Inhibición competitiva

O etanol (C
2H
5OH) serve como un inhibidor competitivo do metanol (CH
3OH) e o etilén glicol ((CH
2OH)
2) para o encima alcohol deshidroxenase no fígado cando están presentes en grandes cantidades. Por esta razón, o etanol utilízase ás veces como medio para tratar ou impedir a toxicidade despois da inxestión accidental dos outros dous compostos químicos.

A inhibición competitiva é a interrupción dunha reacción ou ruta química debido a que unha substancia química inhibe o efecto doutra ao competir con ela para unirse ou enlazarse quimicamente a outra, xa sexa en encimoloxía ou noutros procesos químicos. Calquera sistema mensaxeiro metabólico ou químico podería ser afectado por este principio, pero varias clases de inhibición competitiva son especialmente importantes en bioquímica e medicina, incluíndo a inhibición encimática de tipo competitivo, a forma competitiva do antagonismo de receptor, a forma competitiva da actividade de antimetabolitos, e a forma competitiva dos envelenamentos (a cal pode incluír calquera dos tipos antes mencionados).

Inhibición competitiva encimática

Na inhibición competitiva da catálise encimática, a unión dun inhibidor impide a unión da molécula sobre a que actúa o encima, chamada substrato. Isto realízase bloqueando o sitio de unión do substrato –o sitio activo– por algún mecanismo. A V_max indica a velocidade máxima da reacción, mentres que a K_m é a cantidade de substancia necesaria para chegar á metade da V_max. A K_m tamén serve para indicar a tendencia do substrato a unirse ao encima. A inhibición competitiva pode ser superada engadindo máis substrato á reacción, o cal incrementa as posibilidades de que o encima e o substrato se unan. Como resultado, a inhibición competitiva altera soamente a K_m, deixando a V_max igual. Isto pode demostrarse usando gráficas da cinética encimática como a de Michaelis-Menten ou a de Lineweaver-Burk. Unha vez que o inhibidor se uniu ao encima, a pendente queda alterada, xa que a K_m fai aumentar ou diminuír a K_m orixinal da reacción.

A maioría dos inhibidores competitivos funcionan uníndose reversiblemente ao sitio activo do encima. Como resultado, moitas fontes afirman que esta é a característica definitoria dos inhibidores competitivos. Porén, isto é unha sobresimplificación que pode levar a cofusión, xa que hai moitos mecanismos posibles polos cales un encima pode unirse a un inhibidor ou ao substrato, pero nunca a ambos á vez. Por exemplo, os inhibidores alostéricos poden mostrar inhibición competitiva, non-competitiva ou incompetitiva (ou acompetitiva).

Mecanismo

Diagrama que mostra a inhibición competitiva

Na inhibición competitiva, un inhibidor que lembra ao substrato normal únese ao encima, xeralmente no sitio activo, e impide que se una o substrato. Nun momento dado, o encima pode estar unido ao inhibidor, ao substrato, ou a ningún dos dous, pero non pode estar unido a ambos ao mesmo tempo. Durante a inhibición competitiva, o inhibidor e o substrato compiten polo sitio activo. O sitio activo é a rexión do encima á cal se pode unir unha determinada proteína ou substrato. O sitio activo só permite que un dos dous complexos se una ao sitio, ou permite que se produza unha reacción ou renda un produto. Na inhibición competitiva un inhibidor parecido ao substrato ocupa o seu lugar ao unirse ao sitio activo do encima. Incrementando a concentración de substrato diminuirá a "competición" para que o substrato se una correctamente ao sitio activo e teña lugar a reacción. Cando o substrato está en maior concentración que o inhibidor competitivo, as probabilidades de que sexa o substrato quen se pon en contacto co sitio activo do encima son maiores que as que ten o inhibidor.

