Inhibición competitiva - Competitive inhibition

Etanol ( C
2
H
5
OH ) sirve como inhibidor competitivo del metanol y el etilenglicol para la enzima alcohol deshidrogenasa en el hígado cuando está presente en grandes cantidades. Por esta razón, el etanol a veces se usa como un medio para tratar o prevenir la toxicidad luego de la ingestión accidental de estos químicos.

La inhibición competitiva es la interrupción de una vía química debido a que una sustancia química inhibe el efecto de otra compitiendo con ella por la unión o la unión . Cualquier sistema metabólico o mensajero químico puede verse potencialmente afectado por este principio, pero varias clases de inhibición competitiva son especialmente importantes en bioquímica y medicina , incluida la forma competitiva de inhibición enzimática , la forma competitiva de antagonismo del receptor , la forma competitiva de actividad antimetabolito , y la forma competitiva de envenenamiento (que puede incluir cualquiera de los tipos antes mencionados).

Tipo de inhibición enzimática

En la inhibición competitiva de la catálisis enzimática , la unión de un inhibidor evita la unión de la molécula diana de la enzima, también conocida como sustrato. Esto se logra bloqueando el sitio de unión del sustrato, el sitio activo, de alguna manera. La V max indica la velocidad máxima de la reacción, mientras que la K m es la cantidad de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la V max . K m también juega un papel en la indicación de la tendencia del sustrato a unirse a la enzima. La inhibición competitiva se puede superar agregando más sustrato a la reacción, lo que aumenta las posibilidades de que la enzima y el sustrato se unan. Como resultado, la inhibición competitiva altera solo la K m , dejando la V max igual. Esto se puede demostrar utilizando gráficos de cinética de enzimas como el gráfico de Michaelis-Menten o Lineweaver-Burk . Una vez que el inhibidor se une a la enzima, la pendiente se verá afectada, ya que la K m aumenta o disminuye con respecto a la K m original de la reacción.

La mayoría de los inhibidores competitivos funcionan uniéndose de forma reversible al sitio activo de la enzima. Como resultado, muchas fuentes afirman que esta es la característica definitoria de los inhibidores competitivos. Sin embargo, esto es una simplificación excesiva engañosa , ya que existen muchos mecanismos posibles por los cuales una enzima puede unirse al inhibidor o al sustrato, pero nunca ambos al mismo tiempo. Por ejemplo, los inhibidores alostéricos pueden mostrar inhibición competitiva, no competitiva o no competitiva .

Mecanismo

Diagrama que muestra la inhibición competitiva

En la inhibición competitiva, un inhibidor que se parece al sustrato normal se une a la enzima, generalmente en el sitio activo , y evita que el sustrato se una. En cualquier momento dado, la enzima puede unirse al inhibidor, al sustrato o ninguno, pero no puede unirse a ambos al mismo tiempo. Durante la inhibición competitiva, el inhibidor y el sustrato compiten por el sitio activo. El sitio activo es una región de una enzima a la que se puede unir una proteína o sustrato particular. Por tanto, el sitio activo sólo permitirá que uno de los dos complejos se una al sitio, ya sea permitiendo que se produzca una reacción o produciéndola. En la inhibición competitiva, el inhibidor se asemeja al sustrato, ocupa su lugar y se une al sitio activo de una enzima. El aumento de la concentración de sustrato disminuiría la "competencia" para que el sustrato se una adecuadamente al sitio activo y permita que se produzca una reacción. Cuando el sustrato tiene una concentración más alta que la concentración del inhibidor competitivo, es más probable que el sustrato entre en contacto con el sitio activo de la enzima que con el del inhibidor.

Los inhibidores competitivos se utilizan comúnmente para fabricar productos farmacéuticos. Por ejemplo, el metotrexato es un fármaco de quimioterapia que actúa como inhibidor competitivo. Es estructuralmente similar a la coenzima , folato , que se une a la enzima dihidrofolato reductasa . Esta enzima es parte de la síntesis de ADN y ARN, y cuando el metotrexato se une a la enzima, la vuelve inactiva, por lo que no puede sintetizar ADN y ARN. Por tanto, las células cancerosas no pueden crecer ni dividirse. Otro ejemplo: las prostaglandinas se producen en grandes cantidades como respuesta al dolor y pueden causar inflamación. Los ácidos grasos esenciales forman las prostaglandinas; cuando se descubrió esto, resultó que en realidad eran muy buenos inhibidores de las prostaglandinas. Estos inhibidores de ácidos grasos se han utilizado como fármacos para aliviar el dolor porque pueden actuar como sustrato, unirse a la enzima y bloquear las prostaglandinas.

