, mis hõlmab konkureerivat inhibiitorit
Konkurentsivõimeline inhibeerimine suurendab Michaelise konstanti (Km), mis on võrdne substraadi kontsentratsiooniga, mis on vajalik ½ maksimaalse katalüüsikiiruse saavutamiseks reaktsiooni alguses. Ensüümi kogus, mis on hüpoteetiliselt võimeline substraadiga seonduma, jääb konstantseks, samas kui ES-kompleksid sõltuvad ainult viimaste kontsentratsioonist (EI kompleksid ei ole konstantsed ja neid võib substraat tõrjuda).
Ensüümide konkureerivat inhibeerimist on lihtne määrata substraadi erinevate kontsentratsioonide jaoks loodud kineetilise sõltuvuse graafikute põhjal. Sel juhul muutub Km väärtus, samas kui Vmax jääb muutumatuks.
Mittekonkureeriva inhibeerimisega on vastupidi: inhibiitor seondub väljaspool aktiivset keskpunkti ja substraadi olemasolu ei saa seda kuidagi mõjutada. Selle tulemusena "lülitatakse" osa ensüümi molekule katalüüsist välja ja maksimaalne võimalik kiirus väheneb. Sellegipoolest võivad aktiivsed ensüümi molekulid kergesti seostuda substraadiga nii viimase madalal kui ka kõrgel kontsentratsioonil. Seetõttu jääb Michaelise konstant konstantseks.
Konkurentsi pärssimise graafikud topeltpöördkoordinaatide süsteemis on mitmed sirged, mis lõikuvad y-teljega punktis 1/Vmax. Iga sirge joon vastab teatud substraadi kontsentratsioonile. Erinevad lõikepunktid abstsissteljega (1/[S]) näitavad Michaelise konstandi muutust.
Konkureeriva inhibiitori toime malonaadi näitel
Konkurentsi pärssimise tüüpiline näide on suktsinaatdehüdrogenaasi, ensüümi, mis katalüüsib merevaikhappe (suktsinaadi) oksüdeerumist fumaarhappeks, aktiivsuse vähendamise protsess. Siin kui inhibiitormalonaat toimib, omades struktuurilt sarnasust suktsinaadiga.
Inhibiitori lisamine söötmele põhjustab malonaadi komplekside moodustumist suktsinaatdehüdrogenaasiga. Selline side ei kahjusta aktiivset kohta, vaid blokeerib selle juurdepääsu merevaikhappele. Suktsinaadi kontsentratsiooni suurendamine vähendab pärssivat toimet.
Meditsiiniline kasutamine
Paljude ravimite, mis on mõnede metaboolsete radade substraatide struktuursed analoogid, mille inhibeerimine on haiguste ravi oluline osa, toime põhineb konkureeriva inhibeerimise mehhanismil.
Näiteks närviimpulsside juhtivuse parandamiseks lihasdüstroofia korral on vaja tõsta atsetüülkoliini taset. See saavutatakse selle hüdrolüüsiva atsetüülkoliinesteraasi aktiivsuse pärssimisega. Inhibiitorid on kvaternaarsed ammooniumialused, mis on osa ravimitest (proresiin, endrofoonium jne).
Antimetaboliidid on eristatud erirühma, millel on lisaks inhibeerivale toimele pseudosubstraadi omadused. Sel juhul viib EI kompleksi moodustumine bioloogiliselt inertse anomaalse produkti moodustumiseni. Antimetaboliidid hõlmavad sulfoonamiide (kasutatakse bakteriaalsete infektsioonide raviks), nukleotiidi analooge (kasutatakse vähirakkude kasvu peatamiseks) jne.
