Inhibición no competitiva

La inhibición no competitiva es un tipo de inhibición enzimática en la que el inhibidor reduce la actividad de la enzima y se une a ella con la misma eficacia, independientemente de si ya se ha unido al sustrato. ^{[ 1 ]} Esto difiere de la inhibición competitiva , en la que la afinidad de unión al sustrato en la enzima disminuye en presencia de un inhibidor.

El inhibidor puede unirse a la enzima independientemente de si el sustrato ya se ha unido, pero si tiene mayor afinidad por unirse a la enzima en un estado u otro, se denomina inhibidor mixto . ^{[ 1 ]}

Durante sus años como médico, Leonor Michaelis y su amigo Peter Rona construyeron un laboratorio compacto en el hospital, y en el transcurso de cinco años, Michaelis logró publicar más de 100 artículos. Durante su investigación en el hospital, fue el primero en observar los diferentes tipos de inhibición, específicamente utilizando fructosa y glucosa como inhibidores de la actividad de la maltasa . La maltasa descompone la maltosa en dos unidades de glucosa . Los hallazgos de ese experimento permitieron diferenciar entre inhibición no competitiva y competitiva . La inhibición no competitiva afecta el valor de _kcat ( _{pero no el Km} ) en cualquier gráfica dada; este inhibidor se une a un sitio que tiene especificidad para la molécula determinada. Michaelis determinó que cuando el inhibidor se une, la enzima se inactiva. ^{[ 2 ]}

Al igual que muchos otros científicos de su época, Leonor Michaelis y Maud Menten trabajaron en una reacción que se utilizaba para cambiar la composición de la sacarosa y convertirla en dos productos: fructosa y glucosa. ^{[ 2 ]} La enzima implicada en esta reacción se llama invertasa , y es la enzima cuya cinética, según Michaelis y Menten , resultó revolucionaria para la cinética de otras enzimas. Al expresar la velocidad de la reacción estudiada, derivaron una ecuación que la describía de una manera que sugería que dependía principalmente de la concentración de la enzima, así como de la presencia del sustrato, pero solo hasta cierto punto. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Adrian John Brown y Victor Henri sentaron las bases de los descubrimientos en cinética enzimática por los que Michaelis y Menten son conocidos. ^{[ 4 ]} Brown concibió teóricamente el mecanismo ahora aceptado para la cinética enzimática, pero no tenía los datos cuantitativos para afirmarlo. ^{[ 4 ]} Victor Henri hizo contribuciones significativas a la cinética enzimática durante su tesis doctoral; sin embargo, no destacó la importancia de la concentración de iones de hidrógeno y la mutarrotación de la glucosa. El objetivo de la tesis de Henri era comparar su conocimiento de las reacciones catalizadas por enzimas con las leyes reconocidas de la fisicoquímica. ^{[ 2 ]} A Henri se le atribuye ser el primero en escribir la ecuación que ahora se conoce como la ecuación de Michaelis-Menten. Utilizando glucosa y fructosa en las reacciones catalíticas controladas por maltasa e invertasa, Leonor Michaelis fue la primera científica en distinguir los diferentes tipos de inhibición utilizando la escala de pH, que no existía en la época de Henri. ^{[ 2 ]}

Particularmente durante su trabajo para describir la velocidad de esta reacción, también probaron y extrapolaron la idea de otro científico, Victor Henri , de que la enzima que estaban usando tenía cierta afinidad por ambos productos de esta reacción: fructosa y glucosa. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Usando los métodos de Henri, Michaelis y Menten casi perfeccionaron este concepto de método de velocidad inicial para experimentos de estado estacionario. Estaban estudiando la inhibición cuando encontraron que la inhibición no competitiva (mixta) se caracteriza por su efecto en k _cat (velocidad del catalizador) mientras que la competitiva se caracteriza por su efecto en la velocidad (V). ^{[ 2 ]} En los experimentos de Michaelis y Menten se centraron mucho en los efectos del pH de la invertasa usando iones de hidrógeno. ^{[ 2 ]} La invertasa es una enzima que se encuentra en la levadura extracelular y cataliza reacciones por hidrólisis o inversión de una sacarosa (mezcla de sacarosa y fructosa) para “ invertir el azúcar ”. La principal razón para usar invertasa fue que se podía analizar fácilmente y los experimentos se podían realizar de manera más rápida. La sacarosa rota en el polarímetro como dextrorrotatoria (D), mientras que el azúcar invertido es levorrotatorio (L) . Esto hizo que el seguimiento de la inversión del azúcar fuera relativamente sencillo. También descubrieron que la α-D-glucosa se libera en reacciones catalizadas por la invertasa, la cual es muy inestable y cambia espontáneamente a β-D-glucosa . ^{[ 4 ]} Aunque ambas se encuentran en la forma dextrorrotatoria, fue aquí donde notaron que la glucosa puede cambiar espontáneamente, también conocida como mutarrotación. No tener esto en cuenta fue una de las principales razones por las que los experimentos de Henri no tuvieron éxito. Usando invertasa para catalizar la inversión de la sacarosa, pudieron ver la velocidad de reacción de la enzima mediante polarimetría; por lo tanto, se encontró que ocurría una inhibición no competitiva en la reacción donde la sacarosa se invertía con invertasa. ^{[ 2 ]}

Si bien todos los inhibidores no competitivos se unen a la enzima en sitios alostéricos (es decir, ubicaciones distintas a su sitio activo ), no todos los inhibidores que se unen en sitios alostéricos son inhibidores no competitivos. ^{[ 1 ]} De hecho, los inhibidores alostéricos pueden actuar como inhibidores competitivos , no competitivos o acompetitivos . ^{[ 1 ]}

Muchas fuentes siguen confundiendo estos dos términos, ^{[ 5 ]} o establecen la definición de inhibición alostérica como la definición de inhibición no competitiva.

