Inhibición no competitiva

La inhibición no competitiva (que Laidler y Bunting prefirieron llamar inhibición anticompetitiva ^[1], pero este término no ha sido ampliamente adoptado) es un tipo de inhibición en la que los valores aparentes de los parámetros de Michaelis-Menten y disminuyen en la misma proporción. ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$

Se puede reconocer por dos observaciones: primero, no se puede revertir aumentando la concentración de sustrato y segundo, los gráficos lineales muestran efectos sobre y , vistos, por ejemplo, en el gráfico de Lineweaver-Burk como líneas paralelas en lugar de intersectarse. A veces se explica suponiendo que el inhibidor puede unirse al complejo enzima-sustrato pero no a la enzima libre. Este tipo de mecanismo es bastante raro, ^[2] y en la práctica la inhibición no competitiva se encuentra principalmente como un caso límite de inhibición en reacciones de dos sustratos en las que se varía una concentración de sustrato y la otra se mantiene constante a un nivel de saturación. ^{[3] [4]} ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$

Definición matemática

Diagrama de Lineweaver-Burk de inhibición enzimática no competitiva.

En la inhibición no competitiva a una concentración de inhibidor la ecuación de Michaelis-Menten toma la siguiente forma: ^[4] ${\displaystyle i}$

${\displaystyle v={\frac {Va}{K_{\mathrm {m} }+a(1+i/K_{\mathrm {iu} })}}}$

en la que es la tasa a concentraciones de sustrato y de inhibidor, para tasa limitante , constante de Michaelis y constante de inhibición no competitiva . ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {iu} }}$

Esto tiene exactamente la forma de la ecuación de Michaelis-Menten, como se puede ver al escribirla en términos de constantes cinéticas aparentes :

${\displaystyle v={\frac {V^{\mathrm {app} }a}{K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }+a}}}$

En el cual ${\displaystyle V^{\mathrm {app} }={\frac {V}{1+i/K_{\mathrm {iu} }}}{\text{ and }}K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }={\frac {K_{\mathrm {m} }}{1+i/K_{\mathrm {iu} }}}}$

Es importante señalar que y disminuyen en las mismas proporciones como resultado de la inhibición. ${\displaystyle V^{\mathrm {app} }}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }}$

Esto es evidente al observar un gráfico de Lineweaver-Burk de inhibición enzimática no competitiva: la relación entre V y K _m permanece igual con o sin un inhibidor presente.

Esto se puede observar en cualquiera de las formas comunes de representar gráficamente los datos de Michaelis-Menten, como el gráfico de Lineweaver-Burk , que para la inhibición no competitiva produce una línea paralela al gráfico enzima-sustrato original, pero con una intersección más alta en la ordenada : ^{[5] [6]}

${\displaystyle {\frac {1}{v}}={\frac {K_{\mathrm {m} }}{Va}}+{\frac {1+i/K_{\mathrm {iu} }}{V}}}$

Implicaciones y usos en sistemas biológicos

Las características únicas de la inhibición no competitiva tienen diversas implicaciones para los efectos de la inhibición en los sistemas biológicos y bioquímicos. La inhibición no competitiva está presente en los sistemas biológicos de diversas maneras. De hecho, a menudo resulta evidente que las características de inhibición específicas de los inhibidores no competitivos, como su tendencia a actuar de forma óptima en altas concentraciones de sustrato, son esenciales para el correcto funcionamiento de algunas funciones corporales importantes. ^[7]

Participación en los mecanismos del cáncer

En ciertos tipos de cáncer intervienen mecanismos no competitivos. Se ha descubierto que algunas fosfatasas alcalinas humanas están sobreexpresadas en ciertos tipos de cáncer y que esas fosfatasas a menudo actúan mediante inhibición no competitiva. También se ha descubierto que varios de los genes que codifican las fosfatasas alcalinas humanas son inhibidos de forma no competitiva por aminoácidos como la leucina y la fenilalanina . ^[8] Se han realizado estudios de los residuos de aminoácidos implicados en un intento de regular la actividad de la fosfatasa alcalina y aprender más sobre la relevancia de dicha actividad en el cáncer. ^[9]

