Orenburg – 2010

1.1 Inhibarea reversibilă

1.1.2 Inhibarea necompetitivă

1.1.3 Inhibarea necompetitivă

1.2 Inhibarea ireversibilă

1.3 Inhibarea alosterică

2. Aspect nou inhibarea activitatii enzimatice

3. Utilizarea inhibitorilor enzimatici

CONCLUZIE

Lista literaturii folosite

1. Inhibitori de enzime. Tipuri de inhibare a activității enzimatice

Se știe că activitatea enzimatică poate fi redusă relativ ușor folosind o varietate de influențe. Această reducere a ratei reacțiilor enzimatice se numește de obicei inhibarea activității sau inhibarea enzimelor.

Fig. 1. Schema de activare și inhibare a acțiunii enzimelor (după Yu. B. Filippovich): a. – centrul alosteric al enzimei; K - centru catalitic; c - centrul substratului

Enzimele sunt proteine ​​în consecință, activitatea lor poate fi redusă sau complet eliminată prin influențe care conduc la denaturarea proteinelor (încălzire, expunere la acizi concentrați, alcaline, săruri ale metalelor grele etc.) Această suprimare nespecifică a activității enzimatice, care este importantă în studiul reacțiilor enzimatice, nu prezintă un interes deosebit pentru studiul mecanismului acestora. Mult mai important este studiul inhibiției folosind substanțe care în mod specific și de obicei în cantități mici interacționează cu enzimele - inhibitori de enzime. Descifrarea mecanismelor multor procese biologice, cum ar fi glicoliza, ciclul Krebs și altele, a devenit posibilă numai ca urmare a utilizării unor inhibitori specifici ai diferitelor enzime (N.E. Kucherenko, Yu.D. Babenyuk și colab., 1988).

Unii inhibitori de enzime sunt substanțe medicinale eficiente pentru organismul animal și uman, alții sunt otrăvuri mortale (V.P. Komov, V.N. Shvedova, 2004).

Inhibitorii interacționează cu centrii activi ai moleculei de enzimă, inactivând grupele funcționale de proteine. Ele pot interacționa cu metalele care fac parte din moleculele de enzime și complexele enzimă-substrat, inactivându-le. Concentrațiile mari de inhibitori distrug structurile cuaternare, terțiare și secundare ale moleculei enzimatice, provocând denaturarea acesteia (A.I. Kononsky, 1992).

Recent, au fost descoperite antienzime (antienzime sau antizime), care sunt proteine ​​care acționează ca inhibitori ai enzimelor. Astfel de substanțe includ, de exemplu, inhibitorul de tripsină găsit în boabele de soia și antitripsina serică. Antienzima ornitin decarboxilaza a fost descoperită recent în ficatul animalului. Cel mai probabil, antizimele formează complexe dificil de disociat cu enzimele corespunzătoare, dezactivându-le de la reactii chimice. Uneori, inhibitorul este o componentă integrală a unui precursor de enzimă sau este parte a complexelor enzimatice complexe. Cu toate acestea, nu a fost încă clarificat dacă astfel de antienzime sunt adevărați inhibitori sau subunități de reglare.

Dacă un inhibitor provoacă modificări persistente în spațiu structura tertiara molecule de enzime sau modificarea grupelor funcționale ale enzimei, atunci acest tip de inhibiție se numește ireversibilă. Mai des, însă, apare o inhibiție reversibilă, care poate fi cuantificată folosind ecuația Michaelis-Menten. Inhibarea reversibilă, la rândul său, este împărțită în competitivă și necompetitivă

În practică, mulți inhibitori nu prezintă proprietățile caracteristice inhibiției pur competitive sau pur necompetitive. Un alt mod de a clasifica inhibitorii se bazează pe natura locului lor de legare. Unele dintre ele se leagă de enzimă în același loc cu substratul (în centrul catalitic), în timp ce altele se leagă la o distanță considerabilă de centrul activ (în centrul alosteric) (R. Murray, D. Grenner și colab., 1993).

