همه واکنش‌های بیوشیمیایی که در بدن اتفاق می‌افتد تحت کنترل خاصی قرار دارند که از طریق یک اثر فعال یا مهارکننده بر روی آنزیم‌های تنظیم‌کننده انجام می‌شود. دومی ها معمولاً در ابتدای زنجیره های دگرگونی های متابولیک قرار دارند و یا یک فرآیند چند مرحله ای را شروع می کنند یا آن را کاهش می دهند. برخی از واکنش های منفرد نیز مشمول مقررات هستند. مهار رقابتی یکی از مکانیسم‌های اصلی برای کنترل فعالیت کاتالیزوری آنزیم‌ها است.
مهار چیست؟
مکانیسم کاتالیز آنزیمی مبتنی بر اتصال محل فعال آنزیم به مولکول بستر (کمپلکس ES) است که منجر به واکنش شیمیایی با تشکیل و آزادسازی محصول می شود (E+S=ES).=EP=E+P).
مهار یک آنزیم کاهش سرعت یا توقف کامل فرآیند کاتالیز است. در باریکترمعنی این عبارت به معنای کاهش میل ترکیبی مرکز فعال برای سوبسترا است که با اتصال مولکول های آنزیم به مواد بازدارنده حاصل می شود. دومی می تواند به روش های مختلفی عمل کند، که بر اساس آن به چندین نوع تقسیم می شوند، که با مکانیسم های بازدارندگی به همین نام مطابقت دارد.
انواع اصلی بازداری
بر اساس ماهیت فرآیند، مهار می تواند دو نوع باشد:
- غیر قابل برگشت - باعث ایجاد تغییرات مداوم در مولکول آنزیم می شود و آن را از فعالیت عملکردی محروم می کند (این دومی قابل بازیابی نیست). می تواند خاص یا غیر اختصاصی باشد. مهارکننده از طریق برهمکنش کووالانسی به شدت به آنزیم متصل می شود.
- برگشت - نوع اصلی تنظیم منفی آنزیم ها. این به دلیل اتصال خاص برگشت پذیر بازدارنده به پروتئین آنزیم توسط پیوندهای غیرکووالانسی ضعیف انجام می شود که مطابق با معادله Michaelis-Menten (به استثنای تنظیم آلوستریک) قابل توصیف جنبشی است.
دو نوع اصلی مهار آنزیم برگشت پذیر وجود دارد: رقابتی (ممکن است با افزایش غلظت سوبسترا کاهش یابد) و غیر رقابتی. در حالت دوم، حداکثر سرعت ممکن کاتالیز کاهش می‌یابد.
تفاوت اصلی بین مهار رقابتی و غیر رقابتی در محل اتصال ماده تنظیم کننده به آنزیم نهفته است. در حالت اول، بازدارنده مستقیماً به محل فعال و در حالت دوم به محل دیگری از آنزیم یا کمپلکس آنزیم-سوبسترا متصل می‌شود.
همچنین نوع مختلطی از مهار وجود دارد که در آن اتصال به یک مهارکننده از تشکیل ES جلوگیری نمی کند، اما سرعت کاتالیز را کاهش می دهد. در این حالت ماده تنظیم کننده در ترکیب کمپلکس های دوتایی یا سه گانه (EI و EIS) قرار دارد. در نوع غیر رقابتی، آنزیم فقط به ES متصل می شود.
ویژگی های مهار رقابتی برگشت پذیر آنزیم ها
مکانیسم رقابتی مهار بر اساس شباهت ساختاری ماده تنظیم کننده با بستر است. در نتیجه، مجموعه ای از مرکز فعال با بازدارنده تشکیل می شود که به طور معمول به عنوان EI تعیین می شود.
مهار رقابتی برگشت پذیر دارای ویژگی های زیر است:
- اتصال به بازدارنده در محل فعال رخ می دهد؛
- غیرفعال شدن مولکول آنزیم برگشت پذیر است؛
- اثر بازدارندگی را می توان با افزایش غلظت سوبسترا کاهش داد؛
- مهارکننده بر حداکثر سرعت کاتالیز آنزیمی تأثیر نمی گذارد؛
- مجتمع EI می تواند تجزیه شود، که با ثابت تفکیک مربوطه مشخص می شود.
با این نوع تنظیم، به نظر می رسد که بازدارنده و زیرلایه برای یک مکان در مرکز فعال با یکدیگر رقابت می کنند (رقابت می کنند)، از این رو نام این فرآیند است.
در نتیجه، مهار رقابتی را می توان به عنوان یک فرآیند برگشت پذیر مهار کاتالیز آنزیمی، بر اساس میل ترکیبی خاص محل فعال برای ماده بازدارنده، تعریف کرد.