Además, la inhibición no competitiva funciona junto con la proteína 53 relacionada con la transformación para ayudar a reprimir la actividad de las células cancerosas y prevenir la tumorigénesis en ciertas formas de la enfermedad, ya que inhibe la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa , una enzima de la vía de las pentosas fosfato ). Una de las funciones secundarias de las que es responsable esta enzima es ayudar a regular el control de los niveles de oxígeno reactivo, ya que las especies reactivas de oxígeno deben mantenerse en niveles apropiados para permitir que las células sobrevivan. Cuando la concentración de glucosa 6-fosfato , el sustrato de la enzima, es alta, la inhibición no competitiva de la enzima se vuelve mucho más efectiva. ^[10] Esta extrema sensibilidad a la concentración de sustrato dentro del mecanismo del cáncer implica una inhibición no competitiva en lugar de una inhibición mixta, que muestra rasgos similares pero a menudo es menos sensible a la concentración de sustrato debido a que algunos inhibidores se unen a las enzimas libres independientemente de la presencia del sustrato. ^[7] Como tal, la extrema fuerza de los inhibidores no competitivos a altas concentraciones de sustrato y la sensibilidad general a la cantidad de sustrato indican que solo la inhibición no competitiva puede hacer posible este tipo de proceso.

Importancia en las membranas celulares y orgánulos

Aunque la inhibición no competitiva está presente en varias enfermedades dentro de los sistemas biológicos, no necesariamente se relaciona solo con patologías. Puede estar involucrada en funciones corporales típicas. Por ejemplo, los sitios activos capaces de inhibición no competitiva parecen estar presentes en las membranas, ya que se ha demostrado que la eliminación de lípidos de las membranas celulares y hacer que los sitios activos sean más accesibles a través de cambios conformacionales invoca elementos similares a los efectos de la inhibición no competitiva (es decir, tanto y disminuyen). En los lípidos de la membrana mitocondrial específicamente, la eliminación de lípidos disminuye el contenido de hélice α en las mitocondrias y conduce a cambios en la ATPasa similares a la inhibición no competitiva. ^[11] ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$

Esta presencia de enzimas no competitivas en las membranas también ha sido apoyada en varios otros estudios. Por ejemplo, en estudios sobre el factor de ribosilación de ADP de la proteína , que participa en la regulación de la actividad de la membrana, se descubrió que la brefeldina A , una lactona antiviral, atrapaba uno de los intermediarios de la proteína mediante una inhibición no competitiva. Esto dejó en claro que este tipo de inhibición existe dentro de varios tipos de células y orgánulos, en lugar de solo en células patológicas. De hecho, se descubrió que la brefeldina A estaba relacionada con la actividad del aparato de Golgi y su papel en la regulación del movimiento a través de la membrana celular. ^[12]

Presencia en la capa granular cerebelosa

Memantina

Receptor de glutamato N -metil- D -aspartato inhibido . El sustrato está unido y el sitio activo está bloqueado por el inhibidor (rojo).

La inhibición no competitiva también puede desempeñar papeles en varias otras partes del cuerpo. Es parte del mecanismo por el cual los receptores de glutamato N -metil- D -aspartato se inhiben en el cerebro, por ejemplo. Específicamente, este tipo de inhibición afecta a las células granulares que forman una capa del cerebelo. Estas células tienen los receptores mencionados, y su actividad generalmente aumenta a medida que se consume etanol. Esto a menudo conduce a síntomas de abstinencia si se elimina el etanol. Varios bloqueadores no competitivos actúan como antagonistas en los receptores y modifican el proceso, siendo un ejemplo el inhibidor memantina . ^[13] De hecho, en casos similares (que involucran sobreexpresión de receptores de glutamato N -metil- D -aspartato, aunque no necesariamente a través del etanol), la inhibición no competitiva ayuda a anular la sobreexpresión debido a sus propiedades particulares. Dado que los inhibidores no competitivos bloquean altas concentraciones de sustratos de manera muy eficiente, sus rasgos junto con las características innatas de los propios receptores conducen a un bloqueo muy eficaz de los canales de glutamato N -metil- D -aspartato cuando están excesivamente abiertos debido a cantidades masivas de agonistas. ^[14]

Ejemplos de inhibición no competitiva

Las investigaciones sobre inhibidores de HSD17B13 basados ​​en fenol indican un modo de inhibición no competitivo contra NAD ⁺ . ^[15]

