การยับยั้งการแข่งขัน: คำจำกัดความ คุณลักษณะ และตัวอย่าง

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

ปฏิกิริยาทางชีวเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นในร่างกายอยู่ภายใต้การควบคุมเฉพาะ ซึ่งดำเนินการผ่านผลการกระตุ้นหรือยับยั้งเอนไซม์ควบคุม อย่างหลังมักจะอยู่ที่จุดเริ่มต้นของห่วงโซ่ของการเปลี่ยนแปลงเมตาบอลิซึม และเริ่มกระบวนการหลายขั้นตอนหรือช้าลง ปฏิกิริยาเดี่ยวบางปฏิกิริยายังอยู่ภายใต้การควบคุม การยับยั้งการแข่งขันเป็นหนึ่งในกลไกหลักในการควบคุมกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์

การยับยั้งคืออะไร

กลไกการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ขึ้นอยู่กับการจับกันของไซต์แอคทีฟของเอนไซม์กับโมเลกุลของสารตั้งต้น (ES complex) ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีกับการก่อตัวและการปล่อยผลิตภัณฑ์ (E+S=ES=EP=E+P).

การยับยั้งเอนไซม์คือการลดอัตราหรือหยุดกระบวนการเร่งปฏิกิริยาโดยสมบูรณ์ ให้แคบลงความรู้สึก คำนี้หมายถึงการลดลงของความสัมพันธ์ของศูนย์ที่ใช้งานอยู่สำหรับสารตั้งต้น ซึ่งทำได้โดยการจับโมเลกุลของเอนไซม์กับสารยับยั้ง หลังสามารถกระทำได้หลายวิธีโดยแบ่งออกเป็นหลายประเภทซึ่งสอดคล้องกับกลไกการยับยั้งที่มีชื่อเดียวกัน

การยับยั้งประเภทหลัก

โดยธรรมชาติของกระบวนการ การยับยั้งสามารถเป็นสองประเภท:

• กลับไม่ได้ - ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในโมเลกุลของเอนไซม์ ทำให้ขาดการทำงาน (ส่วนหลังไม่สามารถกู้คืนได้) อาจเป็นแบบเฉพาะเจาะจงหรือไม่เฉพาะเจาะจงก็ได้ สารยับยั้งจับกับเอ็นไซม์อย่างแน่นหนาผ่านการโต้ตอบของโควาเลนต์
• ย้อนกลับได้ - ประเภทหลักของการควบคุมเอนไซม์เชิงลบ มันถูกดำเนินการเนื่องจากการยึดติดจำเพาะแบบย้อนกลับได้ของตัวยับยั้งกับโปรตีนของเอนไซม์โดยพันธะที่ไม่ใช่โควาเลนต์ที่อ่อนแอ ซึ่งคล้อยตามคำอธิบายจลนศาสตร์ตามสมการของ Michaelis-Menten (ยกเว้นการควบคุม allosteric)

การยับยั้งเอนไซม์ย้อนกลับมีสองประเภทหลัก: การแข่งขัน (อาจถูกลดทอนโดยการเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น) และไม่ใช่การแข่งขัน ในกรณีหลัง อัตราการเร่งปฏิกิริยาสูงสุดที่เป็นไปได้จะลดลง

ความแตกต่างหลักระหว่างการยับยั้งการแข่งขันและการไม่แข่งขันอยู่ที่บริเวณที่สารควบคุมกับเอนไซม์ ในกรณีแรก สารยับยั้งจะจับกับสารออกฤทธิ์โดยตรง และในกรณีที่สอง กับตำแหน่งอื่นของเอ็นไซม์ หรือกับสารตั้งต้นของเอนไซม์-ซับสเตรต

นอกจากนี้ยังมีการยับยั้งแบบผสม ซึ่งการจับกับตัวยับยั้งไม่ได้ป้องกันการก่อตัวของ ES แต่ชะลอการเร่งปฏิกิริยา ในกรณีนี้ สารควบคุมอยู่ในองค์ประกอบของสารเชิงซ้อนสองหรือสาม (EI และ EIS) ในประเภทที่ไม่มีการแข่งขัน เอ็นไซม์จับกับ ES เท่านั้น

