Inhibidor enzimático

En la inhibición competitiva, el sustrato y el inhibidor no pueden unirse a la enzima al mismo tiempo. ^{[ 17 ] : 134} Esto suele deberse a que el inhibidor tiene afinidad por el sitio activo de la enzima donde también se une el sustrato; el sustrato y el inhibidor compiten por el acceso al sitio activo de la enzima. Este tipo de inhibición puede superarse con concentraciones suficientemente altas de sustrato ( Vmax permanece constante), es decir, compitiendo con el inhibidor. ^{[ 17 ] : 134–135} Sin embargo, la Km aparente _aumentará , ya que se requiere una mayor concentración de sustrato para alcanzar el punto de Km, o la mitad de la _Vmax . _{Los inhibidores competitivos suelen tener una estructura similar a la del sustrato real (véase ,} por ejemplo , la figura "metotrexato frente a folato" en la sección "Fármacos" ). ^{[ 17 ] : 134}

In uncompetitive inhibition the inhibitor binds only to the enzyme-substrate complex.^[17]:139 This type of inhibition causes V_max to decrease (maximum velocity decreases as a result of removing activated complex) and K_m to decrease (due to better binding efficiency as a result of Le Chatelier's principle and the effective elimination of the ES complex thus decreasing the K_m which indicates a higher binding affinity).^[18] Uncompetitive inhibition is rare.^[17]:139[19]

In non-competitive inhibition the binding of the inhibitor to the enzyme reduces its activity but does not affect the binding of substrate.^[16] This type of inhibitor binds with equal affinity to the free enzyme as to the enzyme-substrate complex. It can be thought of as having the ability of competitive and uncompetitive inhibitors, but with no preference to either type. As a result, the extent of inhibition depends only on the concentration of the inhibitor. V_max will decrease due to the inability for the reaction to proceed as efficiently, but K_m will remain the same as the actual binding of the substrate, by definition, will still function properly.^[20]

En la inhibición mixta, el inhibidor puede unirse a la enzima independientemente de si el sustrato ya se ha unido. Por lo tanto, la inhibición mixta es una combinación de inhibición competitiva y no competitiva. ^{[ 16 ]} Además, la afinidad del inhibidor por la enzima libre y el complejo enzima-sustrato puede diferir. ^{[ 17 ] : 136–139} Al aumentar las concentraciones de sustrato [S], este tipo de inhibición puede reducirse (debido a la contribución competitiva), pero no superarse por completo (debido al componente no competitivo). ^{[ 21 ] : 381–382} Aunque es posible que los inhibidores de tipo mixto se unan al sitio activo, este tipo de inhibición generalmente resulta de un efecto alostérico donde el inhibidor se une a un sitio diferente en una enzima. La unión del inhibidor a este sitio alostérico cambia la conformación (es decir, la estructura terciaria o forma tridimensional) de la enzima de modo que la afinidad del sustrato por el sitio activo se reduce. ^{[ 22 ]}

Estos cuatro tipos de inhibición también se pueden distinguir por el efecto del aumento de la concentración del sustrato [S] sobre el grado de inhibición causado por una cantidad dada de inhibidor. En la inhibición competitiva, el grado de inhibición disminuye al aumentar [S]; en la inhibición no competitiva, el grado de inhibición permanece inalterado; y en la inhibición acompetitiva (también llamada anticompetitiva), el grado de inhibición aumenta con [S]. ^{[ 23 ]}

La inhibición reversible puede describirse cuantitativamente en términos de la unión del inhibidor a la enzima y al complejo enzima-sustrato, y sus efectos sobre las constantes cinéticas de la enzima. ^{[ 24 ] : 6} En el esquema clásico de Michaelis-Menten (mostrado en el diagrama del "mecanismo esquemático de inhibición"), una enzima (E) se une a su sustrato (S) para formar el complejo enzima-sustrato ES. Tras la catálisis, este complejo se descompone para liberar el producto P y la enzima libre. ^{[ 24 ] : 55} El inhibidor (I) puede unirse a E o a ES con las constantes de disociación K _i o K _i ', respectivamente. ^{[ 24 ] : 87}