Referencias

1. Laidler, Keith J.; Bunting, Peter S. (1973). La cinética química de la acción enzimática . Clarendon Press, Oxford.
2. Cornish-Bowden, A. (1986). "¿Por qué la inhibición no competitiva es tan rara? Una posible explicación, con implicaciones para el diseño de fármacos y pesticidas". FEBS Lett . 203 (1): 3–6. doi :10.1016/0014-5793(86)81424-7.
3. Cleland, WW "La cinética de las reacciones catalizadas por enzimas con dos o más sustratos o productos: II. Inhibición: Nomenclatura y teoría". Biochim. Biophys. Acta . 67 (2): 173–187. doi :10.1016/0926-6569(63)90226-8.
4. Cornish-Bowden, Athel (2012). Fundamentos de la cinética enzimática (4.ª ed.). Wiley-Blackwell, Weinheim. págs. 25–75. ISBN 978-3-527-33074-4.
5. Rhodes D. "Enzyme Kinetics - Single Substrate, Uncompetitive Inhibition, Lineweaver-Burk Plot". Universidad de Purdue . Consultado el 31 de agosto de 2013 .
6. Cornish-Bowden A (enero de 1974). "Un método gráfico simple para determinar las constantes de inhibición de inhibidores mixtos, no competitivos y no competitivos". The Biochemical Journal . 137 (1): 143–4. doi :10.1042/bj1370143. PMC 1166095 . PMID  4206907. 
7. Nahorski SR, Ragan CI, Challiss RA (agosto de 1991). "Litio y el ciclo de los fosfoinosítidos: un ejemplo de inhibición no competitiva y sus consecuencias farmacológicas". Tendencias en las ciencias farmacológicas . 12 (8): 297–303. doi :10.1016/0165-6147(91)90581-C. PMID  1658998.
8. Millán JL (julio 1992). "La fosfatasa alcalina como reportera de la transformación cancerosa". Clinica Chimica Acta; Revista Internacional de Química Clínica . 209 (1–2): 123–9. doi :10.1016/0009-8981(92)90343-O. PMID  1395034.
9. Millán JL, Fishman WH (1995). "Biología de las fosfatasas alcalinas humanas con especial referencia al cáncer". Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences . 32 (1): 1–39. doi :10.3109/10408369509084680. PMID  7748466.
10. Nyce JW (noviembre de 2018). "Detección de un nuevo mecanismo de supresión tumoral específico de primates, 'interruptor de seguridad', que puede controlar fundamentalmente el riesgo de cáncer en humanos: un giro inesperado en la biología básica de TP53". Cáncer relacionado con el sistema endocrino . 25 (11): R497–R517. doi :10.1530/ERC-18-0241. PMC 6106910. PMID  29941676 . 
11. Lenaz G, Curatola G, Mazzanti L, Parenti-Castelli G (noviembre de 1978). "Estudios biofísicos sobre agentes que afectan el estado de los lípidos de membrana: implicaciones bioquímicas y farmacológicas". Bioquímica molecular y celular . 22 (1): 3–32. doi :10.1007/bf00241467. PMID  154058. S2CID  28599836.
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13. Tabakoff B, Hoffman PL (marzo de 1993). "Etanol, hipnóticos sedantes y función del receptor de glutamato en el cerebro y células cultivadas". Genética del comportamiento . 23 (2): 231–6. doi :10.1007/BF01067428. PMID  8390239. S2CID  12640658.
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15. Thamm, Sven; Willwacher, Marina K.; Aspnes, Gary E.; Bretschneider, Tom; Brown, Nicholas F.; Buschbom-Helmke, Silke; Fox, Thomas; Gargano, Emanuele M.; Grabowski, Daniel; Hoenke, Christoph; Matera, Damian; Mueck, Katja; Peters, Stefan; Reindl, Sophia; Riether, Doris (23 de febrero de 2023). "Descubrimiento de un nuevo inhibidor potente y selectivo de HSD17B13, BI-3231, una sonda química bien caracterizada disponible para la ciencia abierta". Revista de química medicinal . 66 (4): 2832–2850. doi :10.1021/acs.jmedchem.2c01884. ISSN  0022-2623. PMC 9969402 . Número de modelo:  PMID36727857.