Alle biochemische reacties die in het lichaam plaatsvinden, zijn onderworpen aan specifieke controle, die wordt uitgevoerd door een activerend of remmend effect op regulerende enzymen. Deze laatste bevinden zich meestal aan het begin van ketens van metabolische transformaties en starten een meertrapsproces of vertragen het. Sommige enkelvoudige reacties zijn ook onderworpen aan regelgeving. Competitieve remming is een van de belangrijkste mechanismen voor het beheersen van de katalytische activiteit van enzymen.
Wat is inhibitie?
Het mechanisme van enzymatische katalyse is gebaseerd op de binding van de actieve plaats van het enzym aan het substraatmolecuul (ES-complex), wat resulteert in een chemische reactie met de vorming en afgifte van het product (E+S=ES=EP=E+P).
Remming van een enzym is een verlaging van de snelheid of een volledige stopzetting van het katalyseproces. in een smallerezin, deze term betekent een afname van de affiniteit van het actieve centrum voor het substraat, die wordt bereikt door enzymmoleculen te binden aan remmende stoffen. Deze laatste kunnen op verschillende manieren werken, op basis waarvan ze zijn onderverdeeld in verschillende typen, die overeenkomen met de remmingsmechanismen met dezelfde naam.
Belangrijkste soorten remming
Door de aard van het proces kan remming van twee soorten zijn:
- Onomkeerbaar - veroorzaakt aanhoudende veranderingen in het enzymmolecuul, waardoor het zijn functionele activiteit berooft (de laatste kan niet worden hersteld). Het kan zowel specifiek als niet-specifiek zijn. De remmer bindt sterk aan het enzym door covalente interactie.
- Omkeerbaar - het belangrijkste type negatieve regulatie van enzymen. Het wordt uitgevoerd vanwege de omkeerbare specifieke hechting van de remmer aan het enzymeiwit door zwakke niet-covalente bindingen, vatbaar voor kinetische beschrijving volgens de Michaelis-Menten-vergelijking (met uitzondering van allosterische regulatie).
Er zijn twee hoofdtypen van reversibele enzymremming: competitief (kan worden verzwakt door toenemende substraatconcentratie) en niet-competitieve. In het laatste geval neemt de maximaal mogelijke katalysesnelheid af.
Het belangrijkste verschil tussen competitieve en niet-competitieve remming ligt in de plaats van aanhechting van de regulerende stof aan het enzym. In het eerste geval bindt de remmer direct aan de actieve plaats en in het tweede geval aan een andere plaats van het enzym of aan het enzym-substraatcomplex.
Er is ook een gemengd type remming, waarbij binding aan een remmer de vorming van ES niet verhindert, maar de katalyse vertraagt. In dit geval bevindt de regulerende stof zich in de samenstelling van dubbele of driedubbele complexen (EI en EIS). In het niet-competitieve type bindt het enzym alleen aan ES.
Kenmerken van omkeerbare competitieve remming van enzymen
Het competitieve remmingsmechanisme is gebaseerd op de structurele gelijkenis van de regulerende stof met het substraat. Als resultaat wordt een complex van het actieve centrum met de remmer gevormd, gewoonlijk aangeduid als EI.
Reversibele competitieve remming heeft de volgende kenmerken:
- binding aan de remmer vindt plaats op de actieve plaats;
- inactivering van het enzymmolecuul is omkeerbaar;
- het remmende effect kan worden verminderd door de concentratie van het substraat te verhogen;
- remmer heeft geen invloed op de maximale snelheid van enzymatische katalyse;
- het EI-complex kan ontleden, wat wordt gekenmerkt door de bijbehorende dissociatieconstante.
Bij dit type regulatie lijken de remmer en het substraat met elkaar te wedijveren (concurreren) om een plaats in het actieve centrum, vandaar de naam van het proces.
Als resultaat kan competitieve remming worden gedefinieerd als een omkeerbaar proces van remming van enzymatische katalyse, gebaseerd op de specifieke affiniteit van de actieve plaats voor de remmende stof.
Werkingsmechanisme
Tetheringeen remmer met een actieve plaats voorkomt de vorming van een enzym-substraatcomplex dat nodig is voor katalyse. Als gevolg hiervan wordt het enzymmolecuul inactief. Niettemin kan het katalytische centrum niet alleen aan de remmer binden, maar ook aan het substraat. De kans op vorming van een of ander complex hangt af van de verhouding van concentraties. Als er significant meer substraatmoleculen zijn, zal het enzym daar vaker mee reageren dan met de remmer.