1.1 Inhibarea reversibilă

Există trei tipuri de inhibare enzimatică reversibilă: competitivă, necompetitivă și necompetitivă, în funcție de faptul dacă inhibarea reacției enzimatice poate sau nu poate fi depășită prin creșterea concentrației substratului.

1.1.1 Inhibarea competitivă

Un inhibitor competitiv concurează cu un substrat pentru legarea la situsul activ, dar spre deosebire de substrat, un inhibitor competitiv legat de enzimă nu suferă conversie enzimatică. Trăsătură distinctivă inhibiția competitivă este că poate fi eliminată sau slăbită pur și simplu prin creșterea concentrației substratului. De exemplu, dacă la concentrații date de substrat și inhibitor competitiv, activitatea enzimatică este inhibată cu 50%, atunci putem reduce gradul de inhibiție prin creșterea concentrației de substrat.

În structura lor tridimensională, inhibitorii competitivi seamănă de obicei cu substratul unei enzime date. Datorită acestei asemănări, inhibitorul competitiv reușește să „înșele” enzima și să o contacteze. Inhibarea competitivă poate fi studiată cantitativ pe baza teoriei Michaelis-Menten. Inhibitorul competitiv I pur și simplu se atașează reversibil la enzima E, formând un complex cu aceasta

Inhibarea competitivă poate fi recunoscută cel mai ușor experimental prin determinarea efectului concentrației inhibitorului asupra dependenței vitezei inițiale de reacție de concentrația substratului. Pentru a clarifica întrebarea ce tip - competitiv sau necompetitiv - are loc inhibarea reversibilă a enzimei, se utilizează metoda dublelor reciproce. Din grafice construite în coordonate duble inverse, este posibil să se determine și valoarea constantei de disociere a complexului inhibitor de enzime (vezi Fig. 1) (A. Leninger, 1985)

Inhibarea competitivă poate fi cauzată de substanțe care au o structură similară cu structura substratului, dar ușor diferită de structura substratului adevărat. Această inhibare se bazează pe legarea inhibitorului la situsul (activ) de legare a substratului (vezi Fig. 2).

Orez. 2. Principiul general inhibiție competitivă (schemă după V.L. Kretovich). E - enzimă; S - substrat; P 1 şi P 2 - produşi de reacţie; I - inhibitor.

Un exemplu este efectul acidului malonic asupra unei reacții care este catalizată de succinat dehidrogenază și este asociată cu conversia acidului succinic în acid fumaric. Adăugarea de acid malonic la amestecul de reacție reduce sau oprește complet reacția enzimatică deoarece este un inhibitor competitiv al succinat dehidrogenazei. Asemănarea acidului malonic cu acidul succinic este suficientă pentru a forma un complex cu enzima, dar descompunerea acestui complex nu are loc. Când concentrația de acid succinic crește, acesta înlocuiește acidul malonic din complex, ca urmare, activitatea succinat dehidrogenazei este restabilită.

Orez. 3. Inhibarea competitivă a reacției de conversie a acidului succinic în acid fumaric sub influența acidului malonic.

Structurile substratului (succinat) și inhibitorului (malonat) sunt încă oarecum diferite. Prin urmare, ei concurează pentru legarea la locul activ, iar gradul de inhibare va fi determinat de raportul dintre concentrațiile de malonat și succinat, și nu de concentrația absolută a inhibitorului. Astfel, inhibitorul se poate lega reversibil de enzimă, formând un complex enzimă-inhibitor. Acest tip de inhibiție este uneori numit inhibiție a antagonismului metabolic (vezi Fig. 3).

În formă generală, reacția dintre un inhibitor și o enzimă poate fi reprezentată prin următoarea ecuație:

Complexul rezultat, numit complex enzimă-inhibitor EI, spre deosebire de complexul enzimă-substrat ES, nu se descompune pentru a forma produși de reacție.