• Los inhibidores competitivos pueden unirse a E, pero no a ES. La inhibición competitiva aumenta K _m (es decir, el inhibidor interfiere con la unión del sustrato), pero no afecta a V _max (el inhibidor no obstaculiza la catálisis en ES porque no puede unirse a ES). ^{[ 24 ] : 102}
• Los inhibidores no competitivos se unen a ES. La inhibición no competitiva disminuye tanto K _m como V _max . El inhibidor afecta la unión del sustrato al aumentar la afinidad de la enzima por el sustrato (disminuyendo K _m ) y al dificultar la catálisis (disminuyendo V _max ). ^{[ 24 ] : 106}
• Los inhibidores no competitivos tienen afinidades idénticas por E y ES ( K _i = K _i '). La inhibición no competitiva no cambia K _m (es decir, no afecta la unión del sustrato) pero disminuye V _max (es decir, la unión del inhibidor dificulta la catálisis). ^{[ 24 ] : 97}
• Los inhibidores de tipo mixto se unen tanto a E como a ES, pero sus afinidades por estas dos formas de la enzima son diferentes ( K _i ≠ K _i '). Por lo tanto, los inhibidores de tipo mixto afectan la unión del sustrato (aumentan o disminuyen K _m ) y dificultan la catálisis en el complejo ES (disminuyen V _max ). ^{[ 25 ] : 63–64}

Cuando una enzima tiene múltiples sustratos, los inhibidores pueden mostrar diferentes tipos de inhibición según el sustrato considerado. Esto se debe a que el sitio activo contiene dos sitios de unión distintos, uno para cada sustrato. Por ejemplo, un inhibidor podría competir con el sustrato A por el primer sitio de unión, pero ser un inhibidor no competitivo con respecto al sustrato B en el segundo sitio de unión. ^{[ 26 ]}

Tradicionalmente, los inhibidores enzimáticos reversibles se han clasificado como competitivos, no competitivos o acompetitivos, según sus efectos sobre K _m y V _max . ^{[ 14 ]} Estos tres tipos de inhibición resultan respectivamente de la unión del inhibidor solo a la enzima E en ausencia del sustrato S, al complejo enzima-sustrato ES, o a ambos. La división de estas clases surge de un problema en su derivación y resulta en la necesidad de usar dos constantes de unión diferentes para un evento de unión. ^{[ 27 ]} Además, se asume que la unión del inhibidor a la enzima resulta en una inhibición del 100% y no considera la posibilidad de inhibición parcial. ^{[ 27 ]} La forma común del término inhibidor también oscurece la relación entre la unión del inhibidor a la enzima y su relación con cualquier otro término de unión, ya sea la ecuación de Michaelis-Menten o una curva de respuesta a la dosis asociada con la unión del ligando al receptor. Para demostrar la relación, se puede hacer el siguiente reordenamiento: ^{[ 28 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}{\cfrac {V_{\max }}{1+{\cfrac {\ce {[I]}}{K_{i}}}}}&={V_{\max }}\left({\cfrac {K_{i}}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}\right)&&{\text{multiplicar por }}{\cfrac {K_{i}}{K_{i}}}=1\\&={V_{\max }}\left({\cfrac {K_{i}+[{\ce {I}}]-[{\ce {I}}]}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}\right)&&{\text{sumar }}[{\ce {I}}]-[{\ce {I}}]=0{\text{ al numerador}}\\&={V_{\max }}\left(1-{\cfrac {[{\ce {I}}]}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}\right)&&{\text{simplificar }}{\cfrac {K_{i}+[{\ce {I}}]}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}=1\\&=V_{\max }-V_{\max }{\cfrac {\ce {[I]}}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}&&{\text{multiplicar por }}V_{\max }\end{aligned}}}$

Esta reorganización demuestra que, de forma similar a la ecuación de Michaelis-Menten, la velocidad máxima de reacción depende de la proporción de la población enzimática que interactúa con su sustrato.

fracción de la población enzimática unida al sustrato

${\displaystyle {\cfrac {\ce {[S]}}{[{\ce {S}}]+K_{m}}}}$

fracción de la población enzimática unida por el inhibidor

${\displaystyle {\cfrac {\ce {[I]}}{[{\ce {I}}]+K_{i}}}}$

El efecto del inhibidor es resultado del porcentaje de la población enzimática que interactúa con él. El único problema de esta ecuación en su forma actual es que asume una inhibición absoluta de la enzima con la unión del inhibidor, cuando en realidad puede haber una amplia gama de efectos, desde una inhibición del 100% del recambio del sustrato hasta ninguna inhibición. Para tener esto en cuenta, la ecuación se puede modificar fácilmente para permitir diferentes grados de inhibición incluyendo un término delta V _max . ^{[ 29 ] : 361}

