Semua reaksi biokimia yang terjadi di dalam tubuh tunduk pada kontrol khusus, yang dilakukan melalui efek pengaktifan atau penghambatan pada enzim pengatur. Yang terakhir biasanya terletak di awal rantai transformasi metabolisme dan memulai proses multi-tahap atau memperlambatnya. Beberapa reaksi tunggal juga tunduk pada regulasi. Inhibisi kompetitif adalah salah satu mekanisme utama untuk mengontrol aktivitas katalitik enzim.
Apa itu penghambatan?
Mekanisme katalisis enzimatik didasarkan pada pengikatan sisi aktif enzim ke molekul substrat (ES kompleks), menghasilkan reaksi kimia dengan pembentukan dan pelepasan produk (E+S=ES=EP=E+P).
Penghambatan suatu enzim adalah pengurangan kecepatan atau penghentian total proses katalisis. Lebih sempitpengertian, istilah ini berarti penurunan afinitas pusat aktif untuk substrat, yang dicapai dengan mengikat molekul enzim ke zat inhibitor. Yang terakhir dapat bertindak dengan berbagai cara, atas dasar itu mereka dibagi menjadi beberapa jenis, yang sesuai dengan mekanisme penghambatan dengan nama yang sama.
Jenis penghambatan utama
Berdasarkan sifat prosesnya, penghambatan dapat terdiri dari dua jenis:
- Ireversibel - menyebabkan perubahan terus-menerus pada molekul enzim, menghilangkan aktivitas fungsionalnya (yang terakhir tidak dapat dipulihkan). Itu bisa spesifik atau tidak spesifik. Inhibitor berikatan kuat dengan enzim melalui interaksi kovalen.
- Reversibel - jenis utama regulasi negatif enzim. Hal ini dilakukan karena penempelan spesifik inhibitor yang reversibel ke protein enzim melalui ikatan non-kovalen yang lemah, sesuai dengan deskripsi kinetik menurut persamaan Michaelis-Menten (dengan pengecualian regulasi alosterik).
Ada dua jenis utama penghambatan enzim reversibel: kompetitif (dapat dilemahkan dengan meningkatkan konsentrasi substrat) dan non-kompetitif. Dalam kasus terakhir, tingkat katalisis maksimum yang mungkin berkurang.
Perbedaan utama antara penghambatan kompetitif dan non-kompetitif terletak pada tempat penempelan zat pengatur pada enzim. Dalam kasus pertama, inhibitor mengikat langsung ke situs aktif, dan dalam kasus kedua, ke situs lain dari enzim, atau kompleks enzim-substrat.
Ada juga jenis penghambatan campuran, di mana pengikatan pada penghambat tidak mencegah pembentukan ES, tetapi memperlambat katalisis. Dalam hal ini, zat pengatur berada dalam komposisi kompleks ganda atau rangkap tiga (EI dan EIS). Pada tipe yang tidak kompetitif, enzim hanya berikatan dengan ES.
Fitur penghambatan kompetitif reversibel enzim
Mekanisme penghambatan kompetitif didasarkan pada kesamaan struktural zat pengatur dengan substrat. Akibatnya, kompleks pusat aktif dengan inhibitor terbentuk, secara konvensional disebut sebagai EI.
Inhibisi kompetitif reversibel memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
- pengikatan ke inhibitor terjadi di situs aktif;
- inaktivasi molekul enzim bersifat reversibel;
- efek penghambatan dapat dikurangi dengan meningkatkan konsentrasi substrat;
- inhibitor tidak mempengaruhi laju maksimum katalisis enzimatik;
- kompleks EI dapat terurai, yang ditandai dengan konstanta disosiasi yang sesuai.
Dengan jenis regulasi ini, inhibitor dan substrat tampaknya bersaing (bersaing) satu sama lain untuk mendapatkan tempat di pusat aktif, oleh karena itu nama prosesnya.
Akibatnya, penghambatan kompetitif dapat didefinisikan sebagai proses reversibel penghambatan katalisis enzimatik, berdasarkan afinitas spesifik situs aktif untuk zat penghambat.
Mekanisme tindakan
Tetheringinhibitor dengan situs aktif mencegah pembentukan kompleks enzim-substrat yang diperlukan untuk katalisis. Akibatnya, molekul enzim menjadi tidak aktif. Namun demikian, pusat katalitik dapat mengikat tidak hanya inhibitor, tetapi juga substrat. Probabilitas pembentukan satu atau kompleks lain tergantung pada rasio konsentrasi. Jika molekul substrat jauh lebih banyak, maka enzim akan lebih sering bereaksi dengan mereka daripada dengan inhibitor.
