Ο ρόλος των αναστολέων ενζύμου στην ενζυμική κατάλυση
Οι αναστολείς ενζύμου είναι χημικές ουσίες που παρεμβαίνουν στην καταλυτική λειτουργία ενός ενζύμου, επιβραδύνοντας ή σταματώντας την κατάλυση σε ορισμένες περιπτώσεις. Η ανταγωνιστική, η μη ανταγωνιστική και η αναστολή υποστρώματος είναι τα τρία πιο κοινά είδη αναστολής ενζύμων.
Η ύπαρξη του συμπλόκου ES ενζύμου-υποστρώματος βρίσκεται στο επίκεντρο των περισσότερων θεωριών αναστολής. Η ύπαρξη παροδικών δομών ES έχει επιβεβαιωθεί στο εργαστήριο.
Η ανταγωνιστική αναστολή συμβαίνει όταν τόσο το υπόστρωμα όσο και μια χημική ουσία που μοιάζει με το υπόστρωμα δίνονται στο ένζυμο. Η «θεωρία κλειδιού-κλειδιού» των ενζυμικών καταλυτών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει γιατί συμβαίνει η αναστολή.
Η έννοια του "ενεργού ιστότοπου" χρησιμοποιείται στη θεωρία κλειδαριάς και κλειδιού. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, μια περιοχή της επιφάνειας του ενζύμου έχει μεγάλη συγγένεια με το υπόστρωμα. Το υπόστρωμα συγκρατείται με τέτοιο τρόπο ώστε να μετατρέπεται ευκολότερα σε προϊόντα αντίδρασης. Εάν πάρουμε το ένζυμο ως κλειδαριά και το υπόστρωμα ως κλειδί, το κλειδί εισάγεται στην κλειδαριά, η πόρτα ανοίγει και αρχίζει η αντίδραση.
Όταν υπάρχει ένας αναστολέας που μοιάζει με το υπόστρωμα, θα ανταγωνιστεί το υπόστρωμα για τη θέση κλειδώματος του ενζύμου. Όταν επικρατήσει ο αναστολέας, παίρνει τον έλεγχο της κλειδαριάς αλλά δεν μπορεί να την ξεκλειδώσει.
Σαν αποτέλεσμα, η παρατηρούμενη διαδικασία επιβραδύνεται επειδή ο αναστολέας έχει καταλάβει μέρος των προσβάσιμων θέσεων ενζύμων. Εάν υπάρχει μια ξένη ουσία που δεν είναι συμβατή με το σημείο, το ένζυμο την απορρίπτει, δέχεται το υπόστρωμα και η αντίδραση συνεχίζεται σωστά.
Οι μη ανταγωνιστικοί αναστολείς είναι ουσίες που, όταν προστίθενται σε ένα ένζυμο, κάνουν το ένζυμο να μην μπορεί να δεχτεί το υπόστρωμα.
Επομένως, η παρατηρούμενη αντίδραση επιβραδύνεται επειδή ορισμένες από τις διαθέσιμες θέσεις ενζύμων καταλαμβάνονται από τον αναστολέα. Εάν υπάρχει μια ανόμοια ουσία που δεν ταιριάζει στο σημείο, το ένζυμο την απορρίπτει, δέχεται το υπόστρωμα και η αντίδραση προχωρά κανονικά.
Μη ανταγωνιστικοί αναστολείς θεωρούνται ουσίες που, όταν προστίθενται στο ένζυμο, αλλοιώνουν το ένζυμο με τρόπο που δεν μπορεί να δεχτεί το υπόστρωμα.
Τύποι ενζυματικών αναστολέων
Αναστολή ανταγωνισμού
Το υπόστρωμα και ο αναστολέας δεν μπορούν να συνδεθούν με το ένζυμο ταυτόχρονα σε ανταγωνιστική αναστολή. Αυτό οφείλεται κυρίως στη συγγένεια του αναστολέα για την ενεργό θέση ενός ενζύμου, όπου δεσμεύεται και το υπόστρωμα. το υπόστρωμα και ο αναστολέας ανταγωνίζονται για πρόσβαση στην ενεργή θέση.
Αυτή η μορφή αναστολής μπορεί να παρακαμφθεί χρησιμοποιώντας αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος (το Vmax παραμένει σταθερό), δηλαδή ξεπερνώντας τον ανταγωνισμό του αναστολέα. Ωστόσο, επειδή απαιτείται μεγαλύτερη συγκέντρωση του υποστρώματος για να φτάσει στο σημείο Km, ή το μισό του Vmax, το φαινομενικό Km θα αυξηθεί. Οι ανταγωνιστικοί αναστολείς είναι συχνά δομικά πανομοιότυποι με το πραγματικό υπόστρωμα.