${\displaystyle V_{\max }-\Delta V_{\max }{\cfrac {\ce {[I]}}{[{\ce {I}}]+K_{i}}}}$

o

${\displaystyle V_{\max 1}-(V_{\max 1}-V_{\max 2}){\cfrac {\ce {[I]}}{[{\ce {I}}]+K_{i}}}}$

Este término puede definir la actividad enzimática residual presente cuando el inhibidor interactúa con enzimas individuales en la población. Sin embargo, la inclusión de este término tiene el valor añadido de permitir la posibilidad de activación si el término Vmax secundario resulta ser mayor que el término _inicial . Para tener en cuenta también la posibilidad de activación, la notación puede reescribirse reemplazando el inhibidor "I" por un término modificador (estimulador o inhibidor) denotado aquí como "X". ^{[ 28 ] : ec. 13}

${\displaystyle V_{\max 1}-(V_{\max 1}-V_{\max 2}){\cfrac {\ce {[X]}}{[{\ce {X}}]+K_{x}}}}$

Si bien esta terminología simplifica el tratamiento de los efectos cinéticos relacionados con la velocidad máxima de la ecuación de Michaelis-Menten, pone de manifiesto posibles problemas con el término utilizado para describir los efectos relacionados con la K _m . La K _m, relacionada con la afinidad de la enzima por el sustrato, debería, en la mayoría de los casos, estar relacionada con posibles cambios en el sitio de unión de la enzima que resultarían directamente de las interacciones enzima-inhibidor. Por lo tanto, un término similar al término delta V _max propuesto anteriormente para modular V _max debería ser apropiado en la mayoría de las situaciones: ^{[ 28 ] : ec. 14}

${\displaystyle K_{m1}-(K_{m1}-K_{m2}){\cfrac {\ce {[X]}}{[{\ce {X}}]+K_{x}}}}$

Un inhibidor enzimático se caracteriza por su constante de disociación K _i , la concentración a la que el inhibidor ocupa la mitad de la enzima. En la inhibición no competitiva, el inhibidor también puede unirse al complejo enzima-sustrato, y la presencia de sustrato unido puede cambiar la afinidad del inhibidor por la enzima, lo que resulta en una segunda constante de disociación K _i '. Por lo tanto, K _i y K _i ' son las constantes de disociación del inhibidor para la enzima y para el complejo enzima-sustrato, respectivamente. ^{[ 30 ] : Glosario} La constante enzima-inhibidor K _i puede medirse directamente mediante varios métodos; un método especialmente preciso es la calorimetría de titulación isotérmica , en la que el inhibidor se titula en una solución de enzima y se mide el calor liberado o absorbido. ^{[ 31 ]} Sin embargo, la otra constante de disociación K _i ' es difícil de medir directamente, ya que el complejo enzima-sustrato es de corta duración y está experimentando una reacción química para formar el producto. Por lo tanto, K _i ' se suele medir indirectamente, observando la actividad enzimática bajo diversas concentraciones de sustrato e inhibidor, y ajustando los datos mediante regresión no lineal ^{[ 32 ]} a una ecuación de Michaelis-Menten modificada . ^{[ 21 ]}

${\displaystyle V={\frac {V_{max}[S]}{\alpha K_{m}+\alpha ^{\prime }[S]}}={\frac {(1/\alpha ^{\prime })V_{max}[S]}{(\alpha /\alpha ^{\prime })K_{m}+[S]}}}$

donde los factores modificadores α y α' se definen por la concentración del inhibidor y sus dos constantes de disociación.

${\displaystyle \alpha =1+{\frac {[I]}{K_{i}}}}$

${\displaystyle \alpha ^{\prime }=1+{\frac {[I]}{K_{i}^{\prime }}}.}$

Así, en presencia del inhibidor, la K _m y la V _max efectivas de la enzima se convierten en (α/α') K _m y (1/α') V _max , respectivamente. Sin embargo, la ecuación de Michaelis-Menten modificada supone que la unión del inhibidor a la enzima ha alcanzado el equilibrio, lo cual puede ser un proceso muy lento para inhibidores con constantes de disociación subnanomolares. En estos casos, la inhibición se vuelve prácticamente irreversible, por lo que resulta más práctico tratar a estos inhibidores de unión fuerte como irreversibles (véase más adelante ).

