Inhibición competitiva

En la inhibición competitiva, un inhibidor que se asemeja al sustrato normal se une a la enzima, generalmente en el sitio activo , e impide que el sustrato se una. ^{[ 8 ]} En cualquier momento dado, la enzima puede estar unida al inhibidor, al sustrato o a ninguno, pero no puede unirse a ambos al mismo tiempo. Durante la inhibición competitiva, el inhibidor y el sustrato compiten por el sitio activo. El sitio activo es una región de una enzima a la que una proteína o sustrato en particular puede unirse. Por lo tanto, el sitio activo solo permitirá que uno de los dos complejos se una al sitio, permitiendo o impidiendo que ocurra una reacción. En la inhibición competitiva, el inhibidor se asemeja al sustrato, ocupando su lugar y uniéndose al sitio activo de una enzima. Aumentar la concentración del sustrato disminuiría la "competencia" para que el sustrato se una correctamente al sitio activo y permita que ocurra una reacción. ^{[ 3 ]} Cuando la concentración del sustrato es mayor que la del inhibidor competitivo, es más probable que el sustrato entre en contacto con el sitio activo de la enzima que con el del inhibidor.

Los inhibidores competitivos se utilizan comúnmente en la fabricación de fármacos. ^{[ 3 ]} Por ejemplo, el metotrexato es un fármaco quimioterapéutico que actúa como un inhibidor competitivo. Su estructura es similar a la del coenzima folato , que se une a la enzima dihidrofolato reductasa . ^{[ 3 ]} Esta enzima participa en la síntesis de ADN y ARN, y cuando el metotrexato se une a ella, la inactiva, impidiendo así la síntesis de ADN y ARN. ^{[ 3 ]} De esta forma, las células cancerosas no pueden crecer ni dividirse. Otro ejemplo: las prostaglandinas se producen en grandes cantidades como respuesta al dolor y pueden causar inflamación. Los ácidos grasos esenciales forman las prostaglandinas; al descubrirse esto, se comprobó que eran muy buenos inhibidores de las prostaglandinas. Estos inhibidores de ácidos grasos se han utilizado como fármacos para aliviar el dolor, ya que pueden actuar como sustrato, unirse a la enzima y bloquear las prostaglandinas. ^{[ 9 ]}

Un ejemplo de inhibición competitiva no relacionada con fármacos se observa en la prevención del oscurecimiento de frutas y verduras. Por ejemplo, la tirosinasa , una enzima presente en los hongos, normalmente se une al sustrato, los monofenoles , y forma o-quinonas marrones. ^{[ 10 ]} Los sustratos competitivos, como los benzaldehídos 4-sustituidos para los hongos, compiten con el sustrato, reduciendo la cantidad de monofenoles que se unen. Estos compuestos inhibidores añadidos a los productos los mantienen frescos durante períodos más prolongados al disminuir la unión de los monofenoles que causan el oscurecimiento. ^{[ 10 ]} Esto permite un aumento en la calidad de los productos, así como en su vida útil.

La inhibición competitiva puede ser reversible o irreversible. Si es reversible , los efectos del inhibidor pueden superarse aumentando la concentración del sustrato. ^{[ 8 ]} Si es irreversible, la única forma de superarla es aumentar la cantidad del objetivo (y, por lo general, degradar o excretar el objetivo inhibido irreversiblemente).

En prácticamente todos los casos, los inhibidores competitivos se unen al mismo sitio de unión (sitio activo) que el sustrato, pero la unión al mismo sitio no es un requisito. Un inhibidor competitivo podría unirse a un sitio alostérico de la enzima libre e impedir la unión del sustrato, siempre que no se una al sitio alostérico cuando el sustrato esté unido. Por ejemplo, la estricnina actúa como un inhibidor alostérico del receptor de glicina en la médula espinal y el tronco encefálico de los mamíferos. La glicina es un importante neurotransmisor inhibidor postsináptico con un sitio receptor específico. La estricnina se une a un sitio alternativo que reduce la afinidad del receptor de glicina por esta, lo que provoca convulsiones debido a la menor inhibición ejercida por la glicina. ^{[ 11 ]}

