Inibidor não competitivo - Uncompetitive inhibitor
A inibição não competitiva , também conhecida como inibição anticompetitiva , ocorre quando um inibidor de enzima se liga apenas ao complexo formado entre a enzima e o substrato (o complexo ES). A inibição não competitiva normalmente ocorre em reações com dois ou mais substratos ou produtos.
Embora a inibição não competitiva exija que um complexo enzima-substrato seja formado, a inibição não competitiva pode ocorrer com ou sem o substrato presente.
A inibição não competitiva é distinguida da inibição competitiva por duas observações: primeiro, a inibição não competitiva não pode ser revertida aumentando [S] e, segundo, como mostrado, o gráfico Lineweaver-Burk produz linhas paralelas em vez de linhas que se cruzam. Esse comportamento é encontrado na inibição da acetilcolinesterase por aminas terciárias (R 3 N). Esses compostos ligam-se à enzima em suas várias formas, mas o complexo acil-intermediário-amina não pode se decompor em enzima mais produto.
Mecanismo
À medida que o inibidor se liga, a quantidade de complexo ES é reduzida. Esta redução na concentração efetiva do complexo ES pode ser explicada pelo fato de que ter o inibidor ligado ao complexo ES o converte essencialmente em complexo ESI, que é considerado um complexo separado como um todo. Esta redução no complexo ES diminui a atividade enzimática máxima (V max ), pois leva mais tempo para o substrato ou produto deixar o sítio ativo . A redução em Km - a concentração de substrato na qual a enzima pode operar na metade de sua velocidade máxima, freqüentemente usada para aproximar a afinidade de uma enzima por um substrato - também pode ser ligada à diminuição no complexo ES. O princípio de Le Chatelier se opõe a essa diminuição e tenta compensar a perda de ES, de modo que mais enzima livre é convertida na forma ES e a quantidade de ES aumenta de maneira geral. Um aumento no ES geralmente indica que a enzima tem um alto grau de afinidade por seu substrato. K m diminui à medida que aumenta a afinidade para um substrato, embora não seja um preditor perfeito de afinidade, uma vez que é responsável por outros factores, bem; independentemente, este aumento na afinidade será acompanhado por uma diminuição em Km .
Em geral, a inibição não competitiva funciona melhor quando a concentração de substrato é alta. Um inibidor não competitivo não precisa se parecer com o substrato da reação que está inibindo. Em nenhuma concentração de substrato, a atividade da enzima será maior quando um inibidor não competitivo estiver presente, mas em baixas concentrações de substrato a diferença de atividade da enzima será insignificante.
Definição matemática
A equação Lineweaver-Burk afirma que:
![\ {\ frac {1} {v}} = {\ frac {K_ {m}} {V _ {{max}} [S]}} + {1 \ over V _ {\ max}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a5c859f86379f8cc6915c2d0a44a7f9f11a69440)
Onde v é a velocidade de reação inicial , K m é a constante de Michaelis-Menten , V max é a velocidade máxima de reação e [ S ] é a concentração do substrato.
O gráfico Lineweaver-Burk para um inibidor não competitivo produz uma linha paralela ao gráfico enzima-substrato original, mas com uma interceptação y superior , devido à presença de um termo de inibição :
![\ {\ frac {[I]} {K_ {i}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/aa606f9839ee6343a8737702d969a5aba3864cc8)
![\ {\ frac {1} {v}} = {\ frac {K_ {m}} {V _ {{max}} [S]}} + {\ frac {1 + {\ frac {[I]} {K_ {i}}}} {V _ {{max}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/576a696d2a388113a9636ed8cc28a48d0bc42af4)
Em que [ I ] representa a concentração do inibidor e K i é uma constante característica inibição do inibidor.
A equação de Michaelis-Menten é alterada para:
![{\ displaystyle \ {V_ {0}} = {\ frac {V_ {max} [S]} {K_ {m} + \ alpha '[S]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/aa69fd3c4d2de858f3d10f5f43248256ce76665c)
Onde
- e
![{\ displaystyle \ \ alpha '= 1 + {\ frac {[I]} {K' _ {I}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c2c656c98634bbefad0fd6fd5db7c952bb5aa4d2)
![{\ displaystyle \ K '_ {I} = {\ frac {[ES] [I]} {[ESI]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9d3cd882992d4d5f8a0063e67936021a4a6ed4ce)
Conforme descrito pela equação acima, em altas concentrações de substrato, V 0 se aproxima de V max / α '. Assim, um inibidor não competitivo diminui a medida V máx . O K m aparente também diminui, porque a [S] necessária para atingir a metade de V máx diminui pelo fator α '. É importante notar que V max e K m diminuem na mesma taxa como resultado do inibidor. Isso é aparente ao visualizar um gráfico de Lineweaver-Burk de inibição de enzima não competitiva: a razão entre V e Km permanece a mesma com ou sem a presença de um inibidor.
