Inhibidor no competitivo - Uncompetitive inhibitor

Representación general de inhibición no competitiva

La inhibición no competitiva , también conocida como inhibición anticompetitiva , tiene lugar cuando un inhibidor enzimático se une solo al complejo formado entre la enzima y el sustrato (el complejo ES). La inhibición no competitiva ocurre típicamente en reacciones con dos o más sustratos o productos.

Si bien la inhibición no competitiva requiere que se forme un complejo enzima-sustrato, la inhibición no competitiva puede ocurrir con o sin el sustrato presente.

La inhibición no competitiva se distingue de la inhibición competitiva por dos observaciones: la primera inhibición no competitiva no se puede revertir aumentando [S] y, en segundo lugar, como se muestra, la gráfica de Lineweaver-Burk produce líneas paralelas en lugar de intersecantes. Este comportamiento se encuentra en la inhibición de la acetilcolinesterasa por las aminas terciarias (R ₃ N). Dichos compuestos se unen a la enzima en sus diversas formas, pero el complejo acil-intermedio-amina no puede descomponerse en enzima más producto.

Mecanismo

A medida que el inhibidor se une, se reduce la cantidad de complejo ES. Esta reducción en la concentración efectiva del complejo ES puede explicarse por el hecho de que tener el inhibidor unido al complejo ES esencialmente lo convierte en complejo ESI, que se considera un complejo completamente separado. Esta reducción en el complejo ES disminuye la actividad enzimática máxima (V _max ), ya que el sustrato o producto tarda más en abandonar el sitio activo . La reducción de K _m , la concentración de sustrato a la que la enzima puede operar a la mitad de su velocidad máxima, que a menudo se utiliza para aproximar la afinidad de una enzima por un sustrato, también puede relacionarse con la disminución del complejo ES. El principio de Le Chatelier se opone a esta disminución e intenta compensar la pérdida de ES, por lo que se convierte más enzima libre a la forma ES y la cantidad de ES aumenta en general. Un aumento en ES generalmente indica que la enzima tiene un alto grado de afinidad por su sustrato. K _m disminuye a medida que aumenta la afinidad por un sustrato, aunque no es un predictor perfecto de afinidad ya que también explica otros factores; independientemente, este aumento de afinidad irá acompañado de una disminución de K _m .

En general, la inhibición no competitiva funciona mejor cuando la concentración de sustrato es alta. Un inhibidor no competitivo no necesita parecerse al sustrato de la reacción que está inhibiendo. Sin concentración de sustrato, la actividad de la enzima será mayor cuando está presente un inhibidor no competitivo, pero a concentraciones bajas de sustrato la diferencia de actividad de la enzima será insignificante.

Definición matemática

Gráfico de Lineweaver-Burk de inhibición enzimática no competitiva.

La ecuación de Lineweaver-Burk establece que:

${\ Displaystyle \ {\ frac {1} {v}} = {\ frac {K_ {m}} {V_ {max} [S]}} + {1 \ over V _ {\ max}}}$

Donde v es la velocidad de reacción inicial , K _m es la constante de Michaelis-Menten , V _max es la velocidad máxima de reacción y [ S ] es la concentración del sustrato.

La gráfica de Lineweaver-Burk para un inhibidor no competitivo produce una línea paralela a la gráfica original de enzima-sustrato, pero con una intersección y más alta , debido a la presencia de un término de inhibición : ${\ Displaystyle \ {\ frac {[I]} {K_ {i}}}}$

${\ Displaystyle \ {\ frac {1} {v}} = {\ frac {K_ {m}} {V_ {max} [S]}} + {\ frac {1 + {\ frac {[I]} { K_ {i}}}} {V_ {max}}}}$

Donde [ I ] es la concentración del inhibidor y K _i es una constante característica de inhibición del inhibidor.

La ecuación de Michaelis-Menten se modifica para:

${\ Displaystyle \ {V_ {0}} = {\ frac {V_ {max} [S]} {K_ {m} + \ alpha '[S]}}}$

dónde

${\ Displaystyle \ \ alpha '= 1 + {\ frac {[I]} {K' _ {I}}}}$ y ${\ Displaystyle \ K '_ {I} = {\ frac {[ES] [I]} {[ESI]}}}$

Como se describe en la ecuación anterior, a altas concentraciones de sustrato, V _{0 se} acerca a V _max / α '. Por tanto, un inhibidor no competitivo reduce la V _máx medida . La K _m aparente también disminuye, porque la [S] requerida para alcanzar la mitad de V _max disminuye en el factor α '. Es importante notar que V _max y K _m disminuyen al mismo ritmo como resultado del inhibidor. Esto es evidente al ver un gráfico de Lineweaver-Burk de inhibición enzimática no competitiva: la relación entre V y K _m permanece igual con o sin un inhibidor presente.