En la inhibición competitiva, la velocidad máxima (${\displaystyle V_{\max }}$) de la reacción no cambia, mientras que la afinidad aparente del sustrato al sitio de unión disminuye (la${\displaystyle K_{d}}$La constante de disociación aparentemente aumenta). El cambio en${\displaystyle K_{m}}$( constante de Michaelis-Menten ) es paralela a la alteración en${\displaystyle K_{d}}$, a medida que uno aumenta, el otro debe disminuir. Cuando un inhibidor competitivo se une a una enzima,${\displaystyle K_{m}}$aumenta. Esto significa que la afinidad de unión a la enzima disminuye, pero puede superarse aumentando la concentración del sustrato. ^{[ 12 ]} Cualquier concentración dada de inhibidor competitivo puede superarse aumentando la concentración del sustrato. En ese caso, el sustrato reducirá la disponibilidad para que un inhibidor se una y, por lo tanto, competirá con el inhibidor por la unión a la enzima. ^{[ 12 ]}

Ejemplos biológicos

Tras la ingestión accidental de un opioide contaminado , la desmetilprodina , se descubrió el efecto neurotóxico de la 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina ( MPTP ). La MPTP es capaz de atravesar la barrera hematoencefálica y entrar en los lisosomas ácidos . ^{[ 13 ]} La MPTP se activa biológicamente por la MAO-B, una isoenzima de la monoaminooxidasa (MAO) que se concentra principalmente en trastornos y enfermedades neurológicas. ^{[ 14 ]} Posteriormente, se descubrió que la MPTP causa síntomas similares a los de la enfermedad de Parkinson . Las células del sistema nervioso central (astrocitos) contienen MAO-B, que oxida la MPTP a 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP+), que es tóxico. ^{[ 13 ]} El MPP+ finalmente viaja al líquido extracelular a través de un transportador de dopamina , lo que finalmente causa los síntomas de Parkinson. Sin embargo, la inhibición competitiva de la enzima MAO-B o del transportador de dopamina protege contra la oxidación de MPTP a MPP+. Se han probado algunos compuestos por su capacidad para inhibir la oxidación de MPTP a MPP+, entre ellos el azul de metileno , el 5-nitroindazola , el norharman , el 9-metilnorharman y la menadiona . ^{[ 14 ]} Estos demostraron una reducción de la neurotoxicidad producida por MPTP.

Las sulfamidas también actúan como inhibidores competitivos. Por ejemplo, la sulfanilamida se une competitivamente a la enzima en el sitio activo de la dihidropteroato sintasa (DHPS) imitando al sustrato ácido para-aminobenzoico (PABA). ^{[ 15 ]} Esto impide que el sustrato se una, lo que detiene la producción de ácido fólico, un nutriente esencial. Las bacterias deben sintetizar ácido fólico porque no tienen un transportador para él. Sin ácido fólico, las bacterias no pueden crecer ni dividirse. Por lo tanto, debido a la inhibición competitiva de las sulfamidas, son excelentes agentes antibacterianos. Un ejemplo de inhibición competitiva se demostró experimentalmente para la enzima succinato deshidrogenasa, que cataliza la oxidación del succinato a fumarato en el ciclo de Krebs . El malonato es un inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa. La unión de la succinato deshidrogenasa al sustrato, succinato, se inhibe competitivamente. Esto sucede porque la química del malonato es similar a la del succinato. La capacidad del malonato para inhibir la unión de la enzima y el sustrato se basa en la proporción de malonato a succinato. El malonato se une al sitio activo de la succinato deshidrogenasa, impidiendo así que el succinato se una. Por lo tanto, inhibe la reacción. ^{[ 16 ]}

El modelo de Michaelis-Menten puede ser una herramienta invaluable para comprender la cinética enzimática. Según este modelo, una gráfica de la velocidad de reacción (V₀ ₎ asociada con la concentración [S] del sustrato puede usarse para determinar valores como Vmax _, la velocidad inicial y Km ₍ Vmax _/ 2 o afinidad del complejo enzima-sustrato). ^{[ 4 ]}

La inhibición competitiva aumenta el valor aparente de la constante de Michaelis-Menten ,${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$, de tal manera que la velocidad inicial de reacción,${\displaystyle V_{0}}$, se da por

${\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max }\,[S]}{K_{m}^{\text{app}}+[S]}}}$

dónde${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})}$,${\displaystyle K_{i}}$es la constante de disociación del inhibidor y${\displaystyle [I]}$es la concentración del inhibidor.

