Inhibición no competitiva - Non-competitive inhibition
La inhibición no competitiva es un tipo de inhibición enzimática en la que el inhibidor reduce la actividad de la enzima y se une igualmente bien a la enzima, ya se haya unido al sustrato o no.
El inhibidor puede unirse a la enzima independientemente de que el sustrato ya se haya unido o no, pero si tiene una mayor afinidad por unirse a la enzima en un estado u otro, se denomina inhibidor mixto .
Historia
Durante sus años de trabajo como médico, Michaelis y un amigo (Peter Rona) construyeron un laboratorio compacto en el hospital y, en el transcurso de cinco años, Michaelis se publicó con éxito más de 100 veces. Durante su investigación en el hospital, fue el primero en ver los diferentes tipos de inhibición; específicamente usando fructosa y glucosa como inhibidores de la actividad maltasa . La maltosa descompone la maltosa en dos unidades de glucosa. Los resultados de ese experimento permitieron la divergencia de la inhibición competitiva y no competitiva . La inhibición no competitiva afecta el valor k cat (pero no el K m ) en cualquier gráfico dado; este inhibidor se une a un sitio que tiene especificidad para cierta molécula. Michaelis determinó que cuando el inhibidor se une, la enzima se inactiva.
Como muchos otros científicos de su época, Leonor Michaelis y Maud Menten trabajaron en una reacción que se utilizó para cambiar la conformación de la sacarosa y hacer que se lisase en dos productos: fructosa y glucosa. La enzima involucrada en esta reacción se llama invertasa , y es la enzima cuya cinética ha sido apoyada por Michaelis y Menten para ser revolucionaria para la cinética de otras enzimas. Mientras expresaban la velocidad de la reacción estudiada, derivaron una ecuación que describía la velocidad de una manera que sugería que depende principalmente de la concentración de enzima, así como de la presencia del sustrato, pero solo hasta cierto punto.
Adrian Brown y Victor Henri sentaron las bases para los descubrimientos en cinética enzimática por los que se conocen a Michaelis y Menten. Brown imaginó teóricamente el mecanismo ahora aceptado para la cinética enzimática, pero no tenía los datos cuantitativos para hacer una afirmación. Victor Henri hizo contribuciones significativas a la cinética de las enzimas durante su tesis doctoral, sin embargo, no destacó la importancia de la concentración de iones de hidrógeno y la mutarrotación de la glucosa. El objetivo de la tesis de Henri era comparar su conocimiento de las reacciones catalizadas por enzimas con las leyes reconocidas de la química física. A Henri se le atribuye ser el primero en escribir la ecuación que ahora se conoce como la ecuación de Michaelis-Menten. Usando glucosa y fructosa en las reacciones catalíticas controladas por maltasa e invertasa, Leonor Michaelis fue la primera científica en distinguir los diferentes tipos de inhibición usando la escala de pH que no existía en la época de Henri.
Particularmente durante su trabajo para describir la velocidad de esta reacción, también probaron y extrapolaron la idea de otro científico, Victor Henri , de que la enzima que estaban usando tenía cierta afinidad por ambos productos de esta reacción: fructosa y glucosa. Usando los métodos de Henri, Michaelis y Menten casi perfeccionaron este concepto de método de tasa inicial para experimentos de estado estacionario. Estaban estudiando la inhibición cuando encontraron que la inhibición no competitiva (mixta) se caracteriza por su efecto sobre k cat (tasa de catalizador) mientras que la competitiva se caracteriza por su efecto sobre la velocidad (V). En los experimentos de Michaelis y Menten se centraron mucho en los efectos del pH de la invertasa utilizando iones de hidrógeno. La invertasa es una enzima que se encuentra en la levadura extracelular y cataliza reacciones por hidrólisis o inversión de sacarosa (mezcla de sacarosa y fructosa) en " azúcar invertido ". La razón principal para usar invertasa fue que se podía analizar fácilmente y se podían realizar experimentos de manera más rápida. La sacarosa rota en el polarímetro como dextroratatoria-D mientras que el azúcar invertido es levorrotatoria-L . Esto hizo que el seguimiento de la inversión del azúcar fuera relativamente simple. También encontraron que la α-D-glucosa se libera en reacciones catalizadas por invertasa, que es muy inestable y cambia espontáneamente a β-D-glucosa . Aunque ambos se encuentran en la forma dextroratatoria, aquí es donde notaron que la glucosa puede cambiar espontáneamente, también conocida como mutarrotación. No tener esto en cuenta fue una de las principales razones por las que los experimentos de Henri se quedaron cortos. Usando invertasa para catalizar la inversión de sacarosa, pudieron ver qué tan rápido reaccionaba la enzima por polarimetría; por lo tanto, se encontró que se producía una inhibición no competitiva en la reacción en la que la sacarosa se invirtió con invertasa.