Invloed op de snelheid van een chemische reactie
De mate van remming van katalyse tijdens competitieve remming wordt bepaald door hoeveel van het enzym EI-complexen zal vormen. In dit geval is het mogelijk om de concentratie van het substraat zodanig te verhogen dat de rol van de remmer wordt vervangen en de katalysesnelheid de maximaal mogelijke waarde bereikt die overeenkomt met de waarde Vmaxvolgens de Michaelis-Menten-vergelijking.
Dit fenomeen is te wijten aan de sterke verdunning van de remmer. Als resultaat wordt de kans dat enzymmoleculen eraan binden tot nul gereduceerd en reageren actieve centra alleen met het substraat.
Kinetische afhankelijkheid van een enzymatische reactie waarbij een competitieve remmer betrokken is
Concurrentieremming verhoogt de Michaelis-constante (Km), die gelijk is aan de substraatconcentratie die nodig is om ½ de maximale katalysesnelheid aan het begin van de reactie te bereiken. De hoeveelheid van het enzym dat hypothetisch in staat is om aan het substraat te binden, blijft constant, terwijl het aantal ES-complexen hangt alleen af van de concentratie van de laatste (EI-complexen zijn niet constant en kunnen door het substraat worden verdrongen).
Concurrerende remming van enzymen is eenvoudig te bepalen uit de grafieken van de kinetische afhankelijkheid die is opgebouwd voor verschillende concentraties van het substraat. In dit geval zal de waarde van Km veranderen, terwijl Vmax constant blijft.
Bij niet-competitieve inhibitie is het tegenovergestelde waar: de inhibitor bindt buiten het actieve centrum en de aanwezigheid van het substraat kan dit op geen enkele manier beïnvloeden. Als gevolg hiervan worden sommige van de enzymmoleculen "uitgeschakeld" voor katalyse en neemt de maximaal mogelijke snelheid af. Niettemin kunnen actieve enzymmoleculen gemakkelijk aan het substraat binden, zowel bij lage als bij hoge concentraties van het laatste. Daarom blijft de Michaelis-constante constant.
Grafieken van competitieve remming in het systeem van dubbele inverse coördinaten zijn verschillende rechte lijnen die de y-as snijden in het punt 1/Vmax. Elke rechte lijn komt overeen met een bepaalde concentratie van het substraat. Verschillende snijpunten met de abscis-as (1/[S]) duiden op een verandering in de Michaelis-constante.
De werking van een competitieve remmer op het voorbeeld van malonaat
Een typisch voorbeeld van competitieve remming is het proces waarbij de activiteit van succinaatdehydrogenase wordt verminderd, een enzym dat de oxidatie van barnsteenzuur (succinaat) tot fumaarzuur katalyseert. Hier als een remmermalonaat werkt, met een structurele gelijkenis met succinaat.
Toevoeging van een remmer aan het medium veroorzaakt de vorming van complexen van malonaat met succinaatdehydrogenase. Een dergelijke binding veroorzaakt geen schade aan de actieve plaats, maar blokkeert de toegankelijkheid ervan voor barnsteenzuur. Het verhogen van de succinaatconcentratie vermindert het remmende effect.
Medisch gebruik
De werking van veel geneesmiddelen, die structurele analogen zijn van de substraten van sommige metabole routes, waarvan de remming een noodzakelijk onderdeel is van de behandeling van ziekten, is gebaseerd op het mechanisme van competitieve remming.
Om bijvoorbeeld de geleiding van zenuwimpulsen bij spierdystrofieën te verbeteren, is het nodig om het acetylcholinegeh alte te verhogen. Dit wordt bereikt door de activiteit van zijn hydrolyserende acetylcholinesterase te remmen. De remmers zijn quaternaire ammoniumbasen die deel uitmaken van geneesmiddelen (prohars, endrofonium, enz.).
Antimetabolieten worden onderscheiden in een speciale groep, die naast het remmende effect de eigenschappen van een pseudosubstraat vertonen. In dit geval leidt de vorming van het EI-complex tot de vorming van een biologisch inert abnormaal product. Antimetabolieten omvatten sulfonamiden (gebruikt bij de behandeling van bacteriële infecties), nucleotide-analogen (gebruikt om de celgroei van een kankergezwel te stoppen), enz.