คุณลักษณะของการยับยั้งการแข่งขันของเอนไซม์แบบย้อนกลับได้

กลไกการแข่งขันของการยับยั้งอยู่บนพื้นฐานของความคล้ายคลึงกันทางโครงสร้างของสารควบคุมกับสารตั้งต้น เป็นผลให้เกิดความซับซ้อนของศูนย์แอคทีฟที่มีตัวยับยั้งซึ่งกำหนดตามอัตภาพเป็น EI

การยับยั้งการแข่งขันแบบย้อนกลับได้มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• การผูกมัดกับตัวยับยั้งเกิดขึ้นที่ไซต์แอคทีฟ
• การหยุดการทำงานของโมเลกุลของเอนไซม์สามารถย้อนกลับได้;
• ผลการยับยั้งสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น
• ตัวยับยั้งไม่ส่งผลต่ออัตราสูงสุดของตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์
• EI คอมเพล็กซ์สามารถย่อยสลายได้ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยค่าคงที่การแยกตัวที่สอดคล้องกัน

ด้วยกฎข้อบังคับประเภทนี้ ตัวยับยั้งและซับสเตรตดูเหมือนจะแข่งขันกัน (แข่งขัน) กันเพื่อให้ได้ที่ในศูนย์ปฏิบัติการ จึงเป็นที่มาของชื่อกระบวนการ

ด้วยเหตุนี้ การยับยั้งการแข่งขันสามารถกำหนดได้ว่าเป็นกระบวนการย้อนกลับของการยับยั้งการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ โดยพิจารณาจากความสัมพันธ์จำเพาะของตำแหน่งออกฤทธิ์สำหรับสารยับยั้ง

กลไกการออกฤทธิ์

ปล่อยสัญญาณสารยับยั้งที่มีสารออกฤทธิ์ป้องกันการก่อตัวของสารตั้งต้นของเอนไซม์ - สารตั้งต้นที่จำเป็นสำหรับการเร่งปฏิกิริยา เป็นผลให้โมเลกุลของเอนไซม์ไม่ทำงาน อย่างไรก็ตาม ศูนย์เร่งปฏิกิริยาสามารถผูกมัดไม่เพียงแต่กับตัวยับยั้งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารตั้งต้นด้วย ความน่าจะเป็นของการก่อตัวของสารเชิงซ้อนอย่างใดอย่างหนึ่งขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความเข้มข้น หากมีโมเลกุลของซับสเตรตมากกว่าอย่างมีนัยสำคัญ เอ็นไซม์จะทำปฏิกิริยากับพวกมันบ่อยกว่าตัวยับยั้ง

อิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ระดับการยับยั้งการเร่งปฏิกิริยาระหว่างการยับยั้งการแข่งขันนั้นพิจารณาจากปริมาณของเอนไซม์ที่จะสร้าง EI-complexes ในกรณีนี้ เป็นไปได้ที่จะเพิ่มความเข้มข้นของซับสเตรตจนถึงระดับที่บทบาทของตัวยับยั้งจะถูกแทนที่ และอัตราการเร่งปฏิกิริยาจะถึงค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ซึ่งสอดคล้องกับค่า V_{maxตามสมการของมิคาเอลิส-เมนเทน}

ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการเจือจางอย่างรุนแรงของสารยับยั้ง ด้วยเหตุนี้ ความน่าจะเป็นที่โมเลกุลของเอ็นไซม์จับกับมันจึงลดลงเป็นศูนย์ และศูนย์แอคทีฟจะทำปฏิกิริยากับซับสเตรตเท่านั้น

การพึ่งพาทางจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับตัวยับยั้งการแข่งขัน

การยับยั้งการแข่งขันจะเพิ่มค่าคงที่ของ Michaelis (K_{m) ซึ่งเท่ากับความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ต้องการเพื่อให้ได้อัตราการเร่งปฏิกิริยาสูงสุด ½ เมื่อเริ่มต้นปฏิกิริยา ปริมาณของเอ็นไซม์ที่สามารถจับกับซับสเตรตตามสมมุติฐานยังคงที่ ในขณะที่จำนวนของ ES-สารเชิงซ้อนขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นเท่านั้น (สารเชิงซ้อน EI ไม่คงที่และสามารถแทนที่ได้โดยสารตั้งต้น)}