مکانیسم عمل
Tetheringیک مهار کننده با یک سایت فعال از تشکیل یک کمپلکس آنزیم-سوبسترای لازم برای کاتالیز جلوگیری می کند. در نتیجه، مولکول آنزیم غیرفعال می شود. با این وجود، مرکز کاتالیزوری می تواند نه تنها به بازدارنده، بلکه به بستر نیز متصل شود. احتمال تشکیل یک یا آن کمپلکس به نسبت غلظت بستگی دارد. اگر مولکول های سوبسترا به میزان قابل توجهی بیشتر باشد، آنزیم بیشتر با آنها واکنش نشان می دهد تا با بازدارنده.
تاثیر بر سرعت واکنش شیمیایی
درجه مهار کاتالیزور در طول مهار رقابتی با این که چه مقدار از آنزیم مجتمع های EI را تشکیل می دهد تعیین می شود. در این حالت می توان غلظت بستر را به حدی افزایش داد که نقش بازدارنده جایگزین شود و سرعت کاتالیز به حداکثر مقدار ممکن مطابق با مقدار Vmax برسد.طبق معادله Michaelis-Menten.
این پدیده به دلیل رقیق شدن قوی بازدارنده است. در نتیجه، احتمال اتصال مولکول‌های آنزیم به آن به صفر می‌رسد و مراکز فعال فقط با سوبسترا واکنش می‌دهند.
وابستگی جنبشی یک واکنش آنزیمی شامل یک بازدارنده رقابتی
مهار رقابتی ثابت Michaelis (Km) را افزایش می دهد، که برابر است با غلظت سوبسترای مورد نیاز برای دستیابی به ½ حداکثر سرعت کاتالیز در شروع واکنش. مقدار آنزیمی که به طور فرضی قادر به اتصال به بستر است ثابت می ماند، در حالی که تعداد ES-کمپلکس ها فقط به غلظت دومی بستگی دارد (کمپلکس های EI ثابت نیستند و می توانند توسط بستر جابجا شوند).
مهار رقابتی آنزیم ها را می توان از نمودارهای وابستگی جنبشی ساخته شده برای غلظت های مختلف سوبسترا تعیین کرد. در این حالت، مقدار Km تغییر می کند، در حالی که Vmax ثابت می ماند.
در مهار غیر رقابتی، برعکس این امر صادق است: بازدارنده به خارج از مرکز فعال متصل می شود و وجود بستر به هیچ وجه نمی تواند بر آن تأثیر بگذارد. در نتیجه، برخی از مولکول های آنزیم از کاتالیز "خاموش" می شوند و حداکثر سرعت ممکن کاهش می یابد. با این وجود، مولکول‌های آنزیم فعال به راحتی می‌توانند در غلظت‌های پایین و بالا به سوبسترا متصل شوند. بنابراین، ثابت Michaelis ثابت می ماند.
نمودارهای بازداری رقابتی در سیستم مختصات معکوس دوگانه، چندین خط مستقیم هستند که محور y را در نقطه 1/Vmax قطع می کنند. هر خط مستقیم مربوط به غلظت خاصی از بستر است. نقاط تقاطع مختلف با محور آبسیسا (1/[S]) نشان دهنده تغییر در ثابت Michaelis است.
عمل یک مهارکننده رقابتی در مثال مالونات
یک مثال معمولی از مهار رقابتی، فرآیند کاهش فعالیت سوکسینات دهیدروژناز است، آنزیمی که اکسیداسیون سوکسینیک اسید (سوکسینات) را به اسید فوماریک کاتالیز می کند. اینجا به عنوان یک بازدارندهمالونات عمل می کند و شباهت ساختاری به سوکسینات دارد.
افزودن یک مهارکننده به محیط باعث تشکیل کمپلکس های مالونات با سوکسینات دهیدروژناز می شود. چنین پیوندی به محل فعال آسیب نمی رساند، اما دسترسی آن به اسید سوکسینیک را مسدود می کند. افزایش غلظت سوکسینات اثر مهاری را کاهش می دهد.
استفاده پزشکی
عمل بسیاری از داروها که آنالوگ های ساختاری سوبستراهای برخی از مسیرهای متابولیک هستند که مهار آنها بخشی ضروری از درمان بیماری ها است، بر اساس مکانیسم مهار رقابتی است.
به عنوان مثال، برای بهبود هدایت تکانه های عصبی در دیستروفی های عضلانی، باید سطح استیل کولین را افزایش داد. این با مهار فعالیت استیل کولین استراز هیدرولیز کننده آن به دست می آید. مهارکننده ها بازهای آمونیوم چهارتایی هستند که بخشی از داروها هستند (پرورزین، اندروفونیوم و غیره).
آنتی متابولیت ها به گروه خاصی تقسیم می شوند که علاوه بر اثر بازدارندگی، خاصیت یک شبه سوبسترا را از خود نشان می دهند. در این حالت، تشکیل کمپلکس EI منجر به تشکیل یک محصول غیرعادی خنثی بیولوژیکی می شود. آنتی متابولیت ها شامل سولفونامیدها (مورد استفاده در درمان عفونت های باکتریایی)، آنالوگ های نوکلئوتیدی (برای توقف رشد سلولی تومور سرطانی) و غیره هستند.
