Inhibicja
Inhibicja jest procesem zmniejszenia szybkości bądź całkowitego zatrzymania reakcji chemicznej wskutek zahamowania aktywności enzymu przez substancję zwaną inhibitorem.W zależności od sposobu wiązania się inhibitora z enzymem wyróżnia się:
- inhibicję odwracalną – inhibitory wiążą się odwracalnie z enzymem za pomocą słabych wiązań chemicznych w centrum aktywnym (inhibicja kompetycyjna) lub poza nim (inhibicja niekompetycyjna, inhibicja typu mieszanego), bądź z kompleksem enzym-substrat (inhibicja akompetycyjna), co skutkuje modyfikacją oraz inaktywacją enzymu lub powstaniem nieaktywnego kompleksu enzym-substrat-inhibitor;
- inhibicję nieodwracalną – inhibitor wiąże się trwale z enzymem za pomocą wiązań kowalencyjnych, co prowadzi do unieczynnienia enzymu.
Kompleks inhibitora (penicyliny G, benzylopenicyliny) z enzymem biorącym udział w syntezie ściany komórkowej u bakterii (transpeptydazą). Inaktywacja enzymu przez antybiotyki β-laktamowe, do których zalicza się penicylina, prowadzi do śmierci komórki bakteryjnej. Wikimedia.org
Inhibitory odwracalne
Inhibitory odwracalne wiążą się z enzymem lub kompleksem enzym-substrat za pomocą słabych wiązań niekowalencyjnych – wiązań wodorowych, oddziaływań hydrofobowych bądź wiązań jonowych. Inhibitory odwracalne można łatwo oddzielić od enzymu (np. w wyniku rozcieńczenia lub dializy), uzyskując z powrotem aktywny enzym.W zależności od mechanizmu działania inhibitora i jego sposobu wiązania się z enzymem wyróżnia się następujące rodzaje inhibitorów odwracalnych:
- inhibitory kompetycyjne – inhibitory wiążące się z enzymem w centrum aktywnym, konkurujące o miejsce wiązania z substratem; cechują się strukturą zbliżoną do substratu i są zależne od stężenia substratu (zwiększenie stężenia substratu wpływa na bardziej wydajne wiązanie substratu w centrum aktywnym enzymu oraz skutkuje zmniejszeniem inhibicji); inhibitory kompetycyjne zwiększają wartość stałej Michaelisa (Km) wskutek zmniejszenia powinowactwa enzymu do substratu; inhibitorami kompetycyjnymi są np. szczawian, malonian i szczawiooctan konkurujące z bursztynianem o miejsce wiązania w centrum aktywnym dehydrogenazy bursztynianowej;
- inhibitory niekompetycyjne – inhibitory wiążące się z enzymem poza centrum aktywnym; nie wykazują strukturalnego podobieństwa do substratu; są niezależne od stężenia substratu oraz wpływają na zmniejszenie się szybkości maksymalnej reakcji enzymatycznej (Vmax) – cząsteczki enzymu związane z inhibitorami nie uczestniczą w reakcji enzymatycznej nawet w przypadku nadmiarowego stężenia substratu; nie wpływają na wartość stałej Michaelisa (Km); inhibitorami niekompetycyjnymi są np. cyjanki wiążące kationy żelaza (Fe²⁺i Fe) oraz kwas etylenodiaminoczterooctowy (EDTA) wiążący metale dwuwartościowe;
- inhibitory akompetycyjne – inhibitory wiążące się z kompleksem enzym-substrat, co skutkuje powstaniem nieaktywnego kompleksu enzym-substrat-inhibitor; wpływają na zmniejszenie szybkości maksymalnej reakcji enzymatycznej (Vmax) i zmniejszenie wartości stałej Michaelisa (Km) wskutek zwiększenia powinowactwa enzymu do substratu; inhibitorem akompetycyjnym jest np. lit hamujący monofosfatazę inozytolową katalizującą hydrolizę fosforanu inozytolu;
- inhibitory typu mieszanego – inhibitory wiążące się z enzymem poza centrum aktywnym, co prowadzi do zmiany konformacji enzymu i utrudnia związanie substratu; wpływają na zmniejszenie szybkości maksymalnej reakcji enzymatycznej (Vmax) oraz wzrost wartości stałej Michaelisa (Km) wskutek zmniejszonego powinowactwa enzymu do substratu); inhibitorami typu mieszanego są np. inhibitory allosteryczne hamujące aktywność enzymów allosterycznych.