Multe medicamente inhibă competitiv enzimele umane și animale. De exemplu, asta pentru tratamentul unora boli infectioase cauzate de bacterii, se folosesc medicamente sulfonamide. S-a dovedit că aceste medicamente sunt similare structural cu acidul para-aminobenzoic, pe care celula bacteriană îl folosește pentru a sintetiza acidul folic, care este parte integrantă enzime bacteriene. Datorită acestei asemănări structurale, sulfonamida blochează acțiunea enzimei prin deplasarea acidului para-aminobenzoic din complexul cu enzima care sintetizează acid folic, ceea ce duce la inhibarea creșterii bacteriene.

Structura peptidoglicanului peretelui celular bacterian include D-alanina, care este absentă în corpul animalelor și al oamenilor. Pentru a sintetiza peretele celular, bacteriile folosesc enzima alanin racemaza pentru a transforma L-alanina animală în forma D. Alanin racemaza este caracteristică bacteriilor și nu se găsește la mamifere. Prin urmare, reprezintă o țintă bună pentru inhibiție medicamente. Înlocuirea unuia dintre protonii grupării metil cu fluor produce fluoroalanina, de care se leagă alanin racemaza, rezultând inhibarea acesteia.

Inhibarea enzimatică

Este mai probabil ca medicamentele să inhibe activitatea enzimelor

Modificare covalentă (chimică).

Activarea proteinei kinazei A de către cAMP

Modificarea covalentă implică adăugarea sau îndepărtarea reversibilă a unui grup specific, modificând astfel activitatea enzimei. Cel mai adesea, o astfel de grupă este acidul fosforic, mai rar grupările metil și acetil. Fosforilarea enzimei are loc la reziduurile de serină și tirozină. Adăugarea acidului fosforic la proteine ​​este efectuată de enzime protein kinaze, despicare - proteine ​​fosfataze.

Modificarea activității enzimelor
în timpul fosforilării-defosforilării

Enzimele pot fi active atât în ​​stare fosforilată, cât și în stare defosforilată. De exemplu, enzimele glicogen fosforilaza si glicogen sintetaza sunt fosforilate atunci cand organismul are nevoie de glucoza, iar glicogen fosforilaza devine activși începe descompunerea glicogenului și a glicogenului sintetazei inactiv. Când este necesară sinteza glicogenului, ambele enzime sunt defosforilate, sintetaza devine activă, iar fosforilaza devine inactivă.

Dependența activității enzimelor metabolice
glicogen din prezența acidului fosforic în structură

În medicină, sunt dezvoltați și utilizați în mod activ compuși care modifică activitatea enzimelor pentru a regla rata reacțiilor metabolice și pentru a reduce sinteza anumitor substanțe din organism.

Inhibarea activității enzimatice este de obicei numită inhibiţie, cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna corect. Inhibitor este o substanță care determină o scădere specifică a activității enzimatice. Astfel, acizii anorganici și metalele grele nu sunt inhibitori, ci sunt inactivatori, deoarece reduc activitatea oricăror enzime, adică act nespecifice.

Se pot distinge două direcții principale de inhibiție

Pe baza puterii de legare a enzimei de inhibitor, are loc inhibarea reversibilŞi ireversibil.

Pe baza raportului dintre inhibitor și centrul activ al enzimei, inhibiția este împărțită în competitivŞi necompetitiv.

Cu inhibare ireversibilă, are loc legarea sau distrugerea grupelor funcționale ale enzimei necesare manifestării activității sale.

De exemplu, o substanță fluorofosfat de diizopropil se leagă puternic și ireversibil de gruparea hidroxi a serinei din locul activ al enzimei acetilcolinesteraza, hidrolizând acetilcolina la sinapsele nervoase. Inhibarea acestei enzime previne descompunerea acetilcolinei în fanta sinaptică, drept urmare transmițătorul continuă să acționeze asupra receptorilor săi, ceea ce crește în mod necontrolat reglarea colinergică. Armele de luptă funcționează într-un mod similar. organofosfați(sarin, soman) și insecticide(karbofos, diclorvos).

