Inhibición non-competitiva

Non confundir con Inhibición incompetitiva.

A inhibición non-competitiva é un tipo de inhibición encimática na cal o inhibidor reduce a actividade do encima e pode unirse ao encima tanto se este está xa unido ao substrato coma se non. Isto é diferente da inhibición competitiva, na cal a afinidade de unión ao substrato do encima diminúe en presenza dun inhibidor.

Aínda que o inhibidor pode unirse ao encima tanto se o substrato está xa unido ao encima coma se non, cando ten unha maior afnidade para unirse ao encima nun deses estados, é denominado inhibidor mixto.

Historia

Leonor Michaelis, durante os anos en que taballou como médico, e o seu amigo Peter Rona construíron un laboratorio compacto no seu hospital, e no decurso de cinco anos Michaelis fixo 100 publicacións. Durante as súas investigacións no hospital, foi o primeiro en decatarse dos diferentes tipos de inhibición; concretamente usndo frutosa e glicosa como inhibidores da actividade da maltase. A maltase rompe a maltosa en dúas unidadeds de glicosa. Os decubrimentos conseguidos neste experimento serviron para ver a diferenza entre a inhibición non-competitiva e a competitiva. A inhibición non-competitiva afecta o valor da k_cat (pero non á K_m) nas gráficas; este inhibidor únese a un sitio que ten especificidade por certa molécula. Michaelis determinou que cando se une o inhibidor, o encima queda inactivado.

Igual que moitos outros científicos do seu tempo, Leonor Michaelis e Maud Menten traballaron na reacción que se usaba para cambiar a composición da sacarosa e a lisaba dando dous produtos: frutosa e glicosa. O encima implicado nesta reacción chámase invertase, e é o encima cuxa cinética ía ser revolucionaria para explicar a cinética doutros encimas. Cando expresaban a velocidade da reacción estudada, derivaron unha ecuación que describía a velocidade dunha maneira que suxería que dependía principalmente da concentración do encima, así como da presenza do substrato, pero só ata certo punto.

Adrian John Brown e Victor Henri sentaron as bases para o descubrimento da cinética encimática pola que son coñecidos Michaelis e Menten. Brown concibiu teoricamente o mecanismo agora aceptado para a cinética encimática, pero non tiña datos cuantitativos para proclamalo. Victor Henri fixo contribucións significativas á cinética encimática durante a súa tese de doutoramento, aínda que non sinalaron a importancia das concentracións de ión hidróxeno e a mutarrotación da glicosa. O obxectivo da tese de Henri era comparar os seus coñecementos sobre as reaccións catalizadas por encimas coas leis recoñecidas pola química física. A Henri atribúeselle ser o primeiro en escribir a ecuación que agora se coñece como ecuación de Michaelis-Menten. Usando a glicosa e a frutosa nas reaccións catalíticas controladas pola maltase e a invertase, Leonor Michaelis foi o primeiro científico en distinguir os diferentes tipos de inhibición usando a escala de pH, que non existía nos tempos de Henri.

Durante o seu traballo de descrición da velocidade desta reacción, eles tamén testaron e extrapolaron a idea do científico Victor Henri de que ese encima que estaban usando tiña algunha afinidade por ambos os produtos desta reacción: frutosa e glicosa. Usando os métodos de Henri, Michaelis e Menten perfeccionaron este concepto do método da velocidade inicial para os experimentos de estado estacionario. Estudaron a inhibición e atoparon que a inhibición non-competitiva (mixta) se caracteriza polo seu efecto sobre a k_cat (velocidade de catalizador) mentes que a competitiva se caracteriza polo seu efecto sobre a velocidade (V). Os experimentos de Michaelis e Menten centráronse principalmente nos efectos do pH na invertase usando ións hidróxeno. A invertase é un encima atopado en extractos extracelulares de lévedos que catalizaba unha reacción por hidrólise ou invertía a sacarosa a “azucre invertido.” A razón principal para usar a invertase era que con esta podían facerse doadamente ensaios e os experimentos podían realizarse con maior rapidez. A sacarosa compórtase nos polarímetros como dextrorrotatoria ou D mentres que o azucre invertido é levorrotatoria ou L. Isto facía que rastrear a inversión do azucre fose relativamente sinxelo. Tamén atoparon que nas reaccións catalizadas pola invertase se liberaba α-D-glicosa, a cal é moi inestable e cambia espontaneamente a β-D-glicosa. Aínda que están ambas na forma dextrorrotatoria, isto foi polo que eles se decataron que a glicosa pode cambiar espontaneamente, o que se chama mutarrotación. O feito de que antes non se tivese en conta foi unha das principais razóns de que os experimentos de Henri quedasen curtos. Usando a invertase para catalizar a inversión da sacarosa, podían ver a rapidez coa que estaba reaccionando o encima por polarimetía; polo tanto, puideron comprobar que a inhibición non-competitiva ocorría na reacción na que a sacarosa era invertida pola invertase.