Pengaruh pada laju reaksi kimia
Derajat penghambatan katalisis selama penghambatan kompetitif ditentukan oleh seberapa banyak enzim akan membentuk kompleks EI. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk meningkatkan konsentrasi substrat sedemikian rupa sehingga peran inhibitor akan diganti, dan laju katalisis akan mencapai nilai maksimum yang mungkin sesuai dengan nilai Vmaxmenurut persamaan Michaelis-Menten.
Fenomena ini disebabkan pengenceran inhibitor yang kuat. Akibatnya, kemungkinan ikatan molekul enzim menjadi nol, dan pusat aktif hanya bereaksi dengan substrat.
Ketergantungan kinetik dari reaksi enzimatik yang melibatkan inhibitor kompetitif
Inhibisi kompetitif meningkatkan konstanta Michaelis (Km), yang sama dengan konsentrasi substrat yang diperlukan untuk mencapai laju katalisis maksimum pada awal reaksi. Jumlah enzim yang secara hipotetis mampu mengikat substrat tetap konstan, sedangkan jumlah ES-kompleks hanya bergantung pada konsentrasi yang terakhir (kompleks EI tidak konstan dan dapat digantikan oleh substrat).
Penghambatan kompetitif enzim mudah ditentukan dari grafik ketergantungan kinetik yang dibangun untuk konsentrasi substrat yang berbeda. Dalam hal ini, nilai Km akan berubah, sedangkan Vmax akan tetap konstan.
Dengan inhibisi non-kompetitif, yang terjadi adalah kebalikannya: inhibitor mengikat di luar pusat aktif dan keberadaan substrat tidak dapat memengaruhi ini dengan cara apa pun. Akibatnya, beberapa molekul enzim "dimatikan" dari katalisis, dan kecepatan maksimum yang mungkin berkurang. Namun demikian, molekul enzim aktif dapat dengan mudah mengikat substrat baik pada konsentrasi rendah maupun tinggi. Oleh karena itu, konstanta Michaelis tetap konstan.
Grafik inhibisi kompetitif dalam sistem koordinat terbalik ganda adalah beberapa garis lurus yang memotong sumbu y di titik 1/Vmax. Setiap garis lurus sesuai dengan konsentrasi substrat tertentu. Titik potong yang berbeda dengan sumbu absis (1/[S]) menunjukkan perubahan konstanta Michaelis.
Aksi inhibitor kompetitif pada contoh malonat
Contoh khas dari penghambatan kompetitif adalah proses pengurangan aktivitas suksinat dehidrogenase, enzim yang mengkatalisis oksidasi asam suksinat (suksinat) menjadi asam fumarat. Di sini sebagai penghambattindakan malonat, memiliki kesamaan struktural dengan suksinat.
Menambahkan inhibitor ke media menyebabkan pembentukan kompleks malonat dengan suksinat dehidrogenase. Ikatan seperti itu tidak menyebabkan kerusakan pada situs aktif, tetapi menghalangi aksesibilitasnya ke asam suksinat. Meningkatkan konsentrasi suksinat mengurangi efek penghambatan.
Penggunaan medis
Tindakan banyak obat, yang merupakan analog struktural dari substrat beberapa jalur metabolisme, penghambatan yang merupakan bagian penting dari pengobatan penyakit, didasarkan pada mekanisme penghambatan kompetitif.
Misalnya, untuk meningkatkan konduksi impuls saraf pada distrofi otot, diperlukan peningkatan kadar asetilkolin. Hal ini dicapai dengan menghambat aktivitas hidrolisis asetilkolinesterase. Inhibitornya adalah basa amonium kuaterner yang merupakan bagian dari obat (proresin, endrophonium, dll.).
Antimetabolit dibedakan menjadi kelompok khusus, yang, selain efek penghambatannya, menunjukkan sifat-sifat pseudosubstrat. Dalam hal ini, pembentukan kompleks EI mengarah pada pembentukan produk anomali inert secara biologis. Antimetabolit termasuk sulfonamid (digunakan dalam pengobatan infeksi bakteri), analog nukleotida (digunakan untuk menghentikan pertumbuhan sel tumor kanker), dll.