${\displaystyle V_{\max }}$permanece igual porque la presencia del inhibidor puede superarse con concentraciones más altas del sustrato.${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$, la concentración de sustrato que se necesita para alcanzar${\displaystyle V_{\max }/2}$, aumenta con la presencia de un inhibidor competitivo. Esto se debe a que la concentración de sustrato necesaria para alcanzar${\displaystyle V_{\max }}$con un inhibidor es mayor que la concentración de sustrato necesaria para alcanzar${\displaystyle V_{\max }}$sin un inhibidor.

En el caso más simple de una enzima de sustrato único que obedece la cinética de Michaelis-Menten, el esquema típico

${\displaystyle {\ce {E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P}}}$

se modifica para incluir la unión del inhibidor a la enzima libre:

${\displaystyle {\ce {EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I}}}$

Nótese que el inhibidor no se une al complejo ES y el sustrato no se une al complejo EI. Generalmente se asume que este comportamiento indica que ambos compuestos se unen al mismo sitio, pero esto no es estrictamente necesario. Al igual que en la derivación de la ecuación de Michaelis-Menten, suponga que el sistema se encuentra en estado estacionario, es decir, que la concentración de cada una de las especies enzimáticas no varía.

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}={\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}={\frac {d[{\ce {EI}}]}{dt}}=0.}$

Además, la concentración total de enzima conocida es${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$y la velocidad se mide en condiciones en las que las concentraciones de sustrato e inhibidor no cambian sustancialmente y se ha acumulado una cantidad insignificante de producto.

Por lo tanto, podemos establecer un sistema de ecuaciones:

dónde${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$y${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$Se conocen. La velocidad inicial se define como${\displaystyle V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]}$, por lo tanto necesitamos definir la incógnita${\displaystyle {\ce {[ES]}}}$en términos de lo conocido${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$y${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$.

A partir de la ecuación ( 3 ), podemos definir E en términos de ES reordenando a

${\displaystyle k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]=(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}$

Dividiendo por${\displaystyle k_{1}[{\ce {S}}]}$da

${\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}{k_{1}[{\ce {S}}]}}}$

Como en la derivación de la ecuación de Michaelis-Menten, el término${\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}}$puede ser reemplazado por la constante de velocidad macroscópica${\displaystyle K_{m}}$:

Sustituyendo la ecuación ( 5 ) en la ecuación ( 4 ), tenemos

${\displaystyle 0={\frac {k_{3}[{\ce {I}}]K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}-k_{-3}[{\ce {EI}}]}$

Reordenando, encontramos que

${\displaystyle [{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}k_{3}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{k_{-3}[{\ce {S}}]}}}$

En este punto, podemos definir la constante de disociación para el inhibidor como${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}$, donación

En este punto, sustituya la ecuación ( 5 ) y la ecuación ( 6 ) en la ecuación ( 1 ):

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}+[{\ce {ES}}]+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

Reordenando para resolver ES, encontramos

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {ES}}]\left({\frac {K_{m}}{\ce {[S]}}}+1+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}\right)=[{\ce {ES}}]{\frac {K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

Volviendo a nuestra expresión para${\displaystyle V_{0}}$, ahora tenemos:

${\displaystyle V_{0}=k_{2}[{\ce {ES}}]={\frac {k_{2}K_{i}[{\ce {S}}][{\ce {E}}]_{0}}{K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {k_{2}[{\ce {E}}]_{0}[{\ce {S}}]}{K_{m}+[{\ce {S}}]+K_{m}{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}}}}$

Dado que la velocidad es máxima cuando toda la enzima está unida como el complejo enzima-sustrato,${\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}$Al reemplazar y combinar términos, finalmente se obtiene la forma convencional:

Para calcular la concentración del inhibidor competitivo${\displaystyle {\ce {[I]}}}$que produce una fracción${\displaystyle f_{V{_{0}}}}$de velocidad${\displaystyle V_{0}}$dónde${\displaystyle 0<f_{V{_{0}}}<1}$: