Todas as reações bioquímicas que ocorrem no organismo estão sujeitas a um controle específico, que é realizado através de um efeito ativador ou inibitório sobre as enzimas reguladoras. Estes últimos geralmente estão localizados no início das cadeias de transformações metabólicas e iniciam um processo de vários estágios ou o retardam. Algumas reações individuais também estão sujeitas a regulação. A inibição competitiva é um dos principais mecanismos de controle da atividade catalítica das enzimas.
O que é inibição?
O mecanismo de catálise enzimática é baseado na ligação do sítio ativo da enzima à molécula substrato (complexo ES), resultando em uma reação química com a formação e liberação do produto (E+S=ES=EP=E+P).
A inibição de uma enzima é uma redução na velocidade ou uma parada completa do processo de catálise. Em um estreitosentido, este termo significa uma diminuição na afinidade do centro ativo para o substrato, que é alcançada pela ligação de moléculas de enzimas a substâncias inibidoras. Estes últimos podem atuar de várias maneiras, com base nos quais são divididos em vários tipos, que correspondem aos mecanismos de inibição de mesmo nome.
Principais tipos de inibição
Pela natureza do processo, a inibição pode ser de dois tipos:
- Irreversível - provoca alterações persistentes na molécula da enzima, privando-a de atividade funcional (esta última não pode ser restaurada). Pode ser específico ou não específico. O inibidor liga-se fortemente à enzima por meio de interação covalente.
- Reversível - o principal tipo de regulação negativa das enzimas. É realizado devido à ligação específica reversível do inibidor à proteína enzimática por ligações não covalentes fracas, passíveis de descrição cinética de acordo com a equação de Michaelis-Menten (com exceção da regulação alostérica).
Existem dois tipos principais de inibição enzimática reversível: competitiva (pode ser atenuada pelo aumento da concentração de substrato) e não competitiva. Neste último caso, a taxa máxima possível de catálise diminui.
A principal diferença entre inibição competitiva e não competitiva está no local de fixação da substância reguladora à enzima. No primeiro caso, o inibidor liga-se diretamente ao sítio ativo e, no segundo caso, a outro sítio da enzima, ou ao complexo enzima-substrato.
Há também um tipo misto de inibição, em que a ligação a um inibidor não impede a formação de ES, mas retarda a catálise. Neste caso, a substância reguladora está na composição de complexos duplos ou triplos (EI e EIS). No tipo não competitivo, a enzima só se liga ao ES.
Características de inibição competitiva reversível de enzimas
O mecanismo competitivo de inibição é baseado na similaridade estrutural da substância reguladora com o substrato. Como resultado, forma-se um complexo do centro ativo com o inibidor, convencionalmente designado como EI.
A inibição competitiva reversível possui as seguintes características:
- a ligação ao inibidor ocorre no sítio ativo;
- inativação da molécula da enzima é reversível;
- o efeito inibitório pode ser reduzido aumentando a concentração do substrato;
- inibidor não afeta a taxa máxima de catálise enzimática;
- o complexo EI pode se decompor, o que é caracterizado pela constante de dissociação correspondente.
Com este tipo de regulação, o inibidor e o substrato parecem competir (competir) entre si por um lugar no centro ativo, daí o nome do processo.
Como resultado, a inibição competitiva pode ser definida como um processo reversível de inibição da catálise enzimática, com base na afinidade específica do sítio ativo pela substância inibidora.
Mecanismo de ação
Tetheringum inibidor com um sítio ativo previne a formação de um complexo enzima-substrato necessário para a catálise. Como resultado, a molécula da enzima torna-se inativa. No entanto, o centro catalítico pode se ligar não apenas ao inibidor, mas também ao substrato. A probabilidade de formação de um ou outro complexo depende da razão das concentrações. Se houver significativamente mais moléculas de substrato, a enzima reagirá com elas com mais frequência do que com o inibidor.
Influência na velocidade de uma reação química
O grau de inibição da catálise durante a inibição competitiva é determinado por quanto da enzima formará complexos EI. Neste caso, é possível aumentar a concentração do substrato de tal forma que o papel do inibidor será substituído, e a taxa de catálise atingirá o valor máximo possível correspondente ao valor Vmaxde acordo com a equação de Michaelis-Menten.
Este fenômeno é devido à forte diluição do inibidor. Como resultado, a probabilidade das moléculas de enzima se ligarem a ela é reduzida a zero, e os centros ativos reagem apenas com o substrato.
Dependências cinéticas de uma reação enzimática envolvendo um inibidor competitivo
A inibição competitiva aumenta a constante de Michaelis (Km), que é igual à concentração de substrato necessária para atingir ½ da taxa máxima de catálise no início da reação. A quantidade da enzima hipoteticamente capaz de se ligar ao substrato permanece constante, enquanto o número de ES-complexos depende apenas da concentração deste último (os complexos EI não são constantes e podem ser deslocados pelo substrato).
A inibição competitiva de enzimas é fácil de determinar a partir dos gráficos da dependência cinética construída para diferentes concentrações do substrato. Neste caso, o valor de Km mudará, enquanto Vmax permanecerá constante.
Com a inibição não competitiva, o oposto é verdadeiro: o inibidor se liga fora do centro ativo e a presença do substrato não pode afetar isso de forma alguma. Como resultado, algumas das moléculas da enzima são “desligadas” da catálise e a taxa máxima possível diminui. No entanto, moléculas de enzimas ativas podem se ligar facilmente ao substrato tanto em baixas quanto em altas concentrações deste último. Portanto, a constante de Michaelis permanece constante.
Os gráficos de inibição competitiva no sistema de coordenadas inversas duplas são várias linhas retas que cruzam o eixo y no ponto 1/Vmax. Cada linha reta corresponde a uma certa concentração do substrato. Diferentes pontos de intersecção com o eixo de abcissas (1/[S]) indicam uma mudança na constante de Michaelis.
A ação de um inibidor competitivo no exemplo do malonato
Um exemplo típico de inibição competitiva é o processo de redução da atividade da succinato desidrogenase, uma enzima que catalisa a oxidação do ácido succínico (succinato) em ácido fumárico. Aqui como um inibidoratua malonato, tendo uma semelhança estrutural com succinato.
A adição de um inibidor ao meio causa a formação de complexos de malonato com succinato desidrogenase. Tal ligação não causa danos ao sítio ativo, mas bloqueia sua acessibilidade ao ácido succínico. Aumentar a concentração de succinato reduz o efeito inibitório.
Uso médico
A ação de muitos fármacos, que são análogos estruturais dos substratos de algumas vias metabólicas, cuja inibição é parte necessária do tratamento de doenças, baseia-se no mecanismo de inibição competitiva.
Por exemplo, para melhorar a condução dos impulsos nervosos nas distrofias musculares, é necessário aumentar o nível de acetilcolina. Isto é conseguido inibindo a atividade de sua acetilcolinesterase hidrolisante. Os inibidores são bases quaternárias de amônio que fazem parte dos fármacos (proresina, endofônio, etc.).
Antimetabólitos são distinguidos em um grupo especial, que, além do efeito inibitório, exibe as propriedades de um pseudosubstrato. Neste caso, a formação do complexo EI leva à formação de um produto anômalo biologicamente inerte. Os antimetabólitos incluem sulfonamidas (usadas no tratamento de infecções bacterianas), análogos de nucleotídeos (usados para interromper o crescimento celular de um tumor canceroso), etc.