Schemat reakcji inhibitora nieodwracalnego DFP (diizipropylofluorofosforanu) z enzymem – proteazą serynową. Wikimedia.org
Inhibitory nieodwracalne
Inhibitory nieodwracalne wiążą się z enzymem za pomocą silnych wiązań kowalencyjnych bądź modyfikują grupy funkcyjne enzymu, co prowadzi do nieodwracalnego unieczynnienia enzymu. Inhibitory nieodwracalne tworzą trwałe kompleksy z enzymami i nie można ich oddzielić bez uszkodzenia struktury enzymów. Inhibitory te, podobnie jak inhibitory niekompetycyjne, wpływają na zmniejszenie szybkości maksymalnej reakcji enzymatycznej (Vmax) i nie powodują zmiany wartości stałej Michaelisa (Km).Inhibitory nieodwracalne na ogół wykazują specyficzność dla określonej klasy enzymów. Utworzenie kompleksu enzymu z inhibitorem nieodwracalnym nie skutkuje zniszczeniem struktury białkowej enzymu lecz prowadzi do zmiany konformacji jego centrum aktywnego, co uniemożliwia związanie specyficznego dla enzymu substratu.
Do inhibitorów nieodwracalnych zalicza się m.in. jodooctan etylu – inhibitor oksydoreduktaz zawierających grupy tiolowe (dehydrogenazy bursztynianowej i oksydazy pirogronianowej); DFP (diizipropylofluorofosforan) – inhibitor esteraz cholinowych; eflornityna – inhibitor dekarboksylazy ornityny oraz cyjanek, siarkowodór, azydek i tlenek węgla – inhibitory oksydazy cytochromowej.
Dehydrogenaza
tetrahydrofolianowa ze związanym inhibitorem kompetycyjnym –
metotreksatem, lekiem cytostatycznym stosowanym w chemioterapii
nowotworów. Miejsce wiązania zaznaczone jest kolorem niebieskim;
cząsteczka inhibitora zaznaczona jest kolorem zielonym; cząsteczka
swoistego dla enzymu substratu (kwasu foliowego) zaznaczona jest kolorem
czarnym. Wikimedia.org
Znaczenie inhibitorów
Inhibitory pełnią ważną rolę w regulacji aktywności wielu szklaków metabolicznych w komórce i dzięki temu umożliwiają utrzymanie równowagi wewnętrznej (homeostazy) organizmu (np. allosteryczna regulacja glikolizy). Produkt końcowy jednego szlaku metabolicznego jest przeważnie, na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, inhibitorem enzymu katalizującego pierwszą reakcję tego szlaku (inhibicja przez produkt końcowy).Inhibitory enzymów często wchodzą w skład wielu leków (np. antybiotyków, cytostatyków stosowanych w chemioterapii nowotworów, np. metotreksatu), pestycydów (np. malationu, parationu), herbicydów (np. glifosatu) oraz środków dezynfekujących (np. triklosanu).
Bibliografia
- Daryl K. Granner, Robert K. Murray, Victor W. Rodwell,; “Biochemia Harpera”; PZWL, Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2018.;
- Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko; “Biochemia”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.;
- Urszula Guzik, Danuta Wojcieszyńska ; “Elementy enzymologii i biochemii białek. Skrypt dla studentów biologii i biotechnologii”; Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2015.;
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. IV”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998.;
- Alan D. McNaught, Andrew Wilkinson; “IUPAC, Compendium of Chemical Terminology (Gold Book) ”; Blackwell Scientific Publications, Oxford 1997.;
- promil
