Alle im Körper ablaufenden biochemischen Reaktionen unterliegen einer spezifischen Steuerung, die durch eine aktivierende oder hemmende Wirkung auf regulierende Enzyme erfolgt. Letztere stehen meist am Anfang von Ketten von Stoffwechselumwandlungen und starten entweder einen mehrstufigen Prozess oder verlangsamen ihn. Einige Einzelreaktionen unterliegen ebenfalls der Regulierung. Die kompetitive Hemmung ist einer der Hauptmechanismen zur Kontrolle der katalytischen Aktivität von Enzymen.
Was ist Hemmung?
Der Mechanismus der enzymatischen Katalyse beruht auf der Bindung des aktiven Zentrums des Enzyms an das Substratmolekül (ES-Komplex), was zu einer chemischen Reaktion mit Bildung und Freisetzung des Produkts führt (E+S=ES=EP=E+P).
Die Hemmung eines Enzyms ist eine Verringerung der Geschwindigkeit oder ein vollständiger Stopp des Katalyseprozesses. In einem engerenSinngemäß bedeutet dieser Begriff eine Abnahme der Affinität des aktiven Zentrums zum Substrat, die durch die Bindung von Enzymmolekülen an Inhibitorsubstanzen erreicht wird. Letztere können auf verschiedene Weise wirken, aufgrund derer sie in mehrere Typen eingeteilt werden, die den gleichnamigen Hemmmechanismen entsprechen.
Hauptarten der Hemmung
Wegen der Natur des Prozesses kann es zwei Arten von Hemmungen geben:
- Irreversibel - verursacht dauerhafte Veränderungen im Enzymmolekül, wodurch es seiner funktionellen Aktivität beraubt wird (letztere kann nicht wiederhergestellt werden). Sie kann entweder spezifisch oder unspezifisch sein. Der Inhibitor bindet durch kovalente Wechselwirkung stark an das Enzym.
- Reversible - die Hauptart der negativen Regulation von Enzymen. Es wird aufgrund der reversiblen spezifischen Bindung des Inhibitors an das Enzymprotein durch schwache nichtkovalente Bindungen durchgeführt, die einer kinetischen Beschreibung gemäß der Michaelis-Menten-Gleichung zugänglich sind (mit Ausnahme der allosterischen Regulation).
Es gibt zwei Hauptarten reversibler Enzymhemmung: kompetitiv (kann durch Erhöhung der Substratkonzentration abgeschwächt werden) und nicht-kompetitiv. Im letzteren Fall sinkt die maximal mögliche Katalysegeschwindigkeit.
Der Hauptunterschied zwischen kompetitiver und nicht-kompetitiver Hemmung liegt in der Bindungsstelle der regulatorischen Substanz an das Enzym. Im ersten Fall bindet der Inhibitor direkt an das aktive Zentrum, im zweiten Fall an eine andere Stelle des Enzyms oder an den Enzym-Substrat-Komplex.
Es gibt auch eine gemischte Art der Hemmung, bei der die Bindung an einen Inhibitor die Bildung von ES nicht verhindert, aber die Katalyse verlangsamt. In diesem Fall liegt die Reglersubstanz in der Zusammensetzung von Doppel- oder Dreifachkomplexen (EI und EIS) vor. Beim unkompetitiven Typ bindet das Enzym nur an ES.
Eigenschaften der reversiblen kompetitiven Hemmung von Enzymen
Der kompetitive Mechanismus der Hemmung beruht auf der strukturellen Ähnlichkeit der regulatorischen Substanz mit dem Substrat. Als Ergebnis wird ein Komplex des aktiven Zentrums mit dem Inhibitor gebildet, der herkömmlich als EI bezeichnet wird.
Reversible kompetitive Hemmung hat folgende Merkmale:
- Bindung an den Inhibitor erfolgt am aktiven Zentrum;
- Inaktivierung des Enzymmoleküls ist reversibel;
- die Hemmwirkung kann durch Erhöhung der Substratkonzentration verringert werden;
- Inhibitor beeinflusst nicht die maximale Geschwindigkeit der enzymatischen Katalyse;
- der EI-Komplex zerfallen kann, was durch die entsprechende Dissoziationskonstante gekennzeichnet ist.
Bei dieser Art der Regulation scheinen der Inhibitor und das Substrat miteinander um einen Platz im aktiven Zentrum zu konkurrieren (konkurrieren), daher der Name des Prozesses.
Infolgedessen kann die kompetitive Hemmung als reversibler Prozess der Hemmung der enzymatischen Katalyse definiert werden, basierend auf der spezifischen Affinität des aktiven Zentrums für die Inhibitorsubstanz.
