Inhibición competitiva

Interrupción de una vía química.

Etanol ( C
₂h
₅OH ) sirve como inhibidor competitivo del metanol ( CH
₃OH ) y etilenglicol ( (CH ₂ OH) ₂ ) para la enzima alcohol deshidrogenasa en el hígado cuando está presente en grandes cantidades. Por esta razón, el etanol a veces se utiliza como medio para tratar o prevenir la toxicidad tras la ingestión accidental de estos productos químicos.

La inhibición competitiva es la interrupción de una vía química debido a que una sustancia química inhibe el efecto de otra al competir con ella por unirse o unirse . Cualquier sistema mensajero metabólico o químico puede verse potencialmente afectado por este principio, pero varias clases de inhibición competitiva son especialmente importantes en bioquímica y medicina , incluida la forma competitiva de inhibición enzimática , la forma competitiva de antagonismo de receptores , la forma competitiva de actividad antimetabolita , y la forma competitiva de intoxicación (que puede incluir cualquiera de los tipos antes mencionados).

Tipo de inhibición enzimática

En la inhibición competitiva de la catálisis enzimática , la unión de un inhibidor evita la unión de la molécula objetivo de la enzima, también conocida como sustrato. ^[1] Esto se logra bloqueando el sitio de unión del sustrato (el sitio activo) de alguna manera. La Vmax _indica la velocidad máxima de la reacción, mientras que el Km _es la cantidad de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la _Vmax . K _m también desempeña un papel al indicar la tendencia del sustrato a unirse a la enzima. ^[2] La inhibición competitiva se puede superar agregando más sustrato a la reacción, lo que aumenta las posibilidades de que la enzima y el sustrato se unan. Como resultado, la inhibición competitiva altera sólo el Km _, dejando el Vmax _igual . ^[3] Esto se puede demostrar utilizando gráficos de cinética enzimática como el de Michaelis-Menten o el de Lineweaver-Burk . Una vez que el inhibidor se une a la enzima, la pendiente se verá afectada, ya que la K _m aumenta o disminuye con respecto a la K _m original de la reacción. ^{[4] [5] [6]}

La mayoría de los inhibidores competitivos funcionan uniéndose reversiblemente al sitio activo de la enzima. ^[1] Como resultado, muchas fuentes afirman que esta es la característica definitoria de los inhibidores competitivos. ^[7] Esto, sin embargo, es una simplificación excesiva y engañosa , ya que hay muchos mecanismos posibles mediante los cuales una enzima puede unirse al inhibidor o al sustrato, pero nunca a ambos al mismo tiempo. ^[1] Por ejemplo, los inhibidores alostéricos pueden mostrar inhibición competitiva, no competitiva o no competitiva . ^[1]

Mecanismo

Diagrama que muestra la inhibición competitiva.

En la inhibición competitiva, un inhibidor que se parece al sustrato normal se une a la enzima, generalmente en el sitio activo , e impide que el sustrato se una. ^[8] En cualquier momento dado, la enzima puede estar unida al inhibidor, al sustrato o a ninguno de los dos, pero no puede unirse a ambos al mismo tiempo. Durante la inhibición competitiva, el inhibidor y el sustrato compiten por el sitio activo. El sitio activo es una región de una enzima a la que se puede unir una proteína o sustrato particular. Por tanto, el sitio activo sólo permitirá que uno de los dos complejos se una al sitio, permitiendo que se produzca una reacción o provocándola. En la inhibición competitiva, el inhibidor se parece al sustrato, ocupa su lugar y se une al sitio activo de una enzima. Aumentar la concentración del sustrato disminuiría la "competencia" para que el sustrato se una adecuadamente al sitio activo y permita que se produzca una reacción. ^[3] Cuando el sustrato tiene una concentración mayor que la concentración del inhibidor competitivo, es más probable que el sustrato entre en contacto con el sitio activo de la enzima que con el del inhibidor.

Los inhibidores competitivos se utilizan comúnmente para fabricar productos farmacéuticos. ^[3] Por ejemplo, el metotrexato es un fármaco de quimioterapia que actúa como un inhibidor competitivo. Es estructuralmente similar a la coenzima folato , que se une a la enzima dihidrofolato reductasa . ^[3] Esta enzima es parte de la síntesis de ADN y ARN, y cuando el metotrexato se une a la enzima, la inactiva, de modo que no puede sintetizar ADN y ARN. ^[3] Por lo tanto, las células cancerosas no pueden crecer ni dividirse. Otro ejemplo: las prostaglandinas se producen en grandes cantidades como respuesta al dolor y pueden provocar inflamación. Los ácidos grasos esenciales forman las prostaglandinas; cuando se descubrió esto, resultó que en realidad eran muy buenos inhibidores de las prostaglandinas. Estos inhibidores de ácidos grasos se han utilizado como medicamentos para aliviar el dolor porque pueden actuar como sustrato, unirse a la enzima y bloquear las prostaglandinas. ^[9]

