სხეულში მიმდინარე ყველა ბიოქიმიური რეაქცია ექვემდებარება სპეციფიკურ კონტროლს, რომელიც ხორციელდება მარეგულირებელ ფერმენტებზე გამააქტიურებელი ან ინჰიბიტორული ეფექტის მეშვეობით. ეს უკანასკნელი, როგორც წესი, განლაგებულია მეტაბოლური გარდაქმნების ჯაჭვების დასაწყისში და ან იწყებს მრავალსაფეხურიან პროცესს, ან ანელებს მას. ზოგიერთი ცალკეული რეაქცია ასევე ექვემდებარება რეგულირებას. კონკურენტული ინჰიბირება არის ფერმენტების კატალიზური აქტივობის კონტროლის ერთ-ერთი მთავარი მექანიზმი.
რა არის ინჰიბირება?
ფერმენტული კატალიზის მექანიზმი ემყარება ფერმენტის აქტიური ადგილის დაკავშირებას სუბსტრატის მოლეკულასთან (ES კომპლექსი), რის შედეგადაც ხდება ქიმიური რეაქცია პროდუქტის წარმოქმნით და გამოთავისუფლებით (E+S=ES).=EP=E+P).
ფერმენტის ინჰიბირება არის კატალიზის პროცესის სიჩქარის შემცირება ან სრული შეჩერება. უფრო ვიწროშიგაგებით, ეს ტერმინი ნიშნავს სუბსტრატთან აქტიური ცენტრის აფინურობის შემცირებას, რაც მიიღწევა ფერმენტის მოლეკულების ინჰიბიტორ ნივთიერებებთან შეკავშირებით. ამ უკანასკნელებს შეუძლიათ იმოქმედონ სხვადასხვა გზით, რის საფუძველზეც ისინი იყოფა რამდენიმე ტიპად, რომლებიც შეესაბამება ამავე სახელწოდების ინჰიბირების მექანიზმებს.
ინჰიბიციის ძირითადი ტიპები
პროცესის ბუნებიდან გამომდინარე, ინჰიბირება შეიძლება იყოს ორი სახის:
- შეუქცევადი - იწვევს ფერმენტის მოლეკულის მუდმივ ცვლილებებს, ართმევს მას ფუნქციურ აქტივობას (ამ უკანასკნელის აღდგენა შეუძლებელია). ეს შეიძლება იყოს კონკრეტული ან არასპეციფიკური. ინჰიბიტორი ძლიერად უკავშირდება ფერმენტს კოვალენტური ურთიერთქმედების გზით.
- შექცევადი - ფერმენტების უარყოფითი რეგულაციის ძირითადი ტიპი. იგი ხორციელდება ინჰიბიტორის შექცევადი სპეციფიური მიმაგრების გამო ფერმენტ ცილასთან სუსტი არაკოვალენტური ბმებით, ემორჩილება კინეტიკური აღწერას მაიკლის-მენტენის განტოლების მიხედვით (გარდა ალოსტერიული რეგულირებისა)..
არსებობს შექცევადი ფერმენტის ინჰიბიციის ორი ძირითადი ტიპი: კონკურენტული (შეიძლება შესუსტდეს სუბსტრატის კონცენტრაციის გაზრდით) და არაკონკურენტული. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, კატალიზის მაქსიმალური შესაძლო სიჩქარე მცირდება.
მთავარი განსხვავება კონკურენტულ და არაკონკურენტულ ინჰიბიციას შორის მდგომარეობს მარეგულირებელი ნივთიერების ფერმენტთან მიმაგრების ადგილზე. პირველ შემთხვევაში, ინჰიბიტორი პირდაპირ აკავშირებს აქტიურ ადგილს, ხოლო მეორე შემთხვევაში, ფერმენტის სხვა ადგილს, ან ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსს.
არსებობს ასევე შერეული ტიპის ინჰიბიცია, რომლის დროსაც ინჰიბიტორთან შეკავშირება ხელს არ უშლის ES-ის წარმოქმნას, მაგრამ ანელებს კატალიზს. ამ შემთხვევაში, მარეგულირებელი ნივთიერება არის ორმაგი ან სამმაგი კომპლექსების შემადგენლობაში (EI და EIS). არაკონკურენტულ ტიპში ფერმენტი მხოლოდ ES-ს უკავშირდება.