Os inhibidores competitivos utilízanse frecuentemente para fabricar fármacos. Por exemplo, o metotrexato é un quimioterápico que actúa como inhibidor competitivo. É estruturalmente similar ao coencima, o folato, que se une ao encima dihidrofolato redutase. Este encima intervén na síntese do ADN e ARN, e cando o metotrexato se une ao encima, fai que este quede inactivo, así que non se pode sintetizar ADN ou ARN. Nesas circunstancias, as células cancerosas son, pois, incapaces de crecer e dividirse. Outro exemplo: as prostaglandinas prodúcense en grandes cantidades como resposta á dor e poden causar inflamación. Os ácidos graxos esenciais utilízanse para formar as prostaglandinas; cando se descubriu isto, resultou que estes eran tamén inhibidores moi bos dos efectos das prostaglandinas. Estes ácidos graxos inhibidores foron utilizados como fármacos para aliviar a dor porque poden actuar como substrato, e unirse ao encima que sintetiza as prostaglandinas, e bloquear a súa produción.

Un exemplo de inhibición competitiva non relacionada con fármacos é a que intervén na prevención do murchamento de froitas e verduras. Por exemplo, a tirosinase, un encima dos cogomelos, normalmente se une aos seus substratos, os monofenois, e forma o-quinonas marróns.Os substratos competitivos, como os benzaldehidos substituídos na posición 4 dos cogomelos, compiten co substrato rebaixando a cantidade de monofenois que se unen. Estes compostos inhibidores engadidos para facer que os vexetais se manteñan frescos durante longos períodos de tempo ao diminuíren a unión de monofenois que causan que murchen. Isto permite un incremento da vida do produto nas tendas.

A inhibición competitiva pode ser reversible ou irreversible. Se é unha inhibición reversible, entón os efectos da inhibición poden ser superados incrementando a concentración de substrato. Se é irreversible, a única maneira de superalo é producindo máis encima (e degradar ou excretar o encima inhibido irreversiblemente).

Virtualmente en todos os casos, os inhibidores competitivos únense no mesmo sitio de unión (o sitio activo) que o substrato, pero non é imprescindible que sexa o mesmo sitio de unión. Un inhibidor competitivo podería unirse a un sitio alostérico do encima libre e impedir a unión do substrato, con tal de que non se una ao sitio alostérico no momento en que o substrato está unido ao encima. Por exemplo, a estricnina actúa como un inhibidor alostérico do receptor da glicina na medula espiñal e no tronco cerebral de mamíferos. A glicina é un importante neurotransmisor postsináptico cun sitio receptor específico. A estricnina únese a un sitio alternativo que reduce a afinidade do receptor da glicina pola glicina, o que ten como resultado convulsións debido á diminución da inhibición pola glicina.

Na inhibición competitiva, a velocidade máxima ($V_{\max }$) non cambia, mentres que a afinidade aparente do substrato co sitio de unión diminúe (a constante de disociación $K_{d}$ aparentemente aumenta). O cambio na $K_{m}$ (constante de Michaelis-Menten) é paralelo á alteración de $K_{d}$, xa que mentres unha aumenta a outra debe diminuír. Cando un inhibidor competitivo se une a un encima, a $K_{m}$ increméntase. Isto significa que a afinidade de unión polo encima diminúe, pero isto pode ser superado incrementando a concentración do substrato. O efecto de calquera concentración dada de inhibidor competitivo pode ser superada incrementando a concentración de substrato. Nese caso, o substrato reducirá a dispoñibilidade de moléculas inhibidoras que se poidan unir, e así, supera na competición ao inhibidor á hora de unirse ao encima.

A inhibición competitiva pode ser tamén alostérica, sempre e cando o inhibidor e o substrato non se poidan unir ao encima ao mesmo tempo.

Exemplos biolóxicos

Despois dunha inxestión accidental dunha droga opiácea contaminada, a desmetilprodina, descubriuse o efecto neurotóxico da 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP). A MPTP pode cruzar a barreira hematoencefálica e entrar nos lisosomas ácidos. A MPTP é activada bioloxicamente pola MAO-B, un isocima da monoamino oxidase (MAO) que está concentrada principalmente nos trastornos e doenzas neurolóxicos. Posteriormente, descubriuse que a MPTP causa síntomas similares á enfermidade de Parkinson. As células do sistema nervioso central (astrocitos) teñen MAO-B que oxida MPTP a 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP+), que é tóxico. O MPP+ viaxa finalmente ao fluído extracelular por medio dun transportador de dopamina, o que en último extremo causa os síntomas do párkinson. Porén, a inhibición competitiva do encima MAO-B ou o transportador de dopamina protexe contra a oxidación da MPTP a MPP+. Testáronse algúns compostos para comprobar a súa capacidade de inhibir a oxidación da MPTP a MPP+, como o azul de metileno, o 5-nitroindazol, o norharman, o 9-metilnorharman e a menadiona. Estes demostraron unha redución da neurotoxicidade producida pola MPTP.