Los efectos de diferentes tipos de inhibidores enzimáticos reversibles sobre la actividad enzimática pueden visualizarse mediante representaciones gráficas de la ecuación de Michaelis-Menten, como los diagramas de Lineweaver-Burk , Eadie-Hofstee o Hanes-Woolf . ^{[ 17 ] : 140–144} Una ilustración se proporciona mediante los tres diagramas de Lineweaver-Burk representados en la figura de diagramas de Lineweaver-Burk . En el diagrama superior, las líneas de inhibición competitiva se intersecan en el eje y , lo que ilustra que dichos inhibidores no afectan a V _max . En el diagrama inferior, las líneas de inhibición no competitiva se intersecan en el eje x , lo que muestra que estos inhibidores no afectan a K _m . Sin embargo, dado que puede ser difícil estimar K _i y K _i ' con precisión a partir de dichos diagramas, ^{[ 33 ]} es aconsejable estimar estas constantes utilizando métodos de regresión no lineal más fiables. ^{[ 33 ]}

Como las enzimas han evolucionado para unirse firmemente a sus sustratos, y la mayoría de los inhibidores reversibles se unen al sitio activo de las enzimas, no sorprende que algunos de estos inhibidores sean sorprendentemente similares en estructura a los sustratos de sus dianas. Los inhibidores de la dihidrofolato reductasa (DHFR) son ejemplos destacados. ^{[ 42 ]} Otros ejemplos de estos imitadores de sustrato son los inhibidores de la proteasa , una clase de fármacos antirretrovirales terapéuticamente eficaces utilizados para tratar el VIH/SIDA . ^{[ 43 ] [ 44 ]} La estructura del ritonavir , un inhibidor de la proteasa peptidomimético (imitador de péptido) que contiene tres enlaces peptídicos , como se muestra en la figura de "inhibición competitiva" anterior. Como este fármaco se asemeja al péptido que es el sustrato de la proteasa del VIH, compite con el sustrato en el sitio activo de la enzima. ^{[ 45 ]}

Los inhibidores enzimáticos suelen diseñarse para imitar el estado de transición o intermedio de una reacción catalizada por enzimas. ^{[ 46 ]} Esto garantiza que el inhibidor aproveche el efecto estabilizador del estado de transición de la enzima, lo que resulta en una mejor afinidad de unión ( K _i más baja ) que los diseños basados ​​en el sustrato. Un ejemplo de este tipo de inhibidor del estado de transición es el fármaco antiviral oseltamivir ; este fármaco imita la naturaleza planar del ion oxonio del anillo en la reacción de la enzima viral neuraminidasa . ^{[ 47 ]}

Sin embargo, no todos los inhibidores se basan en las estructuras de los sustratos. Por ejemplo, la estructura de otro inhibidor de la proteasa del VIH, el tipranavir, no se basa en un péptido y no presenta una similitud estructural evidente con un sustrato proteico. Estos inhibidores no peptídicos pueden ser más estables que los inhibidores que contienen enlaces peptídicos, ya que no actúan como sustratos para las peptidasas y, por lo tanto, son menos propensos a la degradación. ^{[ 48 ]}

En el diseño de fármacos, es importante considerar las concentraciones de sustratos a las que están expuestas las enzimas diana. Por ejemplo, algunos inhibidores de la proteína quinasa tienen estructuras químicas similares al ATP, uno de los sustratos de estas enzimas. ^{[ 49 ]} Sin embargo, los fármacos que son inhibidores competitivos simples tendrán que competir con las altas concentraciones de ATP en la célula. Las proteínas quinasas también pueden ser inhibidas por competencia en los sitios de unión donde interactúan con sus proteínas sustrato, y la mayoría de las proteínas están presentes dentro de las células en concentraciones mucho menores que la concentración de ATP. En consecuencia, si dos inhibidores de la proteína quinasa se unen al sitio activo con una afinidad similar, pero solo uno tiene que competir con el ATP, entonces el inhibidor competitivo en el sitio de unión de la proteína inhibirá la enzima de manera más efectiva. ^{[ 50 ]}

Reacción DFP

Reacción del inhibidor irreversible diisopropilfluorofosfato (DFP) con una serina proteasa

Los inhibidores irreversibles se unen al sitio de unión de la enzima y luego experimentan una reacción química para formar un complejo enzima-inhibidor covalente (EI*). El sitio de unión se muestra en azul y el inhibidor en verde.