ფერმენტების შექცევადი კონკურენტული ინჰიბირების თავისებურებები
ინჰიბირების კონკურენტული მექანიზმი ემყარება მარეგულირებელი ნივთიერების სტრუქტურულ მსგავსებას სუბსტრატთან. შედეგად, იქმნება აქტიური ცენტრის კომპლექსი ინჰიბიტორთან, პირობითად დანიშნული როგორც EI.
შექცევადი კონკურენტული ინჰიბიცია აქვს შემდეგი მახასიათებლები:
- ინჰიბიტორთან შეკავშირება ხდება აქტიურ ადგილზე;
- ფერმენტის მოლეკულის ინაქტივაცია შექცევადია;
- ინჰიბიტორული ეფექტი შეიძლება შემცირდეს სუბსტრატის კონცენტრაციის გაზრდით;
- ინჰიბიტორი არ მოქმედებს ფერმენტული კატალიზის მაქსიმალურ სიჩქარეზე;
- EI კომპლექსი შეიძლება დაიშალოს, რაც ხასიათდება შესაბამისი დისოციაციის მუდმივით.
ამ ტიპის რეგულირებით, ინჰიბიტორი და სუბსტრატი თითქოს კონკურენციას უწევენ (კონკურენციას) ერთმანეთთან აქტიურ ცენტრში ადგილის მოსაპოვებლად, აქედან მოდის პროცესის სახელი..
შედეგად, კონკურენტული დათრგუნვა შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ფერმენტული კატალიზის ინჰიბირების შექცევადი პროცესი, რომელიც ეფუძნება ინჰიბიტორ ნივთიერების აქტიური ადგილის სპეციფიკურ აფინურობას.
მოქმედების მექანიზმი
ტეტერინგიაქტიური ადგილის მქონე ინჰიბიტორი ხელს უშლის კატალიზისთვის აუცილებელი ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსის წარმოქმნას. შედეგად ფერმენტის მოლეკულა უმოქმედო ხდება. მიუხედავად ამისა, კატალიზურ ცენტრს შეუძლია დაუკავშირდეს არა მხოლოდ ინჰიბიტორს, არამედ სუბსტრატს. ამა თუ იმ კომპლექსის წარმოქმნის ალბათობა დამოკიდებულია კონცენტრაციების თანაფარდობაზე. თუ სუბსტრატის მოლეკულები მნიშვნელოვნად მეტია, მაშინ ფერმენტი მათთან უფრო ხშირად რეაგირებს, ვიდრე ინჰიბიტორთან.
ზეგავლენა ქიმიური რეაქციის სიჩქარეზე
კატალიზის დათრგუნვის ხარისხი კონკურენტული ინჰიბიციის დროს განისაზღვრება იმით, თუ რამდენი ფერმენტი წარმოქმნის EI- კომპლექსებს. ამ შემთხვევაში შესაძლებელია სუბსტრატის კონცენტრაციის გაზრდა იმდენად, რომ შეიცვალოს ინჰიბიტორის როლი და კატალიზის სიჩქარე მიაღწევს მაქსიმალურ შესაძლო მნიშვნელობას Vmax მნიშვნელობის შესაბამისი.მიქაელის-მენტენის განტოლების მიხედვით.
ეს ფენომენი გამოწვეულია ინჰიბიტორის ძლიერი განზავებით. შედეგად, ფერმენტის მოლეკულების მასთან შეკავშირების ალბათობა ნულამდე მცირდება და აქტიური ცენტრები რეაგირებენ მხოლოდ სუბსტრატთან.
ფერმენტული რეაქციის კინეტიკური დამოკიდებულება, რომელიც მოიცავს კონკურენტულ ინჰიბიტორს
კონკურენტული დათრგუნვა ზრდის მაიკლისის მუდმივას (Km), რაც უდრის სუბსტრატის კონცენტრაციას, რომელიც საჭიროა რეაქციის დასაწყისში კატალიზის მაქსიმალური სიჩქარის ½-ის მისაღწევად. ფერმენტის რაოდენობა, რომელსაც ჰიპოთეტურად შეუძლია სუბსტრატთან შეკავშირება, რჩება მუდმივი, ხოლო ES-კომპლექსები დამოკიდებულია მხოლოდ ამ უკანასკნელის კონცენტრაციაზე (EI კომპლექსები არ არის მუდმივი და შეიძლება გადაადგილდეს სუბსტრატით).