Unele substanțe provoacă ireversibile inhibarea enzimatică. Să ne uităm la două exemple de acest fel.

Concentrații foarte scăzute de ioni de metale grele, cum ar fi ionii de mercur (Hg2+), argint (Ag+) și arsen (As+), precum și anumiți compuși care conțin iod complet inhiba unele enzime. Aceste substanțe se combină ireversibil cu grupările sulfhidril (-SH) din molecula enzimei (Fig. 4.13), iar grupările sulfhidril pot fi localizate atât în ​​locul activ al enzimei, cât și în afara acestuia. În orice caz, structura enzimei este perturbată și își pierde capacitatea de catalizare. Poate apărea și precipitarea proteinei enzimatice.

Altul exemplu de inhibiție ireversibilă- efectul fluorofosfatului de diizopropil (DFP), un compus din grupul agenților nervoși. DPP se leagă de un reziduu de aminoacid serină situat în situsul activ al enzimei acetilcolinesterazei. Această enzimă inactivează acetilcolina, care joacă rolul unui neurotransmițător. Una dintre funcțiile acetilcolinei este de a asigura transmiterea impulsurilor nervoase de la un neuron la altul prin fanta sinaptică.

Aproape imediat după transferul următorului Pulsul acetilcolinesterazei inactivează acetilcolina, împărțindu-și moleculele. Dacă adetilcolinesteraza este inhibată, apoi se acumulează acetilcolina, impulsurile nervoase urmează unul după altul, iar mușchiul nu se relaxează mult timp. În cele din urmă apare paralizia și poate apărea moartea, deoarece și mușchii sunt afectați. piept, ducând la stop respirator. Unele dintre insecticidele utilizate în prezent (ex. parathion) au același efect asupra insectelor. Nervos și sistemul muscular De asemenea, pot dăuna oamenilor.

Enzime alosterice

Una dintre cele mai comune moduri de reglare a căilor metabolice este prin reglare enzime alosterice. alosterică sunt enzime a căror acțiune „prin definiție” este asociată cu o schimbare a formei (alios - diferit, altele; stereos - formă).

Activitatea unor astfel de enzime este reglată de substanțe care acționează ca inhibitori necompetitivi. Aceste substanțe se atașează de enzime în locuri speciale îndepărtate de centrul activ și modifică activitatea enzimei, provocând o modificare reversibilă a structurii centrului activ.

Ca rezultat, se modifică și capacitatea substratului de a se lega de enzimă (cum diferă acest fenomen de inhibiție necompetitivă). Substantele care actioneaza in acest fel se numesc inhibitori alosterici. Figura explică mecanismul inhibiției alosterice.

Exemplu acest fenomen este o reacție care are loc în timpul glicolizei, care este una dintre etapele respirației celulare. Respirația celulară servește ca sursă de ATP. Dacă concentrația de ATP este mare, atunci ATP, acționând ca un inhibitor alosteric, inhibă activitatea uneia dintre enzimele glicolitice. Dacă metabolismul celular crește și, prin urmare, ATP este consumat și concentrația sa totală scade, atunci după ce inhibitorul este îndepărtat, această cale metabolică intră din nou în vigoare. Acesta poate servi, de asemenea, ca exemplu de inhibare a produsului final.

Acțiunea enzimelor poate fi complet sau parțial suprimată (inhibată) de anumite substanțe chimice - inhibitori (Fig. 8).

Prin natura actiunii sale inhibitori sunt împărțite în reversibile și ireversibile. Această diviziune se bazează pe puterea conexiunii dintre inhibitor și enzimă.