Un ejemplo de inhibición competitiva no relacionada con las drogas es la prevención del pardeamiento de frutas y verduras. Por ejemplo, la tirosinasa , una enzima dentro de los hongos, normalmente se une al sustrato, los monofenoles , y forma o-quinonas marrones. Los sustratos competitivos, como los benzaldehídos 4-sustituidos para los hongos, compiten con el sustrato reduciendo la cantidad de monofenoles que se unen. Estos compuestos inhibidores agregados al producto lo mantienen fresco durante períodos de tiempo más prolongados al disminuir la unión de los monofenoles que causan el pardeamiento. Esto permite un aumento en la calidad del producto y en la vida útil.

La inhibición competitiva puede ser reversible o irreversible. Si es una inhibición reversible , los efectos del inhibidor pueden superarse aumentando la concentración de sustrato. Si es irreversible, la única forma de superarlo es producir más del objetivo (y típicamente degradar y / o excretar el objetivo inhibido irreversiblemente).

En prácticamente todos los casos, los inhibidores competitivos se unen en el mismo sitio de unión ( sitio activo) que el sustrato, pero la unión en el mismo sitio no es un requisito. Un inhibidor competitivo podría unirse a un sitio alostérico de la enzima libre y prevenir la unión del sustrato, siempre que no se una al sitio alostérico cuando el sustrato está unido. Por ejemplo, la estricnina actúa como un inhibidor alostérico del receptor de glicina en la médula espinal y el tronco encefálico de los mamíferos. La glicina es un importante neurotransmisor inhibidor postsináptico con un sitio receptor específico. La estricnina se une a un sitio alternativo que reduce la afinidad del receptor de glicina por la glicina, lo que provoca convulsiones debido a la inhibición disminuida por la glicina.

En la inhibición competitiva, la velocidad máxima ( ) de la reacción no cambia, mientras que la afinidad aparente del sustrato al sitio de unión disminuye (la constante de disociación aparentemente aumenta). El cambio en ( constante de Michaelis-Menten ) es paralelo a la alteración en , a medida que uno aumenta, el otro debe disminuir. Cuando un inhibidor competitivo se une a una enzima, aumenta. Esto significa que la afinidad de unión por la enzima disminuye, pero puede superarse aumentando la concentración del sustrato. Cualquier concentración de inhibidor competitivo dada puede superarse aumentando la concentración de sustrato. En ese caso, el sustrato reducirá la disponibilidad de un inhibidor para unirse y, por tanto, superará al inhibidor en la unión a la enzima.

La inhibición competitiva también puede ser alostérica, siempre que el inhibidor y el sustrato no puedan unirse a la enzima al mismo tiempo.

Ejemplos biológicos

Después de una ingestión accidental de un fármaco opioide contaminado desmetilprodina , se descubrió el efecto neurotóxico de la 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina ( MPTP ). MPTP es capaz de cruzar la barrera hematoencefálica y entrar en lisosomas ácidos . El MPTP es activado biológicamente por MAO-B, una isoenzima de la monoamino oxidasa (MAO) que se concentra principalmente en trastornos y enfermedades neurológicas. Más tarde, se descubrió que el MPTP causa síntomas similares a los de la enfermedad de Parkinson . Las células del sistema nervioso central (astrocitos) incluyen MAO-B que oxida MPTP a 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP +), que es tóxico. MPP + finalmente viaja al líquido extracelular por medio de un transportador de dopamina , que finalmente causa los síntomas del Parkinson. Sin embargo, la inhibición competitiva de la enzima MAO-B o del transportador de dopamina protege contra la oxidación de MPTP a MPP +. Se ha probado la capacidad de algunos compuestos para inhibir la oxidación de MPTP a MPP +, incluido el azul de metileno , 5-nitroindazol , norharman , 9-metilnorharman y menadiona . Estos demostraron una reducción de la neurotoxicidad producida por MPTP.

Gráfico de Michaelis-Menten de la velocidad de reacción (v) frente a la concentración de sustrato [S] de la actividad enzimática normal (1) en comparación con la actividad enzimática con un inhibidor competitivo (2). La adición de un inhibidor competitivo a una reacción enzimática aumenta la K m de la reacción, pero la V max permanece igual.
Gráfico de Lineweaver-Burk, el recíproco del gráfico de Michaelis-Menten, del recíproco de la velocidad (1 / V) frente al recíproco de la concentración de sustrato (1 / [S]) de la actividad enzimática normal (azul) en comparación con la actividad enzimática con un inhibidor competitivo (rojo). Agregar un inhibidor competitivo a una reacción enzimática aumenta la K m de la reacción, pero la V max permanece igual.