Gráfica de Michaelis-Menten da velocidade de reacción (v) fronte á concentración de substrato [S] da actividade encimática normal (1) comparada coa actividade encimática cun inhibidor competitivo (2). Engadindo un inhibidor competitivo a unha reacción encimática incrementa a K_m da reacción, pero a V_max permanece igual.

A gráfica de Lineweaver-Burk, que é a gráfica de Michaelis–Menten recíproca, que representa a velocidade recíproca (1/V) fronte á concentración de substrato recíproca (1/[S]) da actividade encimática normal (azul) comparada coa actividade encimática cun inhibidor competitivo (vermello). Engadindo un inhibidor competitivo a unha reacción encimática increméntase a K_m da reacción, pero a V_max permanece igual.

As sulfamidas tamén actúan como inhibidores competitivos. Por exemplo, a sulfanilamida únese competitivamente a un encima no sitio activo da dihidropteroato sintase (DHPS) ao imitar o substrato ácido para-aminobenzoico (PABA). Isto impide que se una o propio substrato, o cal detén a produción de ácido fólico, un nutriente esencial. As bacterias deben sintetizar ácido folico porque non teñen un transportador para el. Sen ácido fólico, as bacterias non poden crecer e dividirse. Polo tanto, debido á inhibición competitiva dos fármacos sulfamidas, estes son excelentes axentes antibacterianos.

Un exemplo de inhibición competitiva demostrouse experimentalmente no encima succinato deshidroxenase, que cataliza a oxidación do succinato a fumarato no ciclo do ácido cítrico ou de Krebs. O malonato é un inhibidor competitivo da succinato deshidroxenase. A unión da succinato deshidroxenase ao substrato, o succinato, está inhibida competitivamente. Isto acontece porque a química do malonato é similar á do succinato. A capacidade do malonato de inhibir a unión do encima e o substrato está baseada na proporción de malonato a succinato. O malonato únese ao sitio activo da succinato deshidroxenase para que o succinato non poida facelo. Así, inhibe a reacción.

Outro posible mecanismo para a inhibición alostérica competitiva.

Ecuación

O modelo de Michaelis-Menten pode ser unha ferramenta valiosa para comprender a cinética encimática. Segundo este modelo, unha gráfica da velocidade de reacción (V₀) asociada á concentración de substrato [S] pode entón utilizarse para determinar valores como V_max, velocidade inicial e K_m (V_max/2 ou afinidade do complexo encima-substrato).

A inhibición competitiva incrementa o valor aparente da constante de Michaelis-Menten, $K_{m}^{\text{app}}$, tal que a velocidade da reacción, $V_{0}$, vén dada por

$V_{0}={\frac {V_{\max }\,[S]}{K_{m}^{\text{app}}+[S]}}$

onde $K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})$, $K_{i}$ é a constante de disociación do inhibidor e $[I]$ é a concentración do inhibidor.

$V_{\max }$ permanece igual porque a presenza do inhibidor pode ser superada por unha concentración maior do substrato. $K_{m}^{\text{app}}$, a concentración de substrato que cómpre para chegar a $V_{\max }/2$, increméntase coa presenza dun inhibidor competitivo. Isto débese a que a concentración de substrato necesaria para chegar á $V_{\max }$ cun inhibidor é maior que a concentración de substrato necesaria para chegar á $V_{\max }$ sen inhibidor.

Derivación

No caso máis simple dun encima cun só substrato que obedeza á cinética de Michaelis-Menten, o esquema típico

${\ce {E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P}}$

modifícase para incluír a unión do inhibidor con encimas libres:

${\ce {EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I}}$

Nótese que o inhibidor non se une ao complexo ES e o substrato non se une ao complexo EI. Asúmese xeralmente que este comportamento é indicativo da unión de ambos os compostos ao mesmo sitio, pero que non é estritamente necesario. Como na derivación da ecuación de Michaelis-Menten, suponse que o sistema está no estado estacionario, é dicir, a concentración de cada unha das especies de encima non está cambiando.