Implicações e usos em sistemas biológicos
As características únicas da inibição não competitiva levam a uma variedade de implicações para os efeitos da inibição nos sistemas biológicos e bioquímicos. A inibição não competitiva está presente nos sistemas biológicos de várias maneiras. Na verdade, muitas vezes fica claro que os traços de inibição específicos para inibidores não competitivos, como sua tendência de agir da melhor forma em altas concentrações de substrato, são essenciais para algumas funções corporais importantes operando adequadamente.
Envolvimento nos mecanismos do câncer
Mecanismos não competitivos estão envolvidos com certos tipos de câncer. Verificou-se que as fosfatases alcalinas humanas , como CGAP, são superexpressas em certos tipos de câncer, e essas fosfotases freqüentemente operam por meio de inibição não competitiva. Também foi descoberto que vários genes que codificam as fosfatases alcalinas humanas (TSAPs) são inibidos de forma não competitiva por aminoácidos como a leucina e a fenilalanina . Estudos dos resíduos de aminoácidos envolvidos foram realizados na tentativa de regular a atividade da fosfatase alcalina e aprender mais sobre a relevância dessa atividade para o câncer.
Além disso, a inibição não competitiva atua junto com o TP53 para ajudar a reprimir a atividade das células cancerosas e prevenir a tumorigênese em certas formas da doença, uma vez que inibe a G6PD (glicose-6-fosfato desidrogenase, uma enzima envolvida principalmente em certas vias metabólicas). Uma das funções secundárias pelas quais G6PD é responsável é ajudar a regular é o controle dos níveis reativos de oxigênio, já que as espécies reativas de oxigênio devem ser mantidas em níveis apropriados para permitir que as células sobrevivam. Quando a concentração de substrato do G6PD é alta, a inibição não competitiva da enzima se torna muito mais eficaz. À medida que a concentração de substrato aumenta, a quantidade de complexo ES também aumenta e, com mais complexo ES para se ligar, os inibidores não competitivos tornam-se muito mais ativos. Essa inibição funciona de forma que quanto maior a concentração de substrato no sistema inicialmente, mais difícil será atingir a velocidade máxima da reação. Em baixas concentrações iniciais de substrato, aumentar a concentração de substrato às vezes é suficiente para restaurar totalmente ou mesmo totalmente a função da enzima, mas assim que a concentração inicial aumenta além de um certo ponto, atingir a velocidade máxima da enzima é quase impossível. Esta extrema sensibilidade à concentração de substrato dentro do mecanismo de câncer implica inibição não competitiva em vez de inibição mista, que exibe características semelhantes, mas é frequentemente menos sensível à concentração de substrato devido à ligação de algum inibidor a enzimas livres, independentemente da presença do substrato. Como tal, a extrema força de inibidores não competitivos em altas concentrações de substrato e a sensibilidade geral à quantidade de substrato indicam que apenas a inibição não competitiva pode tornar esse tipo de processo possível.
Importância nas membranas celulares e organelas
Embora essa forma de inibição esteja presente em várias doenças dos sistemas biológicos, ela não está necessariamente relacionada apenas a patologias. Pode estar envolvido em funções corporais típicas. Por exemplo, locais ativos capazes de inibição não competitiva parecem estar presentes nas membranas, pois a remoção de lipídios das membranas celulares e tornando os locais ativos mais acessíveis por meio de mudanças conformacionais demonstrou invocar elementos semelhantes aos efeitos da inibição não competitiva (ou seja, K M e V Diminuição máxima ). Especificamente nos lipídios da membrana mitocondrial, a remoção dos lipídios diminui o conteúdo da hélice alfa na mitocôndria e leva a alterações na ATPase que se assemelham à inibição não competitiva.