Μη ανταγωνιστική αναστολή
Το υπόστρωμα και ο αναστολέας δεν μπορούν να συνδεθούν με το ένζυμο ταυτόχρονα σε μη ανταγωνιστική αναστολή. Αυτό οφείλεται κυρίως στη συγγένεια του αναστολέα για την ενεργό θέση ενός ενζύμου, όπου δεσμεύεται και το υπόστρωμα. Το υπόστρωμα και ο αναστολέας ανταγωνίζονται για πρόσβαση στην ενεργή θέση. Αυτή η μορφή αναστολής μπορεί να παρακαμφθεί χρησιμοποιώντας αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος (το Vmax παραμένει σταθερό), δηλαδή ξεπερνώντας τον αναστολέα. Ωστόσο, επειδή απαιτείται μεγαλύτερη συγκέντρωση του υποστρώματος για να φτάσει στο σημείο Km, ή το μισό του Vmax, το φαινομενικό Km θα αυξηθεί. Οι ανταγωνιστικοί αναστολείς είναι συχνά δομικά πανομοιότυποι με το πραγματικό υπόστρωμα.
Μη ανταγωνιστική αναστολή
Η δέσμευση του αναστολέα με το ένζυμο μειώνει τη δραστηριότητά του, αλλά δεν έχει καμία επίδραση στη σύνδεση του υποστρώματος σε μη ανταγωνιστική αναστολή. Ως αποτέλεσμα, η έκταση της αναστολής καθορίζεται αποκλειστικά από τη συγκέντρωση του αναστολέα. Λόγω της αδυναμίας της αντίδρασης να εκτελεστεί τόσο αποτελεσματικά, το Vmax θα μειωθεί, αλλά τα Km θα παραμείνουν αμετάβλητα επειδή η πραγματική δέσμευση του υποστρώματος, εξ ορισμού, θα συνεχίσει να λειτουργεί κανονικά.
Μικτή αναστολή
Στη μικτή αναστολή, ο αναστολέας και το υπόστρωμα του ενζύμου μπορούν και τα δύο να συνδεθούν με το ένζυμο. Ωστόσο, η δέσμευση του αναστολέα επηρεάζει τη δέσμευση του υποστρώματος και αντίστροφα.
Αυτός ο τύπος αναστολής μπορεί να μειωθεί αλλά όχι να εξαλειφθεί αυξάνοντας τις συγκεντρώσεις του υποστρώματος. Αν και οι αναστολείς μικτού τύπου μπορούν να συνδεθούν στο ενεργό κέντρο, η πλειονότητα της αναστολής οφείλεται σε αλλοστερικό αποτέλεσμα, στο οποίο ο αναστολέας συνδέεται σε διαφορετικό σημείο του ενζύμου.
Η λειτουργία των αναστολέων ενζύμου
Επηρεάζοντας τα καταλυτικά χαρακτηριστικά του ενζύμου και αποκλείοντας την ενεργό θέση του, οι αναστολείς ενζύμου μειώνουν τη δραστηριότητά του.
Μια αντίδραση που καταλύεται από ένζυμα επιβραδύνεται.
Τα κύτταρα χρησιμοποιούν αναστολείς ως ρυθμιστικό μηχανισμό.
Ο ρόλος των αναστολέων ενζύμου
Τα ένζυμα δεν αναστέλλουν τις καταλυτικές αντιδράσεις, καθώς ο βασικός σκοπός ενός ενζύμου είναι να καταλύει αντιδράσεις. Αντίθετα, οι αναστολείς επιβραδύνουν ή σταματούν εντελώς τη λειτουργία ενός ενζύμου. Τα ένζυμα έχουν ενεργές θέσεις που επιτρέπουν σε ορισμένα υποστρώματα να ταιριάζουν (άρα διασπώνται ή συναρμολογούνται υποστρώματα). Τα ένζυμα μπορούν να έχουν περισσότερες από μία ενεργές θέσεις και μπορούν επίσης να έχουν άλλες περιοχές που επιτρέπουν σε «ξένα» μόρια να επιτύχουν άλλες εργασίες.