Un ejemplo de inhibición competitiva no relacionada con fármacos es la prevención del oscurecimiento de frutas y verduras. Por ejemplo, la tirosinasa , una enzima de los hongos, normalmente se une al sustrato, los monofenoles , y forma o-quinonas marrones. ^[10] Los sustratos competitivos, como los benzaldehídos 4-sustituidos para los hongos, compiten con el sustrato reduciendo la cantidad de monofenoles que se unen. Estos compuestos inhibidores agregados al producto lo mantienen fresco por períodos de tiempo más prolongados al disminuir la unión de los monofenoles que causan el oscurecimiento. ^[10] Esto permite un aumento en la calidad del producto y en su vida útil.

La inhibición competitiva puede ser reversible o irreversible. Si se trata de una inhibición reversible , los efectos del inhibidor se pueden superar aumentando la concentración del sustrato. ^[8] Si es irreversible, la única forma de superarlo es producir más objetivo (y normalmente degradar y/o excretar el objetivo irreversiblemente inhibido).

Prácticamente en todos los casos, los inhibidores competitivos se unen en el mismo sitio de unión (sitio activo) que el sustrato, pero la unión en el mismo sitio no es un requisito. Un inhibidor competitivo podría unirse a un sitio alostérico de la enzima libre y evitar la unión del sustrato, siempre que no se una al sitio alostérico cuando el sustrato está unido. Por ejemplo, la estricnina actúa como un inhibidor alostérico del receptor de glicina en la médula espinal y el tronco del encéfalo de los mamíferos. La glicina es un importante neurotransmisor inhibidor postsináptico con un sitio receptor específico. La estricnina se une a un sitio alternativo que reduce la afinidad del receptor de glicina por la glicina, lo que provoca convulsiones debido a la disminución de la inhibición de la glicina. ^[11]

En la inhibición competitiva, la velocidad máxima ( ) de la reacción no cambia, mientras que la afinidad aparente del sustrato al sitio de unión disminuye (la constante de disociación aparentemente aumenta). El cambio en ( constante de Michaelis-Menten ) es paralelo a la alteración en , a medida que uno aumenta, el otro debe disminuir. Cuando un inhibidor competitivo se une a una enzima, aumenta. Esto significa que la afinidad de unión por la enzima disminuye, pero se puede superar aumentando la concentración del sustrato. ^[12] Cualquier concentración de inhibidor competitivo dada puede superarse aumentando la concentración del sustrato. En ese caso, el sustrato reducirá la disponibilidad para que un inhibidor se una y, por lo tanto, superará al inhibidor en la unión a la enzima. ^[12] ${\displaystyle V_{\max }}$ ${\displaystyle K_{d}}$ ${\displaystyle K_{m}}$ ${\displaystyle K_{d}}$ ${\displaystyle K_{m}}$

La inhibición competitiva también puede ser alostérica, siempre que el inhibidor y el sustrato no puedan unirse a la enzima al mismo tiempo.

Ejemplos biológicos

Después de una ingestión accidental de un fármaco opioide contaminado, desmetilprodina , se descubrió el efecto neurotóxico de la 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina ( MPTP ). MPTP es capaz de cruzar la barrera hematoencefálica y entrar en los lisosomas ácidos . ^[13] El MPTP es activado biológicamente por la MAO-B, una isoenzima de la monoaminooxidasa (MAO) que se concentra principalmente en trastornos y enfermedades neurológicas. ^[14] Posteriormente, se descubrió que el MPTP provoca síntomas similares a los de la enfermedad de Parkinson . Las células del sistema nervioso central (astrocitos) incluyen MAO-B que oxida el MPTP a 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP+), que es tóxico. ^[13] MPP+ finalmente viaja al líquido extracelular mediante un transportador de dopamina , lo que finalmente causa los síntomas de Parkinson. Sin embargo, la inhibición competitiva de la enzima MAO-B o del transportador de dopamina protege contra la oxidación de MPTP a MPP+. Se ha probado la capacidad de algunos compuestos para inhibir la oxidación de MPTP a MPP+, incluidos el azul de metileno , el 5-nitroindazol, el norharman , el 9-metilnorharman y la menadiona . ^[14] Estos demostraron una reducción de la neurotoxicidad producida por MPTP.

