Të gjitha reaksionet biokimike që ndodhin në trup i nënshtrohen kontrollit specifik, i cili kryhet nëpërmjet një efekti aktivizues ose frenues në enzimat rregullatore. Këto të fundit zakonisht ndodhen në fillim të zinxhirëve të transformimeve metabolike dhe ose fillojnë një proces me shumë faza ose e ngadalësojnë atë. Disa reagime të vetme janë gjithashtu subjekt i rregullimit. Frenimi konkurrues është një nga mekanizmat kryesorë për kontrollin e aktivitetit katalitik të enzimave.
Çfarë është frenimi?
Mekanizmi i katalizës enzimatike bazohet në lidhjen e zonës aktive të enzimës me molekulën e substratit (kompleksi ES), duke rezultuar në një reaksion kimik me formimin dhe çlirimin e produktit (E+S=ES=EP=E+P).
Inhibimi i një enzime është një reduktim i shpejtësisë ose një ndalim i plotë i procesit të katalizimit. Në një më të ngushtëkuptimi, ky term nënkupton një ulje të afinitetit të qendrës aktive për substratin, i cili arrihet duke lidhur molekulat e enzimës me substancat frenuese. Këta të fundit mund të veprojnë në mënyra të ndryshme, në bazë të të cilave ato ndahen në disa lloje, që korrespondojnë me mekanizmat e frenimit me të njëjtin emër.
Llojet kryesore të frenimit
Për nga natyra e procesit, frenimi mund të jetë i dy llojeve:
- I pakthyeshëm - shkakton ndryshime të vazhdueshme në molekulën e enzimës, duke e privuar atë nga aktiviteti funksional (kjo e fundit nuk mund të rikthehet). Mund të jetë ose specifik ose jo specifik. Inhibitori lidhet fort me enzimën nëpërmjet ndërveprimit kovalent.
- I kthyeshëm - lloji kryesor i rregullimit negativ të enzimave. Ajo kryhet për shkak të lidhjes specifike të kthyeshme të frenuesit me proteinën enzimë nga lidhje të dobëta jokovalente, të përshtatshme për përshkrimin kinetik sipas ekuacionit Michaelis-Menten (me përjashtim të rregullimit alosterik).
Ekzistojnë dy lloje kryesore të frenimit të kthyeshëm të enzimës: konkurrues (mund të zbutet duke rritur përqendrimin e substratit) dhe jo konkurrues. Në rastin e fundit, shpejtësia maksimale e mundshme e katalizimit zvogëlohet.
Dallimi kryesor midis frenimit konkurrues dhe jo konkurrues qëndron në vendin e lidhjes së substancës rregullatore me enzimën. Në rastin e parë, frenuesi lidhet drejtpërdrejt me zonën aktive, dhe në rastin e dytë, me një vend tjetër të enzimës, ose me kompleksin enzimë-substrat.
Ekziston gjithashtu një lloj i përzier inhibimi, në të cilin lidhja me një frenues nuk parandalon formimin e ES, por ngadalëson katalizën. Në këtë rast, substanca rregullatore është në përbërjen e komplekseve të dyfishta ose të trefishta (EI dhe EIS). Në llojin jo konkurrues, enzima lidhet vetëm me ES.
Veçoritë e frenimit konkurrues të kthyeshëm të enzimave
Mekanizmi konkurrues i frenimit bazohet në ngjashmërinë strukturore të substancës rregullatore me substratin. Si rezultat, formohet një kompleks i qendrës aktive me frenuesin, i përcaktuar në mënyrë konvencionale si EI.
Inhibimi konkurrues i kthyeshëm ka karakteristikat e mëposhtme:
- lidhja me frenuesin ndodh në vendin aktiv;
- inaktivizimi i molekulës së enzimës është i kthyeshëm;
- efekti frenues mund të reduktohet duke rritur përqendrimin e substratit;
- inhibitori nuk ndikon në shkallën maksimale të katalizimit enzimatik;
- kompleksi EI mund të dekompozohet, i cili karakterizohet nga konstanta korresponduese e disociimit.
Me këtë lloj rregullimi, frenuesi dhe substrati duket se konkurrojnë (konkurrojnë) me njëri-tjetrin për një vend në qendrën aktive, prandaj emri i procesit.
Si rezultat, frenimi konkurrues mund të përkufizohet si një proces i kthyeshëm i frenimit të katalizës enzimatike, bazuar në afinitetin specifik të zonës aktive për substancën frenuese.
Mekanizmi i veprimit
Lidhjanjë inhibitor me një vend aktiv parandalon formimin e një kompleksi enzimë-substrat të nevojshëm për katalizë. Si rezultat, molekula e enzimës bëhet joaktive. Sidoqoftë, qendra katalitike mund të lidhet jo vetëm me frenuesin, por edhe me substratin. Probabiliteti i formimit të një ose një kompleksi tjetër varet nga raporti i përqendrimeve. Nëse ka shumë më shumë molekula të substratit, atëherë enzima do të reagojë me to më shpesh sesa me frenuesin.