Υπάρχουν δύο τύποι αναστολέων:ανταγωνιστικοί και μη ανταγωνιστικοί αναστολείς. Οι ανταγωνιστικοί αναστολείς έχουν χημική δομή παρόμοια με αυτή του κανονικού υποστρώματος ενός ενζύμου που του επιτρέπει να χωράει στην ενεργό θέση του ενζύμου. Η διαφορά είναι ότι δεν διασπάται όπως τα κανονικά υποστρώματα, εμποδίζοντας έτσι αυτή την ενεργή θέση να καταλύει άλλες αντιδράσεις. Αυτοί οι αναστολείς είναι συνήθως προσωρινοί και θα απομακρυνθούν από την ενεργή τοποθεσία μέσω συγκεκριμένων ενεργειών.
Θα επιτευχθεί ο μέγιστος ρυθμός του αντιδραστήρα, αλλά πολύ πιο αργός καθώς ανταγωνιστικοί αναστολείς «αντικαθιστούν» τα υποστρώματα. Η λέξη «ανταγωνιστικό» αναφέρεται στο γεγονός ότι ανταγωνίζεται το πραγματικό υπόστρωμα που επιβραδύνει την καταλυτική λειτουργία.
Οι μη ανταγωνιστικοί αναστολείς, από την άλλη πλευρά, δεν συνδέονται με την ενεργή θέση αλλά μάλλον με άλλη θέση του ενζύμου. Όταν συνδέεται με ένα ένζυμο, θα αλλάξει το σχήμα της ενεργού θέσης του ενζύμου, που σημαίνει ότι τα υποστρώματα δεν μπορούν πλέον να χωρέσουν σε αυτό και έτσι δεν θα καταλυθούν (μετουσιώνοντας το ένζυμο). Συνήθως είναι μόνιμη.
Ο αριθμός των ελεύθερων ενζύμων είναι ο περιοριστικός παράγοντας στον μέγιστο ρυθμό αντίδρασης. Έτσι, εάν το ένζυμο αφαιρέσει μερικά από αυτά τα ένζυμα, θα μειώσει τον μέγιστο ρυθμό αντίδρασης. Οι ανταγωνιστικοί αναστολείς έχουν το ίδιο Vmax (μέγιστος ρυθμός αντίδρασης) επειδή ανταγωνίζεται το υπόστρωμα. Αυτό σημαίνει ότι εάν ο αριθμός των μορίων του υποστρώματος υπερβαίνει κατά πολύ τον αριθμό των ανταγωνιστικών αναστολέων, οι αναστολείς δεν θα έχουν ποτέ την ευκαιρία να φτάσουν στο ένζυμο λόγω του τεράστιου αριθμού των υποστρωμάτων. Αυτά τα υποστρώματα θα καταναλώσουν όλο το χώρο στην ενεργή τοποθεσία. Οι μη ανταγωνιστικοί αναστολείς ονομάζονται έτσι επειδή δεν ανταγωνίζονται τους αναστολείς, αλλά συνδέονται με το ένζυμο μέσω μιας «αποκλειστικής» τοποθεσίας.
Το σώμα χρησιμοποιεί αναστολείς για να ελέγξει τις διαδικασίες στο σώμα μας, όπως τις μεταβολικές διεργασίες. Μερικές φορές τα προϊόντα αυτών των διεργασιών μπορεί να είναι αναστολείς για ένζυμα στη διαδικασία, επομένως όσο περισσότερα προϊόντα παράγονται, τόσο πιο αργή είναι η διαδικασία.
Συμπέρασμα
Οι αναστολείς ενζύμων μπορούν να βρεθούν στη φύση ή να συντεθούν σε εργαστήριο. Οι αναστολείς ενζύμων είναι φυσικοί αναστολείς ενζύμων που είναι απαραίτητοι για την επιβίωση και ρυθμίζουν μια σειρά μεταβολικών δραστηριοτήτων. Επιπλέον, τα φυσικά δηλητήρια είναι τυπικά αναστολείς ενζύμων που έχουν εξελιχθεί για να κάνουν τους θηρευτές, τα θηράματα και τα ανταγωνιστικά είδη τοξικά. Αυτά τα φυσικά δηλητήρια περιέχουν μερικές από τις πιο θανατηφόρες ουσίες στη γη.
Οι τεχνητοί αναστολείς περιλαμβάνουν εντομοκτόνα όπως το μαλαθείο, ζιζανιοκτόνα όπως το glyphosate και απολυμαντικά όπως το triclosan. Άλλοι αναστολείς συνθετικών ενζύμων μπλοκάρουν το ένζυμο ακετυλχολινεστεράση, το οποίο διασπά την ακετυλοχολίνη και χρησιμοποιούνται ως νευρικοί παράγοντες στον χημικό πόλεμο.