Los inhibidores irreversibles se unen covalentemente a una enzima, y ​​este tipo de inhibición, por lo tanto, no se puede revertir fácilmente. ^{[ 51 ]} Los inhibidores irreversibles a menudo contienen grupos funcionales reactivos como mostazas nitrogenadas , aldehídos , haloalcanos , alquenos , aceptores de Michael , fenilsulfonatos o fluorofosfonatos . ^{[ 52 ]} Estos grupos electrófilos reaccionan con las cadenas laterales de los aminoácidos para formar aductos covalentes . ^{[ 51 ]} Los residuos modificados son aquellos con cadenas laterales que contienen nucleófilos como grupos hidroxilo o sulfhidrilo ; estos incluyen los aminoácidos serina (que reacciona con DFP , véase el diagrama de "reacción de DFP"), y también cisteína , treonina o tirosina . ^{[ 53 ]}

La inhibición irreversible es diferente de la inactivación enzimática irreversible. ^{[ 54 ]} Los inhibidores irreversibles suelen ser específicos para una clase de enzima y no inactivan todas las proteínas; no funcionan destruyendo la estructura proteica , sino alterando específicamente el sitio activo de su diana. Por ejemplo, los valores extremos de pH o temperatura suelen causar la desnaturalización de toda la estructura proteica, pero este es un efecto no específico. De manera similar, algunos tratamientos químicos no específicos destruyen la estructura proteica: por ejemplo, el calentamiento en ácido clorhídrico concentrado hidroliza los enlaces peptídicos que mantienen unidas las proteínas, liberando aminoácidos libres. ^{[ 55 ]}

Los inhibidores irreversibles muestran una inhibición dependiente del tiempo y, por lo tanto, su potencia no puede caracterizarse mediante un valor de IC50 _. Esto se debe a que la cantidad de enzima activa a una concentración dada de inhibidor irreversible será diferente dependiendo de cuánto tiempo se preincube el inhibidor con la enzima. En su lugar, se utilizan valores de k _obs /[ I ], ^{[ 56 ]} donde k _obs es la velocidad de inactivación de pseudo-primer orden observada (obtenida al graficar el logaritmo del  % de actividad frente al tiempo) y [ I ] es la concentración del inhibidor. El parámetro k _obs /[ I ] es válido siempre que el inhibidor no sature la unión con la enzima (en cuyo caso k _obs = k _inact ) donde k _inact es la velocidad de inactivación.

Mecanismo de inhibición irreversible

Mecanismo cinético de inhibición irreversible. Unión del sustrato en azul, catálisis en rojo, unión del inhibidor en verde, reacción de inactivación en verde oscuro.

Los inhibidores irreversibles forman primero un complejo no covalente reversible con la enzima (EI o ESI). Posteriormente, se produce una reacción química entre la enzima y el inhibidor para generar el complejo covalentemente modificado "sin salida" EI* (un complejo covalente irreversible). La velocidad a la que se forma EI* se denomina velocidad de inactivación o k _inact . ^{[ 13 ]} Dado que la formación de EI puede competir con ES, la unión de los inhibidores irreversibles puede prevenirse mediante la competencia con el sustrato o con un segundo inhibidor reversible. Este efecto de protección es una buena evidencia de una reacción específica del inhibidor irreversible con el sitio activo.

Las etapas de unión e inactivación de esta reacción se investigan incubando la enzima con el inhibidor y midiendo la cantidad de actividad restante a lo largo del tiempo. La actividad disminuirá de forma dependiente del tiempo, generalmente siguiendo una disminución exponencial . Ajustando estos datos a una ecuación de velocidad se obtiene la velocidad de inactivación a esta concentración de inhibidor. Esto se realiza a varias concentraciones diferentes de inhibidor. Si interviene un complejo EI reversible, la velocidad de inactivación será saturable y el ajuste de esta curva proporcionará k _inact y K _i . ^{[ 57 ]}

Otro método ampliamente utilizado en estos análisis es la espectrometría de masas . En este caso, la medición precisa de la masa de la enzima nativa no modificada y la enzima inactivada proporciona el aumento de masa causado por la reacción con el inhibidor y muestra la estequiometría de la reacción. ^{[ 58 ]} Esto se suele realizar utilizando un espectrómetro de masas MALDI-TOF . ^{[ 59 ]} En una técnica complementaria, la huella peptídica de masas implica la digestión de la proteína nativa y modificada con una proteasa como la tripsina . Esto producirá un conjunto de péptidos que pueden analizarse mediante un espectrómetro de masas. El péptido que cambia de masa después de la reacción con el inhibidor será el que contiene el sitio de modificación. ^{[ 60 ]}