Ndikimi në shpejtësinë e një reaksioni kimik
Shkalla e frenimit të katalizës gjatë frenimit konkurrues përcaktohet nga sasia e enzimës që do të formojë komplekse EI. Në këtë rast, është e mundur të rritet përqendrimi i substratit në një masë të tillë që roli i frenuesit do të zëvendësohet dhe shkalla e katalizës do të arrijë vlerën maksimale të mundshme që korrespondon me vlerën Vmaxsipas ekuacionit Michaelis-Menten.
Ky fenomen është për shkak të hollimit të fortë të inhibitorit. Si rezultat, probabiliteti që molekulat e enzimës të lidhen me të reduktohet në zero dhe qendrat aktive reagojnë vetëm me substratin.
varësitë kinetike të një reaksioni enzimatik që përfshin një frenues konkurrues
Inhibimi konkurrues rrit konstantën e Michaelis (Km), e cila është e barabartë me përqendrimin e substratit që kërkohet për të arritur ½ e shpejtësisë maksimale të katalizimit në fillim të reaksionit. Sasia e enzimës që hipotetikisht është e aftë të lidhet me substratin mbetet konstante, ndërsa numri i ES-komplekset varen vetëm nga përqendrimi i kësaj të fundit (komplekset EI nuk janë konstante dhe mund të zhvendosen nga substrati).
Inhibimi konkurrues i enzimave është i lehtë për t'u përcaktuar nga grafikët e varësisë kinetike të ndërtuar për përqendrime të ndryshme të substratit. Në këtë rast, vlera e Km do të ndryshojë, ndërsa Vmax do të mbetet konstante.
Me frenimin jo konkurrues, e kundërta është e vërtetë: inhibitori lidhet jashtë qendrës aktive dhe prania e substratit nuk mund të ndikojë në këtë në asnjë mënyrë. Si rezultat, disa nga molekulat e enzimës "fiken" nga katalizimi, dhe shpejtësia maksimale e mundshme zvogëlohet. Sidoqoftë, molekulat e enzimës aktive mund të lidhen lehtësisht me substratin si në përqendrime të ulëta ashtu edhe në përqendrime të larta të këtij të fundit. Prandaj, konstanta Michaelis mbetet konstante.
Grafikët e frenimit konkurrues në sistemin e koordinatave të dyfishta të anasjellta janë disa vija të drejta që kryqëzojnë boshtin y në pikën 1/Vmax. Çdo vijë e drejtë korrespondon me një përqendrim të caktuar të substratit. Pika të ndryshme të kryqëzimit me boshtin e abshisave (1/[S]) tregojnë një ndryshim në konstantën Michaelis.
Veprimi i një frenuesi konkurrues në shembullin e malonatit
Një shembull tipik i frenimit konkurrues është procesi i reduktimit të aktivitetit të dehidrogjenazës succinate, një enzimë që katalizon oksidimin e acidit succinic (succinate) në acid fumarik. Këtu si një frenuesMalonate vepron, duke pasur një ngjashmëri strukturore me suksinatin.
Shtimi i një frenuesi në mjedis shkakton formimin e komplekseve të malonatit me suksinat dehidrogjenazën. Një lidhje e tillë nuk shkakton dëme në zonën aktive, por bllokon aksesin e saj ndaj acidit succinic. Rritja e përqendrimit të suksinatit redukton efektin frenues.
Përdorim mjekësor
Veprimi i shumë barnave, që janë analoge strukturore të substrateve të disa rrugëve metabolike, frenimi i të cilave është pjesë e domosdoshme e trajtimit të sëmundjeve, bazohet në mekanizmin e frenimit konkurrues.
Për shembull, për të përmirësuar përcjelljen e impulseve nervore në distrofitë muskulare, kërkohet të rritet niveli i acetilkolinës. Kjo arrihet duke frenuar aktivitetin e acetilkolinesterazës hidrolizuese të saj. Frenuesit janë baza kuaternare të amonit që janë pjesë e barnave (prorezinë, endrofonium, etj.).
Antimetabolitë dallohen në një grup të veçantë, të cilët, përveç efektit frenues, shfaqin edhe vetitë e një pseudosubstrati. Në këtë rast, formimi i kompleksit EI çon në formimin e një produkti anomal biologjikisht inert. Antimetabolitët përfshijnë sulfonamidet (të përdorura në trajtimin e infeksioneve bakteriale), analogët e nukleotideve (përdoren për të ndaluar rritjen e qelizave të një tumori kanceroz), etj.
