Visoms organizme vykstančioms biocheminėms reakcijoms taikoma specifinė kontrolė, kuri vykdoma aktyvuojant arba slopinant reguliuojančius fermentus. Pastarieji dažniausiai būna medžiagų apykaitos transformacijų grandinių pradžioje ir arba pradeda daugiapakopį procesą, arba jį sulėtina. Kai kurios atskiros reakcijos taip pat yra reguliuojamos. Konkurencinis slopinimas yra vienas iš pagrindinių mechanizmų, kontroliuojančių fermentų katalizinį aktyvumą.
Kas yra slopinimas?
Fermentinės katalizės mechanizmas pagrįstas aktyviosios fermento centro prisijungimu prie substrato molekulės (ES komplekso), dėl kurio vyksta cheminė reakcija, susidarant ir išsiskiriant produktui (E+S=ES).=EP=E+P).
Fermento slopinimas yra katalizės proceso greičio sumažėjimas arba visiškas sustabdymas. Siauresnėjeprasme, šis terminas reiškia aktyvaus centro afiniteto substratui sumažėjimą, kuris pasiekiamas surišant fermentų molekules su inhibitorinėmis medžiagomis. Pastarieji gali veikti įvairiai, kurių pagrindu jie skirstomi į keletą tipų, kurie atitinka to paties pavadinimo slopinimo mechanizmus.
Pagrindiniai slopinimo tipai
Dėl proceso pobūdžio slopinimas gali būti dviejų tipų:
- Negrįžtamas – sukelia nuolatinius fermento molekulės pokyčius, atima iš jos funkcinę veiklą (pastarosios atkurti nepavyksta). Jis gali būti specifinis arba nespecifinis. Inhibitorius stipriai jungiasi su fermentu kovalentinės sąveikos būdu.
- Grąžinamasis – pagrindinis neigiamo fermentų reguliavimo tipas. Jis atliekamas dėl grįžtamojo specifinio inhibitoriaus prisijungimo prie fermento b altymo silpnais nekovalentiniais ryšiais, kuriuos galima kinetiškai apibūdinti pagal Michaelis-Menten lygtį (išskyrus allosterinį reguliavimą).
Yra du pagrindiniai grįžtamojo fermento slopinimo tipai: konkurencinis (gali būti susilpnintas didėjant substrato koncentracijai) ir nekonkurencinis. Pastaruoju atveju mažėja didžiausias galimas katalizės greitis.
Pagrindinis konkurencinio ir nekonkurencinio slopinimo skirtumas yra reguliuojančios medžiagos prisijungimo prie fermento vietoje. Pirmuoju atveju inhibitorius jungiasi tiesiogiai su aktyvia vieta, o antruoju atveju prie kitos fermento vietos arba prie fermento ir substrato komplekso.
Taip pat yra mišraus tipo slopinimo, kai prisijungimas prie inhibitoriaus neapsaugo nuo ES susidarymo, bet sulėtina katalizę. Šiuo atveju reguliatoriaus medžiaga yra dvigubų arba trigubų kompleksų (EI ir EIS) sudėtyje. Nekonkurencingo tipo atveju fermentas jungiasi tik su ES.
Grįžtamo konkurencinio fermentų slopinimo ypatybės
Konkurencinis slopinimo mechanizmas pagrįstas reguliuojančios medžiagos struktūriniu panašumu į substratą. Dėl to susidaro aktyvaus centro kompleksas su inhibitoriumi, paprastai vadinamas EI.
Atšaukiamas konkurencinis slopinimas turi šias savybes:
- prisirišimas prie inhibitoriaus vyksta aktyvioje vietoje;
- fermento molekulės inaktyvacija yra grįžtama;
- stabdomąjį poveikį galima sumažinti padidinus substrato koncentraciją;
- inhibitorius neturi įtakos maksimaliam fermentinės katalizės greičiui;
- EI kompleksas gali suskaidyti, kuriam būdinga atitinkama disociacijos konstanta.
Taikant tokio tipo reguliavimą, inhibitorius ir substratas konkuruoja (konkuruoja) tarpusavyje dėl vietos aktyviajame centre, taigi ir proceso pavadinimas.
Todėl konkurencinis slopinimas gali būti apibrėžtas kaip grįžtamasis fermentinės katalizės slopinimo procesas, pagrįstas specifiniu aktyviosios vietos afinitetu inhibitoriai.