No todos los inhibidores irreversibles forman aductos covalentes con sus enzimas diana. Algunos inhibidores reversibles se unen tan fuertemente a su enzima diana que son esencialmente irreversibles. Estos inhibidores de unión fuerte pueden mostrar una cinética similar a la de los inhibidores covalentes irreversibles. En estos casos, algunos de estos inhibidores se unen rápidamente a la enzima en un complejo EI de baja afinidad, que luego experimenta una reorganización más lenta a un complejo EI* de unión muy fuerte (véase el diagrama del "mecanismo de inhibición irreversible"). Este comportamiento cinético se denomina unión lenta. ^{[ 62 ]} Esta reorganización lenta después de la unión a menudo implica un cambio conformacional a medida que la enzima "se ajusta" alrededor de la molécula del inhibidor. Ejemplos de inhibidores de unión lenta incluyen algunos fármacos importantes, como el metotrexato , ^{[ 63 ]} el alopurinol , ^{[ 64 ]} y la forma activada del aciclovir . ^{[ 65 ]}

El diisopropilfluorofosfato (DFP) es un ejemplo de inhibidor irreversible de proteasas (véase el diagrama de la "reacción del DFP"). La enzima hidroliza el enlace fósforo-flúor, pero el residuo de fosfato permanece unido a la serina en el sitio activo , desactivándolo. ^{[ 67 ]} De manera similar, el DFP también reacciona con el sitio activo de la acetilcolinesterasa en las sinapsis de las neuronas y, por consiguiente, es una potente neurotoxina, con una dosis letal inferior a 100  mg. ^{[ 68 ]}

La inhibición suicida es un tipo inusual de inhibición irreversible en la que la enzima convierte el inhibidor en una forma reactiva en su sitio activo. ^{[ 69 ]} Un ejemplo es el inhibidor de la biosíntesis de poliaminas , α-difluorometilornitina (DFMO), que es un análogo del aminoácido ornitina y se utiliza para tratar la tripanosomiasis africana (enfermedad del sueño). La ornitina descarboxilasa puede catalizar la descarboxilación de DFMO en lugar de ornitina (véase el diagrama del "mecanismo del inhibidor de DFMO"). Sin embargo, esta reacción de descarboxilación va seguida de la eliminación de un átomo de flúor, que convierte este intermedio catalítico en una imina conjugada , una especie altamente electrófila. Esta forma reactiva de DFMO reacciona entonces con un residuo de cisteína o lisina en el sitio activo para inactivar irreversiblemente la enzima. ^{[ 61 ]}

Dado que la inhibición irreversible suele implicar la formación inicial de un complejo inhibidor enzimático (IE) no covalente, ^{[ 13 ]} a veces es posible que un inhibidor se una a una enzima de más de una manera. Por ejemplo, en la figura que muestra la tripanotiona reductasa del parásito protozoario humano Trypanosoma cruzi , dos moléculas de un inhibidor llamado mostaza de quinacrina están unidas a su sitio activo. La molécula superior se une de forma reversible, pero la inferior se une de forma covalente, ya que ha reaccionado con un residuo de aminoácido a través de su grupo mostaza nitrogenada . ^{[ 70 ]}

La inhibición enzimática es una característica común del control de las vías metabólicas en las células. ^{[ 3 ]} El flujo metabólico a través de una vía suele estar regulado por los metabolitos de dicha vía , que actúan como inhibidores y potenciadores de las enzimas de la misma. La vía glucolítica es un ejemplo clásico. ^{[ 76 ]} Esta vía catabólica consume glucosa y produce ATP , NADH y piruvato . Un paso clave para la regulación de la glucólisis es una reacción temprana en la vía catalizada por la fosfofructocinasa - 1 (PFK1). Cuando aumentan los niveles de ATP, este se une a un sitio alostérico en la PFK1 para disminuir la velocidad de la reacción enzimática; la glucólisis se inhibe y la producción de ATP disminuye. Este control de retroalimentación negativa ayuda a mantener una concentración constante de ATP en la célula. Sin embargo, las vías metabólicas no se regulan únicamente mediante la inhibición, ya que la activación enzimática es igualmente importante. Con respecto a la PFK1, la fructosa 2,6-bisfosfato y el ADP son ejemplos de metabolitos que son activadores alostéricos. ^{[ 77 ]}

La inhibición enzimática fisiológica también puede producirse mediante inhibidores proteicos específicos. Este mecanismo ocurre en el páncreas , que sintetiza muchas enzimas precursoras digestivas conocidas como zimógenos . Muchos de estos son activados por la proteasa tripsina , por lo que es importante inhibir la actividad de la tripsina en el páncreas para evitar que el órgano se autodigiera. Una forma de controlar la actividad de la tripsina es mediante la producción de una proteína inhibidora de la tripsina específica y potente en el páncreas. Este inhibidor se une firmemente a la tripsina, impidiendo la actividad de la tripsina que de otro modo sería perjudicial para el órgano. ^{[ 78 ]} Aunque el inhibidor de la tripsina es una proteína, evita ser hidrolizado como sustrato por la proteasa al excluir el agua del sitio activo de la tripsina y desestabilizar el estado de transición. ^{[ 79 ]} Otros ejemplos de proteínas inhibidoras de enzimas fisiológicas incluyen el inhibidor barstar de la ribonucleasa bacteriana barnasa . ^{[ 80 ]}