Inhibitori reversibile sunt conexiuni care necovalent interacționează cu enzima și se poate disocia de enzimă.

competitiv. Un inhibitor competitiv concurează cu substratul pentru legarea la locul de legare la substrat al situsului activ și se leagă de enzimă într-un mod similar cu substratul. Dar inhibitorul competitiv legat de enzimă nu suferă conversie enzimatică. Trăsătura distinctivă a inhibiției competitive este că poate fi slăbită sau complet eliminată de creşterea concentraţiei substratului. Multe medicamente sunt inhibitori competitivi ai enzimelor.

Exemplu. Medicamente sulfamide utilizate pentru tratarea bolilor infecțioase. Sulfonamidele sunt analogi structurali ai acidului para-aminobenzoic, din care se sintetizează o coenzimă (H 4 - folat) în celula microorganismului, care este implicată în biosinteza bazelor nucleice. Încălcarea sintezei acizilor nucleici duce la moartea microorganismelor.

Inhibarea reversibilă poate fi necompetitivîn raport cu substratul; în acest caz, inhibitorul nu concurează cu substratul pentru același loc în enzimă.

Un inhibitor necompetitiv se poate lega de enzimă în prezența sau absența unui substrat, creșterea concentrației substratului nu împiedică legarea inhibitorului (Fig. 9). Un inhibitor necompetitiv reduce de fapt cantitatea de enzimă activă.

Legarea conduce la o modificare a conformației enzimei și la perturbarea complementarității cu substratul. Inhibitorii necompetitivi se pot lega reversibil atât la enzima liberă, cât și la complexul ES. Cei mai importanți inhibitori necompetitivi sunt produșii metabolici intermediari formați într-o celulă vie care se pot lega reversibil de anumite locuri ale enzimelor (centri alosterici) și își pot modifica activitatea, care este una dintre modalitățile de reglare a metabolismului.

Inhibitori ireversibili - aceștia sunt compuși care pot lega în mod specific anumite grupări importante din punct de vedere funcțional ale centrului activ, formând covalente, legaturi puternice cu enzima. În același timp, ele se leagă ireversibil, adesea covalent, de complexul enzimă sau enzimă-substrat și modifică ireversibil conformația nativă. Acțiunea unor substanțe toxice se bazează pe inhibarea activității enzimatice, de exemplu, compușii arsenic, Hg 2+, Pb 2+

Exemplu Fluorofosfat de diizopropil inhibă enzimele care au serină în situsul activ. O astfel de enzimă este acetilcolinesteraza, care catalizează următoarea reacție:

Reacția are loc de fiecare dată când este condus un impuls nervos, înainte ca un al doilea impuls să fie transmis prin sinapsă. Fluorofosfatul de diizopropil este unul dintre agenții nervoși toxici, deoarece duce la pierderea capacității neuronilor de a conduce impulsurile nervoase.

Exemplu. Efectul terapeutic al aspirinei ca agent antipiretic și antiinflamator se explică prin faptul că aspirina inhibă una dintre enzimele care catalizează sinteza prostaglandinelor (PG). Prostaglandinele sunt substanțe implicate în dezvoltarea inflamației. Inhibarea se datorează modificării covalente a uneia dintre grupările amino ale enzimei - prostaglandin sintetaza.

Inhibarea enzimatică. Un inhibitor este o substanță care provoacă specific scăderea activității enzimatice. Trebuie făcută o distincție între inhibiție și inactivare. Inactivarea este, de exemplu, denaturarea unei proteine ​​ca rezultat al acțiunii agenților de denaturare.

Prin forța de legătură inhibitori cu inhibitori enzimatici sunt împărțite în reversibile și ireversibile.