การยับยั้งการแข่งขันของเอนไซม์นั้นง่ายต่อการตรวจสอบจากกราฟของการพึ่งพาจลนศาสตร์ที่สร้างขึ้นสำหรับความเข้มข้นที่แตกต่างกันของสารตั้งต้น ในกรณีนี้ ค่าของ K_m จะเปลี่ยนแปลง ในขณะที่ V_{max จะคงที่}

ด้วยการยับยั้งแบบไม่มีการแข่งขัน สิ่งที่ตรงกันข้ามคือความจริง: ตัวยับยั้งจะเกาะอยู่นอกศูนย์กลางที่แอคทีฟ และการมีอยู่ของซับสเตรตไม่สามารถส่งผลกระทบต่อสิ่งนี้ในทางใดทางหนึ่ง ด้วยเหตุนี้ โมเลกุลของเอนไซม์บางตัวจึง "ถูกปิด" จากการเร่งปฏิกิริยา และอัตราสูงสุดที่เป็นไปได้จะลดลง อย่างไรก็ตาม โมเลกุลของเอนไซม์ที่ออกฤทธิ์สามารถจับกับซับสเตรตได้อย่างง่ายดายทั้งที่ความเข้มข้นต่ำและความเข้มข้นสูงของสารตั้งต้น ดังนั้น ค่าคงที่มิคาเอลิสจึงคงที่

กราฟของการยับยั้งการแข่งขันในระบบพิกัดผกผันคู่คือเส้นตรงหลายเส้นที่ตัดกันแกน y ที่จุด 1/V_{max เส้นตรงแต่ละเส้นสอดคล้องกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น จุดตัดต่าง ๆ ที่มีแกน abscissa (1/[S]) บ่งชี้การเปลี่ยนแปลงในค่าคงที่ Michaelis}

การกระทำของตัวยับยั้งการแข่งขันในตัวอย่างของมาโลเนต

ตัวอย่างทั่วไปของการยับยั้งการแข่งขันคือกระบวนการลดการทำงานของซัคซิเนต ดีไฮโดรจีเนส เอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของกรดซัคซินิก (ซัคซิเนต) ให้เป็นกรดฟูมาริก ที่นี่เป็นตัวยับยั้งมาโลเนตมีโครงสร้างคล้ายคลึงกัน

การเพิ่มตัวยับยั้งไปยังสื่อทำให้เกิดสารเชิงซ้อนของมาโลเนตด้วยซัคซิเนต ดีไฮโดรจีเนส พันธะดังกล่าวไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อไซต์ที่ใช้งาน แต่ขัดขวางการเข้าถึงกรดซัคซินิก การเพิ่มความเข้มข้นของซัคซิเนตจะลดผลการยับยั้ง

การใช้ทางการแพทย์

การกระทำของยาหลายชนิดซึ่งเป็นโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันของสารตั้งต้นของวิถีทางเมตาบอลิซึมบางอย่าง การยับยั้งซึ่งเป็นส่วนที่จำเป็นในการรักษาโรคนั้นขึ้นอยู่กับกลไกการยับยั้งการแข่งขัน

ตัวอย่างเช่น เพื่อปรับปรุงการนำกระแสประสาทใน dystrophies ของกล้ามเนื้อ จำเป็นต้องเพิ่มระดับของ acetylcholine สิ่งนี้ทำได้โดยการยับยั้งการทำงานของไฮโดรไลซ์อะซิติลโคลีนเอสเตอเรส สารยับยั้งคือเบสควอเทอร์นารีแอมโมเนียมที่เป็นส่วนหนึ่งของยา (โพรเรซิน เอนโดรโฟเนียม ฯลฯ)

สารต้านเมตาบอลิซึมถูกแยกออกเป็นกลุ่มพิเศษ ซึ่งนอกจากจะมีฤทธิ์ยับยั้งแล้ว ยังแสดงคุณสมบัติของสารตั้งต้นเทียมอีกด้วย ในกรณีนี้ การก่อตัวของสารเชิงซ้อน EI นำไปสู่การก่อตัวของผลิตภัณฑ์ผิดปกติเฉื่อยทางชีวภาพ สารต้านเมตาบอลิซึม ได้แก่ ซัลโฟนาไมด์ (ใช้ในการรักษาโรคติดเชื้อแบคทีเรีย) สารอะนาล็อกของนิวคลีโอไทด์ (ใช้เพื่อหยุดการเจริญเติบโตของเซลล์ของเนื้องอกมะเร็ง) เป็นต้น