Implicaciones y usos en sistemas biológicos

Los rasgos únicos de la inhibición no competitiva conducen a una variedad de implicaciones para los efectos de la inhibición dentro de los sistemas biológicos y bioquímicos. La inhibición no competitiva está presente dentro de los sistemas biológicos de varias formas. De hecho, a menudo queda claro que los rasgos de inhibición específicos de los inhibidores no competitivos, como su tendencia a actuar de la mejor manera en concentraciones elevadas de sustrato, son esenciales para que algunas funciones corporales importantes funcionen correctamente.

Participación en los mecanismos del cáncer

En ciertos tipos de cáncer intervienen mecanismos no competitivos. Se ha descubierto que las fosfatasas alcalinas humanas , como CGAP, se sobreexpresan en ciertos tipos de cánceres, y esas fosfotasas a menudo operan mediante una inhibición no competitiva. También se ha descubierto que varios de los genes que codifican las fosfatasas alcalinas humanas (TSAP) son inhibidos de forma no competitiva por aminoácidos como la leucina y la fenilalanina . Se han realizado estudios de los residuos de aminoácidos implicados en un intento por regular la actividad de la fosfatasa alcalina y aprender más sobre la relevancia de dicha actividad para el cáncer.

Además, la inhibición no competitiva trabaja junto con TP53 para ayudar a reprimir la actividad de las células cancerosas y prevenir la tumorigénesis en ciertas formas de la enfermedad, ya que inhibe la G6PD (glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, una enzima involucrada principalmente en ciertas vías metabólicas). Una de las funciones secundarias de las que es responsable la G6PD es ayudar a regular el control de los niveles de oxígeno reactivo, ya que las especies de oxígeno reactivo deben mantenerse en niveles adecuados para permitir que las células sobrevivan. Cuando la concentración de sustrato de G6PD es alta, la inhibición no competitiva de la enzima se vuelve mucho más efectiva. A medida que aumenta la concentración de sustrato, también aumenta la cantidad de complejo ES, y con más complejo ES para unirse, los inhibidores no competitivos se vuelven mucho más activos. Esta inhibición funciona de manera que cuanto mayor sea la concentración de sustrato en el sistema inicialmente, más difícil será alcanzar la velocidad máxima de reacción. A concentraciones iniciales bajas de sustrato, aumentar la concentración de sustrato a veces es suficiente para restaurar total o incluso completamente la función de la enzima, pero tan pronto como la concentración inicial aumenta más allá de cierto punto, alcanzar la velocidad máxima de la enzima es casi imposible. Esta extrema sensibilidad a la concentración de sustrato dentro del mecanismo del cáncer implica una inhibición no competitiva en lugar de una inhibición mixta, que muestra rasgos similares pero a menudo es menos sensible a la concentración de sustrato debido a que algún inhibidor se une a las enzimas libres independientemente de la presencia del sustrato. Como tal, la fuerza extrema de los inhibidores no competitivos a altas concentraciones de sustrato y la sensibilidad general a la cantidad de sustrato indica que solo la inhibición no competitiva puede hacer posible este tipo de proceso.

Importancia en las membranas celulares y orgánulos

Aunque esta forma de inhibición está presente en diversas enfermedades dentro de los sistemas biológicos, no necesariamente se relaciona solo con patologías. Puede estar involucrado en funciones corporales típicas. Por ejemplo, los sitios activos capaces de inhibición no competitiva parecen estar presentes en las membranas, ya que se ha demostrado que la eliminación de lípidos de las membranas celulares y hacer que los sitios activos sean más accesibles a través de cambios conformacionales invocan elementos que se asemejan a los efectos de la inhibición no competitiva (es decir, tanto K _M como V Disminución _máxima ). En los lípidos de la membrana mitocondrial específicamente, la eliminación de los lípidos disminuye el contenido de la hélice alfa en las mitocondrias y conduce a cambios en la ATPasa que se asemejan a la inhibición no competitiva.

Esta presencia de enzimas no competitivas en las membranas también ha sido apoyada en varios otros estudios. Se estaba estudiando un tipo de proteína llamada proteína Arf involucrada en la regulación de la actividad de la membrana, y se encontró que un inhibidor llamado BFA atrapó uno de los intermediarios de Arf a través de una inhibición no competitiva. Esto dejó en claro que este tipo de inhibición existe dentro de varios tipos de células y orgánulos en lugar de solo en las células patológicas. De hecho, se encontró que el BFA se relaciona con la actividad del aparato de Golgi y su papel en la regulación del movimiento a través de la membrana celular.

Presencia en la capa de gránulos cerebelosos.

Inhibidor de NMDA memantina

Receptor NMDA inhibido. El sustrato está unido y el inhibidor (rojo) bloquea el sitio activo.

La inhibición no competitiva también puede desempeñar un papel en otras partes del cuerpo. Es parte del mecanismo por el cual los receptores de glutamato NMDA (N-metil-D-aspartato) se inhiben en el cerebro, por ejemplo. Específicamente, este tipo de inhibición impacta en las células granulares que forman una capa del cerebelo. Estas células tienen los receptores NMDA mencionados anteriormente, y la actividad de dichos receptores aumenta típicamente a medida que se consume etanol. Esto a menudo conduce a síntomas de abstinencia si se elimina dicho etanol. Varios bloqueadores no competitivos actúan como antagonistas de los receptores y modifican el proceso, siendo un ejemplo un inhibidor llamado memantina . De hecho, en casos similares (que implican la sobreexpresión de NMDA, aunque no necesariamente a través del etanol), se ha demostrado que la inhibición no competitiva ayuda a anular la sobreexpresión debido a sus propiedades particulares. Dado que los inhibidores no competitivos bloquean altas concentraciones de sustratos de manera muy eficiente, sus rasgos junto con las características innatas de los propios receptores conducen a un bloqueo muy efectivo de los canales de NMDA cuando están excesivamente abiertos debido a cantidades masivas de agonistas de NMDA.

Derivación de la ecuación de Michaelis-Menten no competitiva

La inhibición no competitiva se puede describir utilizando el siguiente conjunto de ecuaciones de reacción:

$${\ displaystyle {\ begin {align} E + S & \ rightleftharpoons ES \\ ES & \ rightarrow E + P \\ ES + I & \ rightleftharpoons ESI \ end {alineado}}}$$

La velocidad de reacción de la primera regla definida anteriormente donde [E] y [S] se unen para formar el complejo [ES] y [ES] pueden separarse para reformar los productos se puede escribir como:

${\ Displaystyle Rate_ {1} = k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES]}$

• ${\ Displaystyle k_ {1}}$ es una constante de velocidad de segundo orden que representa la velocidad a la que [E] y [S] se unen para formar el complejo [ES] bajo la cinética de acción de masas
• ${\ displaystyle k _ {- 1}}$ es una constante de tasa de primer orden que representa la tasa de [ES] desvinculado de la reforma [E] y [S]

La segunda velocidad de reacción que describe la velocidad del complejo [ES] que crea el producto a partir del sustrato [S] y regenera una enzima libre [E] se puede describir con la siguiente velocidad de acción de masas:

${\ Displaystyle Rate_ {2} = k_ {2} * [ES]}$

Dónde:

• ${\ Displaystyle k_ {2}}$ es una velocidad de reacción de primer orden del complejo [ES] que forma el producto [P] y la enzima libre [E]

Con una inhibición no competitiva, el complejo de sustrato enzimático se puede unir a un complejo inhibidor de sustrato enzimático en la siguiente proporción:

${\ Displaystyle Rate_ {3} = k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI]}$

Dónde:

• ${\ Displaystyle k_ {3}}$ es una constante de velocidad de segundo orden que representa la velocidad a la que [ES] y [I] se unen para formar el complejo [ESI] bajo cinética de acción de masas
• ${\ Displaystyle k _ {- 3}}$ es una constante de tasa de primer orden que representa la tasa de [ESI] desvinculado de la reforma [ES] y [I]

Al poner la información anterior en un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias se obtiene:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} {\ frac {d [E]} {dt}} & = - k_ {1} * [E] [S] + k _ {- 1} [ES] + k_ {2} * [ES] \\ {\ frac {d [S]} {dt}} & = - k_ {1} * [E] [S] + k _ {- 1} [ES] + k_ {2} * [ES ] \\ {\ frac {d [P]} {dt}} & = k_ {2} * [ES] \\ {\ frac {d [ES]} {dt}} & = k_ {1} * [E ] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] -k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] \\ {\ frac { d [ESI]} {dt}} & = k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] \\ {\ frac {d [I]} {dt}} & = - k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] \ end {alineado}}}$

Para derivar la ecuación de Michaelis-Menten modificada, se deben hacer las siguientes suposiciones:

• El sustrato no es limitante
• Las especies modelo [ES] y [ESI] complejos están en equilibrio instantáneo.

Según la segunda suposición indicada anteriormente, las ecuaciones de ODE anteriores se pueden establecer en cero ya que los valores no cambian: ${\ Displaystyle {\ begin {alineado} {\ frac {d [ES]} {dt}} & = k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] -k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] = 0 \\ {\ frac {d [ESI]} {dt}} & = k_ {3} * [ ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] = 0 \\\ end {alineado}}}$

Como sabemos que la siguiente expresión es igual a cero:

${\ displaystyle {\ begin {alineado} k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] & = 0 \\\ end {alineado}}}$

Podemos tachar la siguiente parte en la ecuación de la tasa [ES]:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] {\ cancelto {0} {- k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI]}} = 0 \\\\ k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] = 0 \\\ final {alineado}}}$

Para derivar la ecuación de Michaelis-Menten, debemos reescribir [ES] en términos de solo [S]. Para empezar modificaremos la ecuación anterior para aislar [ES]:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] & = 0 \\ k_ {1} * [E ] [S] - (k_ {2} + k _ {- 1}) [ES] & = 0 \\ k_ {1} * [E] [S] & = (k_ {2} + k _ {- 1}) [ES] \\ {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [ES] \\\ end {alineado}}}$

Resolver para [ESI] en una ecuación anterior produce donde podemos reemplazar la expresión encontrada para [ES]:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] & = 0 \\ k_ {3} * [ES] * [I] & = k_ {-3} [ESI] \\ {\ frac {k_ {3} * [ES] * [I]} {k _ {- 3}}} & = [ESI] \\ {\ frac {k_ {3} * {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} * [I]} {k _ {- 3}}} & = [ESI] \ \ {\ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [ESI ] \\\ end {alineado}}}$

La concentración total de enzima depende de la cantidad de enzima libre [E], enzima unida al complejo [ES] y complejo enzima-sustrato-inhibidor [ESI]. Conectando las expresiones para [ESI] y [ES] producirá:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} [] [E] _ {Total} & = [E] + [ES] + [ESI] \\ [] [E] _ {Total} - [ES] - [ESI] & = [E] \\ [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} - { \ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [E] \ \ [] [E] _ {Total} - {\ bigg (} {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} + {\ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg)} & = [E] \\ [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg ( } 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} & = [E] \\\ end {alineado}}}$

Aislado [E] para aparecer solo en un solo lado de la ecuación anterior:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} & = [E] \\ [] [E] _ {Total} & = [E] + {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} \\ [] [E] _ {Total} & = [E] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [ S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)} \\ {\ frac {[E] _ {Total}} {{\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} & = [E] \ \\ end {alineado}}}$

De la derivación anterior de [ES], podemos modificar aún más la ecuación reemplazando [E] con la ecuación directamente arriba:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} [] [ES] & = {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} \\ & = {\ frac {k_ {1} * {\ frac {[E] _ {Total}} {{\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} [S] } {(k_ {2} + k _ {- 1})}} \\ & = {\ frac {k_ {1} * [E] _ {Total} [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1}) * {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac { k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {{\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}} * {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {{\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}} + [S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\\ end {alineado}}}$

${\ Displaystyle {\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}}}$ se conoce como la constante de Michaelis y se escribe comúnmente como:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} K_ {M} = {\ frac {k_ {cat} + k_ {r}} {k_ {f}}} = {\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1 })} {k_ {1}}} \ end {alineado}}}$

\ textbf {Nota:} , y${\ Displaystyle k_ {gato} = k_ {2}}$${\ Displaystyle k_ {r} = k _ {- 1}}$${\ Displaystyle k_ {f} = k_ {1}}$

Finalmente, para obtener la ecuación de Michaelis-Menton para la inhibición no competitiva:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} v & = k_ {2} * [ES] \\ & = k_ {2} * {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {K_ {m} + [ S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {V_ {max}} {K_ {m} + [S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)} }} \\\ end {alineado}}}$

Dónde:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} V_ {max} = k_ {2} * [E] _ {Total} [S] \ end {alineado}}}$

Referencias