Los animales y las plantas han evolucionado para sintetizar una gran variedad de productos tóxicos, incluidos metabolitos secundarios , ^{[ 81 ]} péptidos y proteínas ^{[ 82 ]} que pueden actuar como inhibidores. Las toxinas naturales suelen ser pequeñas moléculas orgánicas y son tan diversas que probablemente existan inhibidores naturales para la mayoría de los procesos metabólicos. ^{[ 83 ]} Los procesos metabólicos a los que se dirigen los venenos naturales abarcan más que las enzimas en las vías metabólicas y también pueden incluir la inhibición de las funciones de receptores, canales y proteínas estructurales en una célula. Por ejemplo, el paclitaxel (taxol), una molécula orgánica que se encuentra en el tejo del Pacífico , se une fuertemente a los dímeros de tubulina e inhibe su ensamblaje en microtúbulos en el citoesqueleto . ^{[ 84 ]}

Muchos venenos naturales actúan como neurotoxinas que pueden causar parálisis y la muerte, y funcionan como defensa contra depredadores o en la caza y captura de presas. Algunos de estos inhibidores naturales, ^{[ 85 ]} a pesar de sus atributos tóxicos, son valiosos para usos terapéuticos en dosis bajas. ^{[ 86 ]} Un ejemplo de neurotoxina son los glicoalcaloides , de especies vegetales de la familia Solanaceae (que incluye la patata , el tomate y la berenjena ), que son inhibidores de la acetilcolinesterasa . La inhibición de esta enzima provoca un aumento incontrolado del neurotransmisor acetilcolina, parálisis muscular y, posteriormente, la muerte. La neurotoxicidad también puede resultar de la inhibición de receptores; por ejemplo, la atropina de la belladona ( Atropa belladonna ) que funciona como antagonista competitivo de los receptores muscarínicos de acetilcolina . ^{[ 87 ]}

Aunque muchas toxinas naturales son metabolitos secundarios, estos venenos también incluyen péptidos y proteínas. Un ejemplo de péptido tóxico es la alfa-amanitina , que se encuentra en parientes del hongo Amanita phalloides . Este es un potente inhibidor enzimático que, en este caso, impide que la enzima ARN polimerasa II transcriba el ADN. ^{[ 88 ]} La microcistina, una toxina de las algas, también es un péptido e inhibe las fosfatasas de proteínas . ^{[ 89 ]} Esta toxina puede contaminar el suministro de agua tras la proliferación de algas y es un carcinógeno conocido que, en dosis elevadas, puede causar hemorragia hepática aguda y la muerte. ^{[ 90 ]}

Proteins can also be natural poisons or antinutrients, such as the trypsin inhibitors (discussed in the "metabolic regulation" section above) that are found in some legumes.^[91] A less common class of toxins are toxic enzymes: these act as irreversible inhibitors of their target enzymes and work by chemically modifying their substrate enzymes. An example is ricin, an extremely potent protein toxin found in castor oil beans.^[92] This enzyme is a glycosidase that inactivates ribosomes.^[93] Since ricin is a catalytic irreversible inhibitor, this allows just a single molecule of ricin to kill a cell.^[94]

The most common uses for enzyme inhibitors are as drugs to treat disease. Many of these inhibitors target a human enzyme and aim to correct a pathological condition. For instance, aspirin is a widely used drug that acts as a suicide inhibitor of the cyclooxygenase enzyme.^[95] This inhibition in turn suppresses the production of proinflammatory prostaglandins and thus aspirin may be used to reduce pain, fever, and inflammation.^[95]

As of 2017, an estimated 29% of approved drugs are enzyme inhibitors^[96] of which approximately one-fifth are kinase inhibitors.^[96] A notable class of kinase drug targets is the receptor tyrosine kinases which are essential enzymes that regulate cell growth; their over-activation may result in cancer. Hence kinase inhibitors such as imatinib are frequently used to treat malignancies.^[97]Janus kinases are another notable example of drug enzyme targets. Inhibitors of Janus kinases block the production of inflammatory cytokines and hence these inhibitors are used to treat a variety of inflammatory diseases in including arthritis, asthma, and Crohn's disease.^[98]