Esta presença de enzimas não competitivas nas membranas também foi apoiada em vários outros estudos. Um tipo de proteína chamada proteína Arf envolvida na regulação da atividade da membrana estava sendo estudada, e foi descoberto que um inibidor chamado BFA capturou um dos intermediários de Arf por meio de inibição não competitiva. Isso deixou claro que esse tipo de inibição existe em vários tipos de células e organelas, em oposição a apenas em células patológicas. Na verdade, descobriu-se que o BFA está relacionado à atividade do aparelho de Golgi e seu papel na regulação do movimento através da membrana celular.
Presença na camada de grânulos cerebelares
A inibição não competitiva também pode desempenhar papéis em várias outras partes do corpo. Faz parte do mecanismo pelo qual os receptores NMDA (N-metil-D-aspartato) do glutamato são inibidos no cérebro, por exemplo. Especificamente, esse tipo de inibição afeta as células granulares que constituem uma camada do cerebelo. Estas células têm os receptores NMDA mencionados anteriormente, e a atividade desses receptores normalmente aumenta à medida que o etanol é consumido. Isso geralmente leva a sintomas de abstinência se o referido etanol for removido. Vários bloqueadores não competitivos agem como antagonistas nos receptores e modificam o processo, sendo um exemplo um inibidor chamado memantina . De fato, em casos semelhantes (envolvendo superexpressão de NMDA, embora não necessariamente via etanol), foi demonstrado que a inibição não competitiva ajuda a anular a superexpressão devido às suas propriedades particulares. Uma vez que os inibidores não competitivos bloqueiam altas concentrações de substratos de maneira muito eficiente, suas características ao lado das características inatas dos próprios receptores levam a um bloqueio muito eficaz dos canais de NMDA quando eles estão excessivamente abertos devido a grandes quantidades de agonistas de NMDA.
Derivação da equação de Michaelis-Menten não competitiva
A inibição não competitiva pode ser descrita usando o seguinte conjunto de equações de reação:
A taxa de reação da primeira regra definida acima, onde [E] e [S] se ligam para formar o complexo [ES] e [ES] podem se separar para reformar os produtos, pode ser escrita como:
![{\ Displaystyle Rate_ {1} = k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a1887a3b330758b030a4da6a34a28e72ec5aa651)
- é uma constante de taxa de segunda ordem que representa a taxa na qual [E] e [S] se ligam para formar o complexo [ES] sob a cinética de ação de massa
- é uma constante de taxa de primeira ordem que representa a taxa de [ES] desvinculada da reforma [E] e [S]
A segunda taxa de reação que descreve a taxa do complexo [ES] criando o produto a partir do substrato [S] e regenerando uma enzima livre [E] pode ser descrita com a seguinte taxa de ação de massa:
![{\ Displaystyle Rate_ {2} = k_ {2} * [ES]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d775268a0237cc7bae96fa5b0af1e5bfc098164d)
Onde:
- é uma taxa de reação de primeira ordem do complexo [ES] formando o produto [P] e a enzima livre [E]
Com a inibição não competitiva, o complexo enzima-substrato pode ser ligado a um complexo enzima-substrato-inibidor sob a seguinte taxa:
![{\ Displaystyle Rate_ {3} = k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5cb9add7a856a0f473cc479a1754ecdee97a7a82)
Onde:
- é uma constante de taxa de segunda ordem que representa a taxa em que [ES] e [I] se ligam para formar o complexo [ESI] sob a cinética de ação de massa
- é uma constante de taxa de primeira ordem que representa a taxa de [ESI] desvinculada da reforma [ES] e [I]
Colocar as informações acima em um conjunto de equações diferenciais ordinárias resulta em:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhado} {\ frac {d [E]} {dt}} & = - k_ {1} * [E] [S] + k _ {- 1} [ES] + k_ {2} * [ES] \\ {\ frac {d [S]} {dt}} & = - k_ {1} * [E] [S] + k _ {- 1} [ES] + k_ {2} * [ES] ] \\ {\ frac {d [P]} {dt}} & = k_ {2} * [ES] \\ {\ frac {d [ES]} {dt}} & = k_ {1} * [E ] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] -k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] \\ {\ frac { d [ESI]} {dt}} & = k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] \\ {\ frac {d [I]} {dt}} & = - k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] \ end {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f69a2a276520f4ee98d7659c9f0120125862d3c6)
A fim de derivar a equação de Michaelis-Menten modificada, as seguintes suposições devem ser feitas:
- O substrato não é limitante
- Os complexos de espécies modelo [ES] e [ESI] estão em equilíbrio instantâneo.
