כל התגובות הביוכימיות המתרחשות בגוף נתונות לבקרה ספציפית, המתבצעת באמצעות השפעה מפעילה או מעכבת על אנזימים מווסתים. האחרונים ממוקמים בדרך כלל בתחילת שרשראות של טרנספורמציות מטבוליות ומתחילים תהליך רב-שלבי או מאטים אותו. כמה תגובות בודדות כפופות גם לרגולציה. עיכוב תחרותי הוא אחד המנגנונים העיקריים לשליטה בפעילות הקטליטית של אנזימים.
מה זה עיכוב?
מנגנון הקטליזה האנזימטית מבוסס על קישור של האתר הפעיל של האנזים למולקולת הסובסטרט (ES complex), וכתוצאה מכך תגובה כימית עם היווצרות ושחרור התוצר (E+S=ES=EP=E+P).
עיכוב של אנזים הוא הפחתה בקצב או הפסקה מוחלטת של תהליך הקטליזה. בצר יותרמשמעות המונח הזה היא ירידה בזיקה של המרכז הפעיל למצע, אשר מושגת על ידי קשירת מולקולות האנזים לחומרים מעכבים. האחרונים יכולים לפעול בדרכים שונות, שעל בסיסן הם מחולקים לכמה סוגים, התואמים את מנגנוני העיכוב באותו שם.
סוגי עיכוב עיקריים
מטבעו של התהליך, העיכוב יכול להיות משני סוגים:
- בלתי הפיך - גורם לשינויים מתמשכים במולקולת האנזים, מונע ממנה פעילות תפקודית (לא ניתן לשחזר את האחרונה). זה יכול להיות ספציפי או לא ספציפי. המעכב נקשר חזק לאנזים באמצעות אינטראקציה קוולנטית.
- Reversible - הסוג העיקרי של ויסות שלילי של אנזימים. היא מתבצעת עקב ההתקשרות הספציפית הפיכה של המעכב לחלבון האנזים על ידי קשרים לא קוולנטיים חלשים, הניתנים לתיאור קינטי לפי משוואת מיכאליס-מנטן (למעט ויסות אלוסטרי).
ישנם שני סוגים עיקריים של עיכוב אנזימים הפיך: תחרותי (עשוי להיות מוחלש על ידי הגדלת ריכוז המצע) ואי-תחרותי. במקרה האחרון, קצב הקטליזה המקסימלי האפשרי יורד.
ההבדל העיקרי בין עיכוב תחרותי ללא-תחרותי טמון באתר ההתקשרות של החומר המווסת לאנזים. במקרה הראשון, המעכב נקשר ישירות לאתר הפעיל, ובמקרה השני, לאתר אחר של האנזים, או לקומפלקס האנזים-סובסטרט.
יש גם סוג מעורב של עיכוב, שבו התקשרות למעכב אינה מונעת היווצרות ES, אלא מאטה את הקטליזה. במקרה זה, החומר המווסת הוא בהרכב של קומפלקסים כפולים או משולשים (EI ו-EIS). בסוג הלא תחרותי, האנזים נקשר רק ל-ES.
תכונות של עיכוב תחרותי הפיך של אנזימים
מנגנון העיכוב התחרותי מבוסס על הדמיון המבני של החומר המווסת עם המצע. כתוצאה מכך, נוצר קומפלקס של המרכז הפעיל עם המעכב, המכונה בדרך כלל EI.
עיכוב תחרותי הפיך כולל את התכונות הבאות:
- התקשרות למעכב מתרחשת באתר הפעיל;
- השבתה של מולקולת האנזים היא הפיכה;
- ניתן להפחית את ההשפעה המעכבת על ידי הגדלת ריכוז המצע;
- מעכב אינו משפיע על הקצב המרבי של קטליזה אנזימטית;
- קומפלקס EI יכול להתפרק, שמאופיין בקבוע הדיסוציאציה המתאים.
עם סוג זה של ויסות, נראה שהמעכב והמצע מתחרים (מתחרים) זה בזה על מקום במרכז הפעיל, ומכאן שם התהליך.
כתוצאה מכך, ניתן להגדיר עיכוב תחרותי כתהליך הפיך של עיכוב קטליזה אנזימטית, המבוסס על הזיקה הספציפית של האתר הפעיל לחומר המעכב.
מנגנון פעולה
שיתוף אינטרנט בין קשרמעכב עם אתר פעיל מונע היווצרות של קומפלקס אנזים-סובסטרט הדרוש לקטליזה. כתוצאה מכך, מולקולת האנזים הופכת ללא פעילה. עם זאת, המרכז הקטליטי יכול להיקשר לא רק למעכב, אלא גם למצע. ההסתברות להיווצרות קומפלקס כזה או אחר תלויה ביחס הריכוזים. אם יש הרבה יותר מולקולות סובסטרט, אז האנזים יגיב איתן לעתים קרובות יותר מאשר עם המעכב.