Veikimo mechanizmas
Pririšimasinhibitorius su aktyvia vieta neleidžia susidaryti katalizei reikalingam fermento ir substrato kompleksui. Dėl to fermento molekulė tampa neaktyvi. Nepaisant to, katalizinis centras gali jungtis ne tik su inhibitoriumi, bet ir su substratu. Vieno ar kito komplekso susidarymo tikimybė priklauso nuo koncentracijų santykio. Jei substrato molekulių yra žymiai daugiau, fermentas su jomis reaguos dažniau nei su inhibitoriumi.
Įtaka cheminės reakcijos greičiui
Katalizės slopinimo laipsnis konkurencinio slopinimo metu nustatomas pagal tai, kiek fermento sudarys EI kompleksus. Tokiu atveju galima padidinti substrato koncentraciją tiek, kad pasikeistų inhibitoriaus vaidmuo, o katalizės greitis pasieks maksimalią įmanomą reikšmę, atitinkančią reikšmę Vmaxpagal Michaelis-Menten lygtį.
Šis reiškinys atsiranda dėl stipraus inhibitoriaus praskiedimo. Dėl to tikimybė, kad fermentų molekulės prie jo prisijungs, sumažėja iki nulio, o aktyvieji centrai reaguoja tik su substratu.
Fermentinės reakcijos, kurioje dalyvauja konkurencinis inhibitorius, kinetinės priklausomybės
Konkurencinis slopinimas padidina Michaelio konstantą (Km), kuri yra lygi substrato koncentracijai, reikalingai pasiekti ½ didžiausio katalizės greičio reakcijos pradžioje. Fermento, hipotetiškai galinčio prisijungti prie substrato, kiekis išlieka pastovus, o ES-kompleksai priklauso tik nuo pastarųjų koncentracijos (EI kompleksai nėra pastovūs ir gali būti išstumti substrato).
Konkurencinį fermentų slopinimą lengva nustatyti pagal kinetinės priklausomybės grafikus, sudarytus skirtingoms substrato koncentracijoms. Tokiu atveju Km reikšmė pasikeis, o Vmax išliks pastovi.
Esant nekonkurenciniam slopinimui, yra atvirkščiai: inhibitorius jungiasi už aktyvaus centro ribų, o substrato buvimas jokiu būdu negali to paveikti. Dėl to kai kurios fermentų molekulės „išjungiamos“iš katalizės ir sumažėja didžiausias galimas greitis. Nepaisant to, aktyvios fermentų molekulės gali lengvai prisijungti prie substrato tiek esant mažoms, tiek didelėms pastarojo koncentracijoms. Todėl Michaelio konstanta išlieka pastovi.
Konkurencinio slopinimo grafikai dvigubų atvirkštinių koordinačių sistemoje yra kelios tiesės, kertančios y ašį taške 1/Vmax. Kiekviena tiesi linija atitinka tam tikrą substrato koncentraciją. Skirtingi susikirtimo su abscisių ašimi taškai (1/[S]) rodo Michaelio konstantos pasikeitimą.
Konkurencinio inhibitoriaus veikimas malonato pavyzdžiu
Tipiškas konkurencinio slopinimo pavyzdys yra sukcinato dehidrogenazės, fermento, katalizuojančio gintaro rūgšties (sukcinato) oksidaciją į fumaro rūgštį, aktyvumo mažinimo procesas. Čia kaip inhibitoriusmalonatas veikia, struktūriškai panašus į sukcinatą.
Pridėjus inhibitorių į terpę susidaro malonato ir sukcinato dehidrogenazės kompleksai. Toks ryšys nepažeidžia aktyviosios vietos, bet blokuoja jos prieigą prie gintaro rūgšties. Padidinus sukcinato koncentraciją, slopinamasis poveikis sumažėja.
Medicinos reikmėms
Daugelio vaistų, kurie yra struktūriniai kai kurių medžiagų apykaitos takų substratų analogai, kurių slopinimas yra būtina ligų gydymo dalis, veikimas pagrįstas konkurencinio slopinimo mechanizmu.
Pavyzdžiui, norint pagerinti nervinių impulsų laidumą esant raumenų distrofijai, reikia padidinti acetilcholino kiekį. Tai pasiekiama slopinant jį hidrolizuojančios acetilcholinesterazės aktyvumą. Inhibitoriai yra ketvirtinės amonio bazės, kurios yra vaistų dalis (prorezinas, endrofonis ir kt.).
Antimetabolitai yra išskiriami į specialią grupę, kuri, be slopinamojo poveikio, pasižymi pseudosubstrato savybėmis. Šiuo atveju, susidarant EI kompleksui, susidaro biologiškai inertiškas anomalinis produktas. Antimetabolitai apima sulfonamidus (naudojamus bakterinėms infekcijoms gydyti), nukleotidų analogus (naudojamus vėžinio naviko ląstelių augimui sustabdyti) ir kt.