Un ejemplo de la similitud estructural de algunos inhibidores con los sustratos de las enzimas a las que se dirigen se observa en la figura que compara el fármaco metotrexato con el ácido fólico . El ácido fólico es la forma oxidada del sustrato de la dihidrofolato reductasa , una enzima que es potentemente inhibida por el metotrexato. El metotrexato bloquea la acción de la dihidrofolato reductasa y, por lo tanto, detiene la biosíntesis de timidina . ^{[ 42 ]} Este bloqueo de la biosíntesis de nucleótidos es selectivamente tóxico para las células de rápido crecimiento; por consiguiente, el metotrexato se utiliza a menudo en la quimioterapia contra el cáncer. ^{[ 99 ]}

Un tratamiento común para la disfunción eréctil es el sildenafil (Viagra). ^{[ 100 ]} Este compuesto es un potente inhibidor de la fosfodiesterasa tipo 5 específica de cGMP , la enzima que degrada la molécula señalizadora monofosfato de guanosina cíclico . ^{[ 101 ]} Esta molécula señalizadora desencadena la relajación del músculo liso y permite el flujo sanguíneo hacia el cuerpo cavernoso , lo que provoca una erección. Dado que el fármaco disminuye la actividad de la enzima que detiene la señal, hace que esta dure un período de tiempo más prolongado.

antibióticos

Los fármacos también se utilizan para inhibir las enzimas necesarias para la supervivencia de los patógenos. Por ejemplo, las bacterias están rodeadas por una gruesa pared celular formada por un polímero reticular llamado peptidoglicano . Muchos antibióticos, como la penicilina y la vancomicina, inhiben las enzimas que producen y luego entrecruzan las cadenas de este polímero. ^{[ 102 ] [ 103 ]} Esto provoca que la pared celular pierda resistencia y que las bacterias se rompan. En la figura, se muestra una molécula de penicilina (representada en forma de esfera y varilla) unida a su diana, la transpeptidasa de la bacteria Streptomyces R61 (la proteína se muestra como un diagrama de cintas ).

El diseño de antibióticos se facilita cuando una enzima esencial para la supervivencia del patógeno está ausente o es muy diferente en los humanos. ^{[ 104 ]} Los humanos no producen peptidoglicano, por lo que los antibióticos que inhiben este proceso son selectivamente tóxicos para las bacterias. ^{[ 105 ]} La toxicidad selectiva también se produce en los antibióticos al explotar las diferencias en la estructura de los ribosomas en las bacterias, ^{[ 106 ]} o en cómo producen ácidos grasos . ^{[ 107 ]}

Muchos plaguicidas son inhibidores enzimáticos. ^{[ 114 ]} La acetilcolinesterasa (AChE) es una enzima presente en animales, desde insectos hasta humanos. Es esencial para la función de las células nerviosas a través de su mecanismo de descomposición del neurotransmisor acetilcolina en sus constituyentes, acetato y colina . ^{[ 115 ]} Esto es algo inusual entre los neurotransmisores, ya que la mayoría, incluyendo la serotonina , la dopamina y la norepinefrina , se absorben desde la hendidura sináptica en lugar de ser escindidas. Un gran número de inhibidores de la AChE se utilizan tanto en medicina como en agricultura. ^{[ 116 ]} Los inhibidores competitivos reversibles, como el edrofonio , la fisostigmina y la neostigmina , se utilizan en el tratamiento de la miastenia gravis ^{[ 117 ]} y en anestesia para revertir el bloqueo muscular. ^{[ 118 ]} Los plaguicidas carbamatos también son ejemplos de inhibidores reversibles de la AChE. Los plaguicidas organofosforados como el malatión , el paratión y el clorpirifos inhiben irreversiblemente la acetilcolinesterasa. ^{[ 119 ]}

El herbicida glifosato es un inhibidor de la 3-fosfoshikimato 1-carboxiviniltransferasa , ^{[ 120 ]} otros herbicidas, como las sulfonilureas, inhiben la enzima acetolactato sintasa . ^{[ 121 ]} Ambas enzimas son necesarias para que las plantas produzcan aminoácidos de cadena ramificada . Muchas otras enzimas son inhibidas por los herbicidas, incluidas las enzimas necesarias para la biosíntesis de lípidos y carotenoides y los procesos de fotosíntesis y fosforilación oxidativa . ^{[ 122 ]}