Inhibitori ireversibili sunt strâns legate și distrug grupările funcționale ale moleculei de enzimă, care sunt necesare pentru manifestarea activității sale catalitice. Toate procedurile de purificare a proteinelor nu afectează legarea inhibitor-enzimă. Exemplu: efectul compușilor organofosforici asupra enzimei colinesterazei. Clorofosul, sarinul, somanul și alți compuși organofosforici se leagă la locul activ al colinesterazei. Ca urmare, are loc fosforilarea grupelor catalitice ale centrului activ al enzimei. Ca rezultat, moleculele de enzime asociate cu inhibitorul nu se pot lega de substrat și are loc o otrăvire severă.

De asemenea, distins inhibitori reversibili, de exemplu proserina pentru colinesteraza. Inhibarea reversibilă depinde de concentrația de substrat și inhibitor și este îndepărtată de excesul de substrat.

Prin mecanism de acțiune evidențiați:

Inhibarea competitivă;

Inhibarea necompetitivă;

Inhibarea substratului;

alosterică.

1) Inhibarea competitivă (izosterică).- Aceasta este inhibarea unei reacții enzimatice cauzată de legarea unui inhibitor la locul activ al enzimei. În acest caz, inhibitorul este similar cu substratul. În acest proces, are loc competiția pentru centrul activ: se formează complexe enzimă-substrat și inhibitor-enzimă. E+S®ES® EP® E+P; E+I® E. Exemplu: reacția succinat dehidrogenază [Fig. COOH-CH2-CH2-COOH® (deasupra săgeții SDH, sub FAD®FADN 2) COOH-CH=CH-COOH]. Adevăratul substrat al acestei reacții este succinatul (acidul succinic). Inhibitori: acid malonic (COOH-CH 2 -COOH) și oxalacetat (COOH-CO-CH 2 -COOH). [orez. enzimă cu 3 găuri + substrat + inhibitor = complex de inhibitor cu enzimă]

Ex: enzima colinesteraza catalizează conversia acetilcolinei în colină: (CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -O-CO-CH 3 ® (deasupra săgeții CHE, sub - apă) CH 3 COOH+ (CH 3 ) )3-N-CH2-CH2-OH. Inhibitorii competitivi sunt prozerina și sevinul.

2) Inhibarea necompetitivă– inhibiție asociată cu influența inhibitorului asupra transformării catalitice, dar nu și asupra legării enzimei de substrat. În acest caz, inhibitorul se poate lega atât de situsul activ (situsul catalitic), cât și în afara acestuia.

Adăugarea unui inhibitor în afara centrului activ duce la o modificare a conformației (structura terțiară) a proteinei, în urma căreia se modifică conformația centrului activ. Aceasta afectează locul catalitic și interferează cu interacțiunea substratului cu locul activ. În acest caz, inhibitorul nu este similar cu substratul și această inhibare nu poate fi îndepărtată prin excesul de substrat. Formarea de complexe enzima-inhibitor-substrat ternare este posibila. Viteza unei astfel de reacții nu va fi maximă.

Inhibitorii necompetitivi includ:

Cianuri. Ele se leagă de atomul de fier din citocrom oxidază și, ca urmare, enzima își pierde activitatea și pentru că Aceasta este o enzimă a lanțului respirator, apoi respirația celulelor este întreruptă și acestea mor.

Ioni de metale grele și compușii lor organici (Hg, Pb etc.). Mecanismul acțiunii lor este asociat cu legătura lor cu diferite grupări SH. [orez. enzimă cu grupări SH, ion de mercur, substrat. Toate acestea se combină într-un complex triplu]

O serie de agenți farmacologici care ar trebui să afecteze enzimele celulelor maligne. Aceasta include și inhibitorii utilizați în agricultură, substanțe toxice de uz casnic.

3) Inhibarea substratului (necompetitiv)– inhibarea reacţiei enzimatice cauzată de un exces de substrat. Apare ca urmare a formării unui complex enzimă-substrat care nu poate suferi transformarea catalitică. Poate fi îndepărtat și concentrația substratului redusă. [orez. legarea enzimei la 2 substraturi simultan]