Gráfico de Michaelis-Menten de la velocidad de reacción (v) frente a la concentración de sustrato [S] de la actividad enzimática normal (1) en comparación con la actividad enzimática con un inhibidor competitivo (2). Agregar un inhibidor competitivo a una reacción enzimática aumenta la Km _de la reacción, pero la Vmax _sigue siendo la misma.

Gráfico de Lineweaver-Burk, el recíproco del gráfico de Michaelis-Menten, del recíproco de la velocidad (1/V) frente al recíproco de la concentración de sustrato (1/[S]) de la actividad enzimática normal (azul) en comparación con la actividad enzimática con un inhibidor competitivo (rojo). Agregar un inhibidor competitivo a una reacción enzimática aumenta la Km _de la reacción, pero la Vmax _sigue siendo la misma.

Las sulfonamidas también actúan como inhibidores competitivos. Por ejemplo, la sulfanilamida se une competitivamente a la enzima en el sitio activo de la dihidropteroato sintasa (DHPS) imitando el sustrato ácido paraaminobenzoico (PABA). ^[15] Esto evita que el sustrato se una, lo que detiene la producción de ácido fólico, un nutriente esencial. Las bacterias deben sintetizar ácido fólico porque no tienen un transportador para ello. Sin ácido fólico, las bacterias no pueden crecer ni dividirse. Por lo tanto, debido a la inhibición competitiva de las sulfas, son excelentes agentes antibacterianos. Un ejemplo de inhibición competitiva se demostró experimentalmente para la enzima succínico deshidrogenasa, que cataliza la oxidación del succinato a fumarato en el ciclo de Krebs . El malonato es un inhibidor competitivo de la succínico deshidrogenasa. La unión de la succínico deshidrogenasa al sustrato, el succinato, se inhibe competitivamente. Esto sucede porque la química del malonato es similar a la del succinato. La capacidad del malonato para inhibir la unión de la enzima y el sustrato se basa en la proporción de malonato a succinato. El malonato se une al sitio activo de la succínico deshidrogenasa, de modo que el succinato no puede hacerlo. Por tanto, inhibe la reacción. ^[dieciséis]

Otro posible mecanismo de inhibición competitiva alostérica.

Ecuación

El modelo Michaelis-Menten puede ser una herramienta invaluable para comprender la cinética enzimática. Según este modelo, se puede utilizar una gráfica de la velocidad de reacción (V _{0 ) asociada con la concentración [S] del sustrato para determinar valores como Vmax} , velocidad inicial y Km ₍ Vmax _/ 2 o afinidad). de enzima a complejo de sustrato). ^[4]

La inhibición competitiva aumenta el valor aparente de la constante de Michaelis-Menten , de modo que la velocidad de reacción inicial, está dada por ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$ ${\displaystyle V_{0}}$

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

donde , es la constante de disociación del inhibidor y es la concentración del inhibidor. ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})}$ ${\displaystyle K_{i}}$ ${\displaystyle [I]}$

${\displaystyle V_{\max }}$sigue siendo el mismo porque la presencia del inhibidor puede superarse mediante concentraciones de sustrato más altas. , la concentración de sustrato que se necesita para alcanzar aumenta con la presencia de un inhibidor competitivo. Esto se debe a que la concentración de sustrato necesaria para alcanzar un inhibidor es mayor que la concentración de sustrato necesaria para alcanzar sin inhibidor. ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$ ${\displaystyle V_{\max }/2}$ ${\displaystyle V_{\max }}$ ${\displaystyle V_{\max }}$

Derivación

En el caso más simple de una enzima de sustrato único que obedece a la cinética de Michaelis-Menten, el esquema típico

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

se modifica para incluir la unión del inhibidor a la enzima libre:

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

Tenga en cuenta que el inhibidor no se une al complejo ES y el sustrato no se une al complejo EI. Generalmente se supone que este comportamiento es indicativo de que ambos compuestos se unen en el mismo sitio, pero eso no es estrictamente necesario. Al igual que con la derivación de la ecuación de Michaelis-Menten, supongamos que el sistema está en estado estacionario, es decir, que la concentración de cada una de las especies de enzimas no cambia.

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

Además, la concentración total conocida de enzima es , y la velocidad se mide en condiciones en las que las concentraciones de sustrato e inhibidor no cambian sustancialmente y se ha acumulado una cantidad insignificante de producto. ${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

Por tanto, podemos establecer un sistema de ecuaciones:

donde y son conocidos. La velocidad inicial se define como , por lo que debemos definir la incógnita en términos de lo conocido y . ${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$ ${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$ ${\displaystyle V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]}$ ${\displaystyle {\ce {[ES]}}}$ ${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$ ${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$

A partir de la ecuación ( 3 ), podemos definir E en términos de ES reorganizando para