La inhibición no competitiva modela un sistema donde tanto el inhibidor como el sustrato pueden estar unidos a la enzima simultáneamente. Cuando ambos están unidos, el complejo enzima-sustrato-inhibidor no puede formar producto y solo puede reconvertirse en el complejo enzima-sustrato o en el complejo enzima-inhibidor. La inhibición no competitiva se distingue de la inhibición mixta general en que el inhibidor tiene la misma afinidad por la enzima y el complejo enzima-sustrato.

Por ejemplo, en las reacciones enzimáticas de la glucólisis , la piruvato quinasa cataliza la acumulación de fosfoenol en piruvato . La alanina , un aminoácido que se sintetiza a partir del piruvato, también inhibe la enzima piruvato quinasa durante la glucólisis. La alanina es un inhibidor no competitivo; por lo tanto, se une al sustrato lejos del sitio activo para que este siga siendo el producto final. ^{[ 6 ]}

Otro ejemplo de inhibición no competitiva lo proporciona la glucosa-6-fosfato, que inhibe la hexoquinasa en el cerebro. Los carbonos 2 y 4 de la glucosa-6-fosfato contienen grupos hidroxilo que se unen, junto con el fosfato del carbono 6, al complejo enzima-inhibidor. El sustrato y la enzima difieren en las combinaciones de grupos a los que se une el inhibidor. La capacidad de la glucosa-6-fosfato para unirse a diferentes sitios simultáneamente la convierte en un inhibidor no competitivo. ^{[ 7 ]}

El mecanismo más común de inhibición no competitiva implica la unión reversible del inhibidor a un sitio alostérico , pero es posible que el inhibidor actúe por otros medios, incluyendo la unión directa al sitio activo. Se diferencia de la inhibición competitiva en que la unión del inhibidor no impide la unión del sustrato, ni viceversa, sino que simplemente previene la formación del producto durante un tiempo limitado.

Este tipo de inhibición reduce la velocidad máxima de una reacción química sin modificar la afinidad de unión aparente del catalizador por el sustrato (K _m ^aprox . – véase la cinética de Michaelis-Menten ). Al añadir un inhibidor no competitivo, la Vmax cambia, mientras que la Km permanece inalterada. Según el gráfico de Lineweaver-Burk, la Vmax se reduce al añadir un inhibidor no competitivo, lo que se muestra en el gráfico mediante un cambio tanto en la pendiente como en la intersección con el eje y. ^{[ 8 ]}

La principal diferencia entre la inhibición competitiva y la no competitiva radica en que la inhibición competitiva afecta la capacidad del sustrato para unirse al sustrato mediante la unión de un inhibidor en su lugar, lo que disminuye la afinidad de la enzima por el sustrato. En la inhibición no competitiva, el inhibidor se une a un sitio alostérico e impide que el complejo enzima-sustrato realice una reacción química. Esto no afecta la Km (afinidad) de la enzima (por el sustrato). La inhibición no competitiva se diferencia de la inhibición acompetitiva en que aún permite que el sustrato se una al complejo enzima-inhibidor y forme un complejo enzima-sustrato-inhibidor; esto no ocurre en la inhibición acompetitiva, que impide que el sustrato se una al inhibidor de la enzima mediante un cambio conformacional tras la unión alostérica.

En presencia de un inhibidor no competitivo, la afinidad aparente de la enzima es equivalente a la afinidad real. En términos de la cinética de Michaelis-Menten , K _m ^app = K _m . Esto puede considerarse una consecuencia del principio de Le Chatelier , ya que el inhibidor se une por igual tanto a la enzima como al complejo enzima-sustrato, manteniendo así el equilibrio. Sin embargo, dado que siempre se inhibe la conversión del sustrato en producto en alguna parte de la enzima, la concentración efectiva de enzima disminuye.

Matemáticamente,

${\displaystyle V_{max}^{app}={\frac {V_{max}}{1+{\frac {[\mathrm {I} ]}{K_{I}}}}}}$

${\displaystyle {aparente\ \mathrm {[E]_{0}} }={\frac {\mathrm {[E]_{0}} }{1+{\frac {\mathrm {[I]} }{K_{I}}}}}}$

Entre los inhibidores no competitivos de la enzima CYP2C9 se incluyen la nifedipina , la tranilcipromina , el isotiocianato de fenetilo y la 6-hidroxiflavona. La simulación de acoplamiento molecular y la construcción de mutantes con sustituyentes indican que el sitio de unión no competitivo de la 6-hidroxiflavona es el sitio de unión alostérico descrito para la enzima CYP2C9 . ^{[ 9 ]}