ფერმენტების კონკურენტული დათრგუნვა ადვილია განისაზღვროს სუბსტრატის სხვადასხვა კონცენტრაციისთვის აგებული კინეტიკური დამოკიდებულების გრაფიკებიდან. ამ შემთხვევაში, Km-ის მნიშვნელობა შეიცვლება, ხოლო Vmax დარჩება უცვლელი.
არაკონკურენტული ინჰიბიციით, საპირისპიროა: ინჰიბიტორი აკავშირებს აქტიური ცენტრის გარეთ და სუბსტრატის არსებობა ამაზე ვერანაირად ვერ იმოქმედებს. შედეგად, ზოგიერთი ფერმენტის მოლეკულა "გამორთულია" კატალიზისაგან და მაქსიმალური შესაძლო სიჩქარე მცირდება. მიუხედავად ამისა, აქტიური ფერმენტის მოლეკულები ადვილად აკავშირებენ სუბსტრატს როგორც ამ უკანასკნელის დაბალი, ასევე მაღალი კონცენტრაციის დროს. მაშასადამე, მიქაელის მუდმივი რჩება მუდმივი.
კონკურენტული დათრგუნვის გრაფიკები ორმაგი შებრუნებული კოორდინატების სისტემაში არის რამდენიმე სწორი ხაზი, რომელიც კვეთს y-ღერძს 1/Vmax წერტილში. თითოეული სწორი ხაზი შეესაბამება სუბსტრატის გარკვეულ კონცენტრაციას. აბსცისის ღერძთან (1/[S]) გადაკვეთის სხვადასხვა წერტილი მიუთითებს მაიკლისის მუდმივში ცვლილებაზე.
კონკურენტული ინჰიბიტორის მოქმედება მალონატის მაგალითზე
კონკურენტული დათრგუნვის ტიპიური მაგალითია სუქცინატდეჰიდროგენაზას აქტივობის შემცირების პროცესი, ფერმენტი, რომელიც კატალიზებს სუქცინის მჟავას (სუქცინატის) დაჟანგვას ფუმარინის მჟავამდე. აქ, როგორც ინჰიბიტორიმალონატი მოქმედებს, რომელსაც აქვს სტრუქტურული მსგავსება სუქცინატთან.
ინჰიბიტორის დამატება გარემოში იწვევს მალონატის კომპლექსების წარმოქმნას სუქცინატდეჰიდროგენაზასთან. ასეთი ბმა არ აზიანებს აქტიურ ადგილს, მაგრამ ბლოკავს მის ხელმისაწვდომობას სუქცინის მჟავასთან. სუქცინატის კონცენტრაციის გაზრდა ამცირებს ინჰიბიტორულ ეფექტს.
სამედიცინო გამოყენება
ბევრი წამლის მოქმედება, რომლებიც წარმოადგენენ ზოგიერთი მეტაბოლური გზის სუბსტრატების სტრუქტურულ ანალოგებს, რომელთა დათრგუნვა დაავადების მკურნალობის აუცილებელი ნაწილია, ეფუძნება კონკურენტული ინჰიბირების მექანიზმს.
მაგალითად, კუნთოვანი დისტროფიის დროს ნერვული იმპულსების გამტარობის გასაუმჯობესებლად საჭიროა აცეტილქოლინის დონის ამაღლება. ეს მიიღწევა მისი ჰიდროლიზური აცეტილქოლინესთერაზას აქტივობის ინჰიბირებით. ინჰიბიტორები არის მეოთხეული ამონიუმის ფუძეები, რომლებიც შედიან მედიკამენტების შემადგენლობაში (პრორეზინი, ენდოფონიუმი და სხვ.).
ანტიმეტაბოლიტები გამოიყოფა სპეციალურ ჯგუფად, რომლებიც ინჰიბიტორული ეფექტის გარდა ავლენენ ფსევდოსუბსტრატის თვისებებს. ამ შემთხვევაში, EI კომპლექსის წარმოქმნა იწვევს ბიოლოგიურად ინერტული ანომალიური პროდუქტის წარმოქმნას. ანტიმეტაბოლიტები მოიცავს სულფონამიდებს (გამოიყენება ბაქტერიული ინფექციების სამკურნალოდ), ნუკლეოტიდის ანალოგებს (გამოიყენება კიბოს სიმსივნის უჯრედების ზრდის შესაჩერებლად) და ა.შ.