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

Dividiendo por da ${\displaystyle k_{1}[{\ce {S}}]}$

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

Como en la derivación de la ecuación de Michaelis-Menten, el término puede sustituirse por la constante de velocidad macroscópica : ${\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}}$ ${\displaystyle K_{m}}$

Sustituyendo la ecuación ( 5 ) en la ecuación ( 4 ), tenemos

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

Reordenando encontramos que

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

En este punto, podemos definir la constante de disociación del inhibidor como , dando ${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}$

En este punto, sustituya la ecuación ( 5 ) y la ecuación ( 6 ) en la ecuación ( 1 ):

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

Reorganizando para resolver ES, encontramos

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

Volviendo a nuestra expresión para , ahora tenemos: ${\displaystyle V_{0}}$

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

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

Dado que la velocidad es máxima cuando toda la enzima está unida como complejo enzima-sustrato , Reemplazar y combinar términos finalmente produce la forma convencional: ${\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}$

Calcular la concentración de inhibidor competitivo que produce una fracción de velocidad donde : ${\displaystyle {\ce {[I]}}}$ ${\displaystyle f_{V{_{0}}}}$ ${\displaystyle V_{0}}$ ${\displaystyle 0<f_{V{_{0}}}<1}$

notas y referencias

1. "Tipos de inhibición". Centro NIH de Terapéutica Traslacional. Archivado desde el original el 8 de septiembre de 2011 . Consultado el 2 de abril de 2012 .
2. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). "Diseño funcional de proteínas". Biología celular molecular (4ª ed.).
3. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). "Las enzimas pueden ser inhibidas por moléculas específicas". Bioquímica (5ª ed.).
4. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). "El modelo de Michaelis-Menten explica las propiedades cinéticas de muchas enzimas". Bioquímica (5ª ed.).
5. Eadie SG (1942). "La inhibición de la colinesterasa por fisostigmina y prostigmina". Revista de Química Biológica . 146 : 85–93. doi : 10.1016/S0021-9258(18)72452-6 .
6. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). "Apéndice: Vmax y KM pueden determinarse mediante gráficos recíprocos dobles". Bioquímica (5ª ed.).
7. Ophardt C. "Libro de química virtual". Universidad Elmhurst. Archivado desde el original el 17 de octubre de 2015 . Consultado el 1 de septiembre de 2015 .
8. "Mapa: Bioquímica fácil y gratuita (Ahern y Rajagopal)". Biología LibreTexts . 24 de diciembre de 2014 . Consultado el 2 de noviembre de 2017 .
9. Flor RJ (marzo de 1974). "Fármacos que inhiben la biosíntesis de prostaglandinas". Revisiones farmacológicas . 26 (1): 33–67. PMID  4208101.
10. Jiménez M, Chazarra S, Escribano J, Cabanes J, García-Carmona F (agosto de 2001). "Inhibición competitiva de la tirosinasa de hongos por benzaldehídos 4 sustituidos". Diario de la química agrícola y alimentaria . 49 (8): 4060–4063. doi :10.1021/jf010194h. PMID  11513710.
11. Dick RM (2011). "Capítulo 2. Farmacodinámica: el estudio de la acción de los fármacos". En Ouellette R, Joyce JA (eds.). Farmacología para enfermeras anestesiológicas . Aprendizaje de Jones y Bartlett. ISBN 978-0-7637-8607-6.
12. Voet D, Voet JG, Pratt CW (29 de febrero de 2016). Fundamentos de bioquímica: la vida a nivel molecular (Quinta ed.). Hoboken, Nueva Jersey. ISBN 9781118918401. OCLC  910538334.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
13. Sian J, Youdim MB, Riederer P, Gerlach M (1999). "Síndrome parkinsoniano inducido por MPTP". Neuroquímica básica: aspectos moleculares, celulares y médicos. 6ª Edición .
14. Herraiz T, Guillén H (agosto de 2011). "Inhibición de la bioactivación de la neurotoxina MPTP por antioxidantes, agentes redox e inhibidores de la monoaminooxidasa". Toxicología Alimentaria y Química . 49 (8): 1773–1781. doi :10.1016/j.fct.2011.04.026. hdl :10261/63126. PMID  21554916.
15. "Cómo funcionan las sulfas". Institutos Nacionales de Salud (NIH) . 15 de mayo de 2015 . Consultado el 2 de noviembre de 2017 .
16. Potter VR, Dubois KP (marzo de 1943). "Estudios sobre el mecanismo de transporte de hidrógeno en tejidos animales". La Revista de Fisiología General . 26 (4): 391–404. doi :10.1085/jgp.26.4.391. PMC 2142566 . PMID  19873352. 

Ver también

• Regresión de Schild para la inhibición del receptor de ligandos
• Inhibición no competitiva