Com base na segunda suposição declarada acima, as equações ODE acima podem ser definidas como zero, uma vez que os valores não estão mudando:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhados} {\ frac {d [ES]} {dt}} & = k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] -k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] = 0 \\ {\ frac {d [ESI]} {dt}} & = k_ {3} * [ ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] = 0 \\\ fim {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/31455c0591d009247b98d173288a8a9b6a2aba70)
Já que sabemos que a seguinte expressão é igual a zero:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhado} k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] & = 0 \\\ end {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/013f5e63edfbe149285a90f7103ac4c2113a974f)
Podemos riscar a seguinte parte na equação de taxa [ES]:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhado} k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] {\ cancelto {0} {- k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI]}} = 0 \\\\ k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] = 0 \\\ fim {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bb851cc56825b262f53346a151158f36b9efa573)
Para derivar a equação de Michaelis-Menten, devemos reescrever [ES] em termos de apenas [S]. Para começar, vamos modificar a equação acima para isolar [ES]:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhados} k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] & = 0 \\ k_ {1} * [E ] [S] - (k_ {2} + k _ {- 1}) [ES] & = 0 \\ k_ {1} * [E] [S] & = (k_ {2} + k _ {- 1}) [ES] \\ {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [ES] \\\ fim {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/25469f2a73298e0403c54b13284260b35e45a21b)
Resolver para [ESI] em uma equação acima resulta em que podemos inserir a expressão encontrada para [ES]:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhados} k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] & = 0 \\ k_ {3} * [ES] * [I] & = k_ {-3} [ESI] \\ {\ frac {k_ {3} * [ES] * [I]} {k _ {- 3}}} & = [ESI] \\ {\ frac {k_ {3} * {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} * [I]} {k _ {- 3}}} & = [ESI] \ \ {\ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [ESI ] \\\ fim {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a35f648d1bb2d6571837c6ca00f3849be0827a29)
A concentração total da enzima depende da quantidade de enzima livre [E], enzima ligada ao complexo [ES] e complexo enzima-substrato-inibidor [ESI]. Conectar as expressões para [ESI] e [ES] resultará em:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhado} [] [E] _ {Total} & = [E] + [ES] + [ESI] \\ [] [E] _ {Total} - [ES] - [ESI] & = [E] \\ [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} - { \ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [E] \ \ [] [E] _ {Total} - {\ bigg (} {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} + {\ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg)} & = [E] \\ [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg ( } 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} & = [E] \\\ fim {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/52069134d8d135744b05976f38af0bf7a71999ae)
Isolado [E] para aparecer apenas em um único lado da equação acima:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhado} [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} & = [E] \\ [] [E] _ {Total} & = [E] + {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} \\ [] [E] _ {Total} & = [E] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [ S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)} \\ {\ frac {[E] _ {Total}} {{\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} & = [E] \ \\ end {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/30fbbf63123b532f02458971fa595918f934542a)
A partir da derivação de [ES] acima, podemos modificar ainda mais a equação, substituindo [E] pela equação diretamente acima:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhados} [] [ES] & = {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} \\ & = {\ frac {k_ {1} * {\ frac {[E] _ {Total}} {{\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} [S] } {(k_ {2} + k _ {- 1})}} \\ & = {\ frac {k_ {1} * [E] _ {Total} [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1}) * {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac { k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {{\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}} * {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {{\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}} + [S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\\ fim {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/47ecfc764db499433cd5bd606a7bc745133e8d1c)
é conhecido como constante de Michaelis e é comumente escrito como:
\ textbf {Nota:} , e
Finalmente, para obter a equação de Michaelis-Menton para inibição não competitiva:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhados} v & = k_ {2} * [ES] \\ & = k_ {2} * {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {K_ {m} + [ S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {V_ {max}} {K_ {m} + [S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)} }} \\\ end {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d75de641a758d59a18ffab1d528c953cefeec6b5)
Onde:
![{\ displaystyle {\ begin {alinhado} V_ {max} = k_ {2} * [E] _ {Total} [S] \ end {alinhado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4a10fdfd7a3bc1011b34f569bd222de908a645b6)