Terminología
Es importante señalar que, si bien todos los inhibidores no competitivos se unen a la enzima en sitios alostéricos (es decir, ubicaciones distintas de su sitio activo ), no todos los inhibidores que se unen en sitios alostéricos son inhibidores no competitivos. De hecho, los inhibidores alostéricos pueden actuar como inhibidores competitivos , no competitivos o no competitivos .
Muchas fuentes continúan fusionando estos dos términos o establecen la definición de inhibición alostérica como la definición de inhibición no competitiva.
Mecanismo
La inhibición no competitiva modela un sistema en el que el inhibidor y el sustrato pueden unirse a la enzima en cualquier momento. Cuando se unen tanto el sustrato como el inhibidor, el complejo enzima-sustrato-inhibidor no puede formar un producto y solo puede volver a convertirse en el complejo enzima-sustrato o en el complejo enzima-inhibidor. La inhibición no competitiva se distingue de la inhibición mixta general en que el inhibidor tiene la misma afinidad por la enzima y el complejo enzima-sustrato.
Por ejemplo, en las reacciones de glucólisis catalizadas por enzimas , la acumulación de fosfoenol es catalizada por la piruvato quinasa en piruvato . La alanina es un aminoácido que se sintetiza a partir del piruvato y también inhibe la enzima piruvato quinasa durante la glucólisis. La alanina es un inhibidor no competitivo, por lo tanto, se une desde el sitio activo al sustrato para que siga siendo el producto final.
Otro ejemplo de inhibición no competitiva lo da la hexoquinasa inhibidora de glucosa-6-fosfato en el cerebro. Los carbonos 2 y 4 de la glucosa-6-fosfato contienen grupos hidroxilo que se unen junto con el fosfato en el carbono 6 al complejo enzima-inhibidor. El sustrato y la enzima son diferentes en sus combinaciones de grupos a las que se adhiere un inhibidor. La capacidad de la glucosa-6-fosfato para unirse en diferentes lugares al mismo tiempo lo convierte en un inhibidor no competitivo.
El mecanismo más común de inhibición no competitiva implica la unión reversible del inhibidor a un sitio alostérico , pero es posible que el inhibidor opere a través de otros medios, incluida la unión directa al sitio activo. Se diferencia de la inhibición competitiva en que la unión del inhibidor no evita la unión del sustrato y viceversa, sino que simplemente evita la formación de producto durante un tiempo limitado.
Este tipo de inhibición reduce la velocidad máxima de una reacción química sin cambiar la aparente afinidad de unión del catalizador por el sustrato (K m app - ver cinética de Michaelis-Menten ). Cuando se agrega un inhibidor no competitivo, la Vmax cambia, mientras que la Km permanece sin cambios. Según el gráfico de Lineweaver-Burk, la Vmax se reduce durante la adición de un inhibidor no competitivo, que se muestra en el gráfico mediante un cambio tanto en la pendiente como en la intersección con el eje y cuando se agrega un inhibidor no competitivo.
La principal diferencia entre competitivo y no competitivo es que la inhibición competitiva afecta la capacidad del sustrato para unirse uniendo un inhibidor en lugar de un sustrato, lo que reduce la afinidad de la enzima por el sustrato. En la inhibición no competitiva, el inhibidor se une a un sitio alostérico y evita que el complejo enzima-sustrato realice una reacción química. Esto no afecta la Km (afinidad) de la enzima (por el sustrato). La inhibición no competitiva se diferencia de la inhibición no competitiva en que aún permite que el sustrato se una al complejo enzima-inhibidor y forme un complejo enzima-sustrato-inhibidor, esto no es cierto en la inhibición no competitiva, evita que el sustrato se una a la enzima inhibidor a través del cambio conformacional tras la unión alostérica.
Ecuación
En presencia de un inhibidor no competitivo, la afinidad aparente de la enzima es equivalente a la afinidad real. En términos de cinética de Michaelis-Menten , K m app = K m . Esto puede verse como una consecuencia del principio de Le Chatelier porque el inhibidor se une tanto a la enzima como al complejo enzima-sustrato por igual, de modo que se mantiene el equilibrio. Sin embargo, dado que siempre se inhibe que alguna enzima convierta el sustrato en producto, la concentración efectiva de enzima se reduce.
Matemáticamente,
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![{aparente \ [E] _ {0}} = {\ frac {[E] _ {0}} {1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b5dc3a4908e8409124b361d5e495f6d2f54f636e)
Ejemplo: inhibidores no competitivos de la enzima CYP2C9
Los inhibidores no competitivos de la enzima CYP2C9 incluyen nifedipina , tranilcipromina , isotiocianato de fenetilo y 6-hidroxiflavona. La simulación de acoplamiento por computadora y los mutantes construidos sustituidos indican que el sitio de unión no competitivo de 6-hidroxiflavona es el sitio de unión alostérico informado de la enzima CYP2C9 .