השפעה על קצב תגובה כימית
דרגת העיכוב של הקטליזה במהלך עיכוב תחרותי נקבעת לפי כמה מהאנזים ייצור קומפלקסים של EI. במקרה זה, ניתן להעלות את ריכוז הסובסטרט עד כדי כך שתפקיד המעכב יוחלף, וקצב הקטליזה יגיע לערך המקסימלי האפשרי המתאים לערך Vmaxלפי משוואת מיכאליס-מנטן.
תופעה זו נובעת מהדילול החזק של המעכב. כתוצאה מכך, ההסתברות של מולקולות אנזים להיקשר אליו פוחתת לאפס, ומרכזים פעילים מגיבים רק עם הסובסטרט.
תלות קינטית של תגובה אנזימטית המערבת מעכב תחרותי
עיכוב תחרותי מגדיל את קבוע Michaelis (Km), השווה לריכוז הסובסטרט הנדרש כדי להשיג ½ מהקצב המרבי של קטליזה בתחילת התגובה. כמות האנזים המסוגלת באופן היפותטי להיקשר למצע נשארת קבועה, בעוד שמספר ES-קומפלקסים תלויים רק בריכוז האחרון (מתחמי EI אינם קבועים וניתנים לעקירה על ידי המצע).
עיכוב תחרותי של אנזימים קל לקבוע מהגרפים של התלות הקינטית הבנויה לריכוזים שונים של המצע. במקרה זה, הערך של Km ישתנה, בעוד ש-Vmax יישאר קבוע.
עם עיכוב לא תחרותי, ההפך הוא הנכון: המעכב נקשר מחוץ למרכז הפעיל ונוכחות הסובסטרט לא יכולה להשפיע על כך בשום צורה. כתוצאה מכך, חלק ממולקולות האנזים "מכבות" מקטליזה, והקצב המרבי האפשרי יורד. עם זאת, מולקולות אנזים פעילות יכולות להיקשר בקלות למצע הן בריכוז נמוך והן בריכוז גבוה של האחרון. לכן, קבוע מיכאליס נשאר קבוע.
גרפים של עיכוב תחרותי במערכת הקואורדינטות ההפוכות הכפולות הם כמה קווים ישרים החותכים את ציר ה-y בנקודה 1/Vmax. כל קו ישר מתאים לריכוז מסוים של המצע. נקודות חיתוך שונות עם ציר האבססיס (1/[S]) מצביעות על שינוי בקבוע מיכאליס.
פעולה של מעכב תחרותי על הדוגמה של malonate
דוגמה טיפוסית לעיכוב תחרותי הוא תהליך הפחתת הפעילות של succinate dehydrogenase, אנזים המזרז את החמצון של חומצה succinat (succinate) לחומצה פומארית. כאן בתור מעכבמעשים מאלונים, בעלי דמיון מבני לסוקסינאט.
הוספת מעכב למדיום גורמת להיווצרות קומפלקסים של מלונט עם succinate dehydrogenase. קשר כזה אינו גורם נזק לאתר הפעיל, אלא חוסם את הנגישות שלו לחומצה סוקסינית. הגדלת ריכוז הסוקסינאט מפחיתה את ההשפעה המעכבת.
שימוש רפואי
פעולתן של תרופות רבות, שהן אנלוגים מבניים למצעים של כמה מסלולים מטבוליים, שעיכובם הוא חלק הכרחי בטיפול במחלות, מבוססת על מנגנון העיכוב התחרותי.
לדוגמה, כדי לשפר את ההולכה של דחפים עצביים במחלת ניוון שרירים, נדרש להעלות את רמת האצטילכולין. זה מושג על ידי עיכוב הפעילות של אצטילכולין אסטראז המשמש בהידרוליזה. המעכבים הם בסיסי אמוניום רבעוני שהם חלק מתרופות (פרורזין, אנדרופוניום וכו').
אנטימטבוליטים מובחנים לקבוצה מיוחדת, אשר בנוסף להשפעה המעכבת, מציגה תכונות של פסאודו-סובסטרט. במקרה זה, היווצרות קומפלקס EI מובילה להיווצרות של מוצר אנומלי אינרטי מבחינה ביולוגית. אנטי-מטבוליטים כוללים סולפנאמידים (המשמשים לטיפול בזיהומים חיידקיים), אנלוגים של נוקלאוטידים (המשמשים לעצירת צמיחת תאים של גידול סרטני), וכו'.