Las sulfas también actúan como inhibidores competitivos. Por ejemplo, la sulfanilamida se une competitivamente a la enzima en el sitio activo de la dihidropteroato sintasa (DHPS) imitando el sustrato ácido para-aminobenzoico (PABA). Esto evita que el sustrato se adhiera, lo que detiene la producción de ácido fólico, un nutriente esencial. Las bacterias deben sintetizar el ácido fólico porque no tienen un transportador para ello. Sin ácido fólico, las bacterias no pueden crecer ni dividirse. Por lo tanto, debido a la inhibición competitiva de las sulfamidas, son excelentes agentes antibacterianos. Un ejemplo de inhibición competitiva se demostró experimentalmente para la enzima succínica deshidrogenasa, que cataliza la oxidación del succinato a fumarato en el ciclo de Krebs . El malonato es un inhibidor competitivo de la succínica deshidrogenasa. La unión de la succínica deshidrogenasa al sustrato, succinato, se inhibe competitivamente. Esto sucede porque la química del malonato es similar a la del succinato. La capacidad del malonato para inhibir la unión de la enzima y el sustrato se basa en la proporción de malonato a succinato. El malonato se une al sitio activo de la succínica deshidrogenasa de modo que el succinato no puede hacerlo. Por tanto, inhibe la reacción.

Otro posible mecanismo de inhibición competitiva alostérica.

Ecuación

El modelo de Michaelis-Menten puede ser una herramienta invaluable para comprender la cinética de las enzimas. De acuerdo con este modelo, una gráfica de la velocidad de reacción (V 0 ) asociada con la concentración [S] del sustrato se puede usar para determinar valores como V max , velocidad inicial y K m (V max / 2 o afinidad del complejo enzima a sustrato).

La inhibición competitiva aumenta el valor aparente de la Michaelis-Menten constante, de tal manera que la tasa inicial de la reacción, está dado por

donde , es la constante de disociación del inhibidor y es la concentración del inhibidor.

permanece igual porque la presencia del inhibidor puede superarse mediante concentraciones de sustrato más altas. , la concentración de sustrato que se necesita alcanzar aumenta con la presencia de un inhibidor competitivo. Esto se debe a que la concentración de sustrato necesaria para alcanzar con un inhibidor es mayor que la concentración de sustrato necesaria para alcanzar sin un inhibidor.

Derivación

En el caso más simple de una enzima de un solo sustrato que obedece a la cinética de Michaelis-Menten, el esquema típico

se modifica para incluir la unión del inhibidor a la enzima libre:

Tenga en cuenta que el inhibidor no se une al complejo ES y el sustrato no se une al complejo EI. Generalmente se asume que este comportamiento es indicativo de que ambos compuestos se unen en el mismo sitio, pero eso no es estrictamente necesario. Al igual que con la derivación de la ecuación de Michaelis-Menten, suponga que el sistema está en estado estable, es decir, la concentración de cada una de las especies de enzimas no cambia.

Además, la concentración de enzima total conocida es y la velocidad se mide en condiciones en las que las concentraciones de sustrato e inhibidor no cambian sustancialmente y se ha acumulado una cantidad insignificante de producto.

Por tanto, podemos establecer un sistema de ecuaciones:

 

 

 

 

( 1 )

 

 

 

 

( 2 )

 

 

 

 

( 3 )

 

 

 

 

( 4 )

donde y son conocidos. La velocidad inicial se define como , por lo que necesitamos definir lo desconocido en términos de los conocidos y .

De la ecuación ( 3 ), podemos definir E en términos de ES reordenando a

Dividiendo por da

Como en la derivación de la ecuación de Michaelis-Menten, el término se puede reemplazar por la constante de velocidad macroscópica :

 

 

 

 

( 5 )

Sustituyendo la ecuación ( 5 ) en la ecuación ( 4 ), tenemos

Reorganizando, encontramos que

En este punto, podemos definir la constante de disociación del inhibidor como , dando

 

 

 

 

( 6 )

En este punto, sustituya la ecuación ( 5 ) y la ecuación ( 6 ) en la ecuación ( 1 ):

Reordenando para resolver para ES, encontramos

 

 

 

 

( 7 )

Volviendo a nuestra expresión para , ahora tenemos:

Puesto que la velocidad es máxima cuando toda la enzima se enlaza con el complejo enzima-sustrato, . Reemplazar y combinar términos finalmente produce la forma convencional:

 

 

 

 

( 8 )

Calcular la concentración de inhibidor competitivo que produce una fracción de la velocidad donde :

 

 

 

 

( 9 )

notas y referencias

Ver también