Wirkungsmechanismus
Anbindungein Inhibitor mit einem aktiven Zentrum verhindert die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes, der für die Katalyse notwendig ist. Dadurch wird das Enzymmolekül inaktiv. Dennoch kann das katalytische Zentrum nicht nur an den Inhibitor, sondern auch an das Substrat binden. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung des einen oder anderen Komplexes hängt vom Konzentrationsverhältnis ab. Sind deutlich mehr Substratmoleküle vorhanden, reagiert das Enzym häufiger mit ihnen als mit dem Inhibitor.
Einfluss auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion
Der Grad der Hemmung der Katalyse während der kompetitiven Hemmung wird dadurch bestimmt, wie viel des Enzyms EI-Komplexe bildet. In diesem Fall ist es möglich, die Konzentration des Substrats so weit zu erhöhen, dass die Rolle des Inhibitors ersetzt wird und die Katalyserate den maximal möglichen Wert erreicht, der dem Wert Vmax entspricht.nach der Michaelis-Menten-Gleichung.
Dieses Phänomen ist auf die starke Verdünnung des Inhibitors zurückzuführen. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass Enzymmoleküle daran binden, auf null reduziert und aktive Zentren reagieren nur mit dem Substrat.
Kinetische Abhängigkeiten einer enzymatischen Reaktion mit einem kompetitiven Inhibitor
Kompetitive Hemmung erhöht die Michaelis-Konstante (Km), die gleich der Substratkonzentration ist, die erforderlich ist, um die Hälfte der maximalen Katalysegeschwindigkeit zu Beginn der Reaktion zu erreichen. Die Menge des hypothetisch an das Substrat bindefähigen Enzyms bleibt konstant, während die Zahl der ES-Komplexe hängt nur von der Konzentration des letzteren ab (EI-Komplexe sind nicht konstant und können durch das Substrat verschoben werden).
Die kompetitive Hemmung von Enzymen lässt sich leicht aus den Diagrammen der kinetischen Abhängigkeit bestimmen, die für verschiedene Konzentrationen des Substrats erstellt wurden. In diesem Fall ändert sich der Wert von Km, während Vmax konstant bleibt.
Bei der nicht-kompetitiven Hemmung ist das Gegenteil der Fall: Der Inhibitor bindet außerhalb des aktiven Zentrums und die Anwesenheit des Substrats kann dies in keiner Weise beeinflussen. Dadurch werden einige der Enzymmoleküle von der Katalyse „abgesch altet“, und die maximal mögliche Geschwindigkeit sinkt. Dennoch können aktive Enzymmoleküle sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Konzentrationen des letzteren leicht an das Substrat binden. Daher bleibt die Michaelis-Konstante konstant.
Graphen der kompetitiven Hemmung im System doppelter inverser Koordinaten sind mehrere Geraden, die die y-Achse im Punkt 1/V schneidenmax. Jede gerade Linie entspricht einer bestimmten Konzentration des Substrats. Unterschiedliche Schnittpunkte mit der Abszissenachse (1/[S]) weisen auf eine Änderung der Michaelis-Konstante hin.
Die Wirkung eines kompetitiven Inhibitors am Beispiel von Malonat
Ein typisches Beispiel für kompetitive Hemmung ist der Prozess der Verringerung der Aktivität von Succinat-Dehydrogenase, einem Enzym, das die Oxidation von Bernsteinsäure (Succinat) zu Fumarsäure katalysiert. Hier als InhibitorMalonat wirkt und hat eine strukturelle Ähnlichkeit mit Succinat.
Die Zugabe eines Inhibitors zum Medium bewirkt die Bildung von Komplexen von Malonat mit Succinatdehydrogenase. Eine solche Bindung schädigt das aktive Zentrum nicht, blockiert aber seine Zugänglichkeit für Bernsteinsäure. Eine Erhöhung der Succinatkonzentration verringert die Hemmwirkung.
Medizinische Verwendung
Die Wirkung vieler Medikamente, die strukturelle Analoga der Substrate einiger Stoffwechselwege sind, deren Hemmung ein notwendiger Teil der Behandlung von Krankheiten ist, basiert auf dem Mechanismus der kompetitiven Hemmung.
Um beispielsweise die Weiterleitung von Nervenimpulsen bei Muskeldystrophien zu verbessern, ist es erforderlich, den Acetylcholinspiegel zu erhöhen. Dies wird durch Hemmung der Aktivität seiner hydrolysierenden Acetylcholinesterase erreicht. Die Inhibitoren sind quartäre Ammoniumbasen, die Bestandteil von Arzneimitteln sind (Proresin, Endophonium etc.).
In eine spezielle Gruppe werden Antimetaboliten eingeteilt, die neben der inhibitorischen Wirkung die Eigenschaften eines Pseudosubstrats aufweisen. In diesem Fall führt die Bildung des EI-Komplexes zur Bildung eines biologisch inerten anomalen Produkts. Zu den Antimetaboliten gehören Sulfonamide (zur Behandlung bakterieller Infektionen), Nukleotid-Analoga (zur Verhinderung des Zellwachstums eines Krebstumors) usw.