Terminoloxía

É importante sinalar que mentres que todos os inhibidores non-competitivos se unen ao encima en sitios alostéricos (é dicir, localizacións distintas do seu sitio activo), non todos os inhibidores que se unen a un sitio alostérico son inhibidores non-competitivos. De feito, os inhibidores alostéricos poden actuar como inhibidores competitivos, non-competitivos ou incompetitivos (acompetitivos).

En ocasións a terminoloxía é algo confusa, porque moitas fontes continúan a fundir estes dous termos (alostérico, non-competitivo), ou dan unha definición de inhibición alostérica como definición de inhibición non-competitiva.

Mecanismo

Ilustración dun posible mecanismo de inhibición non-competitiva ou inhibición mixta.

A inhibición non-competitiva modeliza un sistema no que o inhibidor e o substrato poden estar ambos unidos ao encima nun momento dado. Cando están unidos tanto o substrato coma o inhibidor, o complexo encima-substrato-inhibidor non pode formar o produto e só pode converterse de novo no complexo encima-substrato ou o complexo encima-inhibidor. A inhibición non-competitiva distínguese da inhibición mixta xeral en que o inhibidor ten unha afinidade igual polo encima que polo complexo encima-substrato.

Por exemplo, nas reaccións catalizadas por encimas da glicólise, a acumulación de fosfoenolpiruvato é catalizada pola piruvato quinase para formar piruvato. A alanina é un aminoácido que se sintetiza a partir do piruvato e tamén inhibe o encima piruvato quinase durante a glicólise. A alanina é un inhibidor non-competitivo, polo tanto únese fóra do sitio activo ao substrato para que este siga sendo o produto final.

Outro exemplo de inhibición non-competitiva é o da inhibición pola glicosa 6-fosfato da hexoquinase no cerebro. Os carbonos 2 e 4 da glicosa 6-fosfato conteñen grupos hidroxilo que se unen xunto co fosfato ao carbono 6 do complexo encima-inhibidor. O substrato e o encima son diferentes nas combinacións de grupos ás que se une o inhibidor. A capacidade da glicosa 6-fosfato de unirse en diferentes lugares ao mesmo tempo fai que sexa un inhibidor non-competitivo.

O mecanismo máis común de inhibición non-competitiva implica a unión reversible do inhibidor a un sitio alostérico, pero é posible que o inhibidor funcione por outros medios, como pode ser a unión directa ao sitio activo. Diferénciase da inhibición competitiva en que a unión do inhibidor non impide a unión do substrato, e viceversa, senón que simplemente impide a formación do produto durante un período de tempo limitado.

Este tipo de inhibición reduce a velocidade máxima dunha reacción química sen cambiar a afinidade de unión aparente do catalizador polo substrato (K_m^ap ; ver cinética de Michaelis-Menten). Cando se engade o inhibidor non-competitivo, a V_max cambia, mentres que a K_m permanece inalterada. De acordo coa gráfica de Lineweaver-Burk, a V_max redúcese durante a adición dun inhibidor non-competitivo, que se mostra na gráfica por un cambio na pendente e no punto de corte co eixe Y cando se engade un inhibidor non-competitivo.

A diferenza primaria entre a inhibición competitiva e non-competitiva é que a competitiva afecta a capacidade do substrato de unirse a un inhibidor en lugar do substrato, o cal rebaixa a afinidade do encima polo substrato. Na inhibición non-competitiva, o inhibidor únese a un sitio alostérico e impide que o complexo encima substrato realice a reacción química. Isto non afecta a K_m (afinidade) do encima (polo substrato). A inhibición non-competitiva difire da incompetitiva en que permite que o substrato se una ao complexo encima-inhibidor e forme un complexo encima-substrato-inhibidor, o cal non é así na inhibición incompetitiva, a cal impide que o substrato se una ao inhibidor do encima por medio dun cambio conformacional por unión alostérica.

Ecuación

En presenza dun inhibidor non-competitivo, a afinidade aparente do encima equivale á afinidade real. En termos da cinética de Michaelis-Menten, K_m^ap = K_m. Isto pode considerarse unha consecuencia do principio de Le Chatelier porque o inhibidor se une igualmente tanto ao encima coma ao complexo encima-substrato para que o equilibrio se manteña. Porén, como algúns encimas están sempre inhibidos e non converten o substrato en produto, a concentración efectiva do encima está diminuída.

Matematicamente,

$V_{max}^{ap}={\frac {V_{max}}{1+{\frac {[I]}{K_{I}}}}}$

${aparente\ [E]_{0}}={\frac {[E]_{0}}{1+{\frac {[I]}{K_{I}}}}}$

Exemplo: inhibidores non-competitivos do encima CYP2C9

Inhibidores non-competitivos do encima CYP2C9 son a nifedipina, a tranilcipromina, o fenetil isotiocianato e a 6-hidroxiflavona. As simulacións por computador e os mutantes substituídos construídos indican que o sitio de unión non-competitiva da 6-hidroxiflavona é o sitio de unión alostérico do encima CYP2C9.