${\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}={\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}={\frac {d[{\ce {EI}}]}{dt}}=0.$

Ademais, a concentración de encima total coñecida é $[{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]$, e a velocidade mídese en condicións nas que as concentración de substrato e inhibidor non cambian substancialmente e acumulouse unha cantidade insignificante de produto.

Polo tanto, podemos utilizar o seguinte sistema de ecuacións:

$[{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]$

 

 

 

 

(1)

${\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}=0=-k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]+k_{-1}[{\ce {ES}}]+k_{2}[{\ce {ES}}]-k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}]+k_{-3}[{\ce {EI}}]$

 

 

 

 

(2)

${\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}=0=k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]-k_{-1}[{\ce {ES}}]-k_{2}[{\ce {ES}}]$

 

 

 

 

(3)

${\frac {d[{\ce {EI}}]}{dt}}=0=k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}]-k_{-3}[EI]$

 

 

 

 

(4)

onde se coñecen ${\ce {[S], [I]}}$ e ${\ce {[E]_0}}$. A velocidade inicial defínese como $V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]$, así que necesitamos definir a ${\ce {[ES]}}$ descoñecida en relación ás ${\ce {[S], [I]}}$ e ${\ce {[E]_0}}$ coñecidas.

Da ecuación (3), podemos definir E en termos de ES rearranxándoa a

$k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]=(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]$

Dividindo por $k_{1}[{\ce {S}}]$ dá

$[{\ce {E}}]={\frac {(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}{k_{1}[{\ce {S}}]}}$

Como na derivación da ecuación de Michaelis-Menten, o termo $(k_{-1}+k_{2})/k_{1}$ pode ser substituído por unha constante de velocidade macroscópica $K_{m}$:

$[{\ce {E}}]={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}$

 

 

 

 

(5)

Substituíndo a ecuación (5) na ecuación (4), temos

$0={\frac {k_{3}[{\ce {I}}]K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}-k_{-3}[{\ce {EI}}]$

Operando, obtemos que

$[{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}k_{3}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{k_{-3}[{\ce {S}}]}}$

Neste momento, podemos definir a constatne de disociación para o inhibidor como $K_{i}=k_{-3}/k_{3}$, dando

$[{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}$

 

 

 

 

(6)

Agora, substituímos a ecuación (5) e a ecuación (6) na ecuación (1):

$[{\ce {E}}]_{0}={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}+[{\ce {ES}}]+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}$

Operando para despexar ES, temos

$[{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {ES}}]\left({\frac {K_{m}}{\ce {[S]}}}+1+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}\right)=[{\ce {ES}}]{\frac {K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}$

$[{\ce {ES}}]={\frac {K_{i}[{\ce {S}}][{\ce {E}}]_{0}}{K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}}$

 

 

 

 

(7)

Volvendo á nosa expresión de $V_{0}$, agora temos:

$V_{0}=k_{2}[{\ce {ES}}]={\frac {k_{2}K_{i}[{\ce {S}}][{\ce {E}}]_{0}}{K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}}$

$V_{0}={\frac {k_{2}[{\ce {E}}]_{0}[{\ce {S}}]}{K_{m}+[{\ce {S}}]+K_{m}{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}}}$

Dado que a velocidade é máxima cando todos os encimas está unidos en forma complexo encima-substrato, $V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}$. Substituíndo e combinando termos obtemos finalmente a forma convencional:

$V_{0}={\frac {V_{\max }[{\ce {S}}]}{K_{m}\left(1+{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}\right)+[{\ce {S}}]}}$

 

 

 

 

(8)

Para computar a concentración de inhibidor competitivo ${\ce {[I]}}$ que produce unha fracción $f_{V{_{0}}}$ da velocidade $V_{0}$ onde $0<f_{V{_{0}}}<1$:

$[{\ce {I}}]=\left({\frac {1}{f_{V{_{0}}}}}-1\right)K_{i}\left(1+{\frac {[{\ce {S}}]}{K_{m}}}\right)$

 

 

 

 

(9)

Véxase tamén

Outros artigos

• Regresión de Schild para a inhibición da unión ligando-receptor
• Inhibición non-competitiva