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Inhibición mixta - v vs S - Biología

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Inhibición mixta - v vs S

No, no puede asumir que un inhibidor alostérico no es competitivo. "Alostérico" se refiere a la ubicación de la unión, mientras que términos como inhibición competitiva, no competitiva, no competitiva o mixta se refieren a cómo (o si) la unión del inhibidor afecta la unión con el sustrato.

La página de Wikipedia sobre inhibición competitiva es una fuente razonable para esta pregunta.

Un inhibidor competitivo es aquel que evita la unión del sustrato normal (s) en el sitio activo. Es posible lograr esto literalmente interponiéndose en el camino uniéndose en el sitio activo o uniéndose en otro lugar, lo que provoca un cambio conformacional que evita la unión del sitio activo. Ambos casos se consideran inhibición competitiva debido a cómo influyen en la unión del sustrato.

Puede ser técnicamente correcto decir que un inhibidor alostérico puede ser (o es) un "inhibidor competitivo", pero, en términos de comunicación y educación, recomendaría un enfoque más mesurado. La mayoría de los estudiantes encuentran los términos “inhibidor competitivo” e “inhibidor no competitivo” en el contexto de reacciones que exhiben cinética de Michaelis-Menten. Su imagen mental de tal inhibidor será, por tanto, del tipo:

Al discutir los inhibidores alostéricos, por lo tanto, me centraría en el modelo mental diferente, a continuación, en el que el sustrato (o efector positivo) y el efector negativo (el uso de este término diferente es deliberado) tienen efectos opuestos sobre el equilibrio entre los estados tensos y relajados:

Luego continuaría diciendo algo en el sentido de que, debido a que las concentraciones relativas de sustrato y efector negativo determinan la velocidad de la reacción, “el efector negativo compite indirectamente con el sustrato”.

En primer lugar, entiendo tu punto de que la publicación anterior es demasiado técnica. En esta ocasión, no habrá ecuaciones ni diagramas.

Cuando se trata de la inhibición enzimática reversible, nos preocupa principalmente el significado de cuatro términos: competitivo, no competitivo, no competitivo y mixto. Como dije anteriormente, la literatura es muy confusa hasta el punto de hacer que conceptos relativamente simples parezcan muy complejos, y la confusión a menudo surge del significado del término "no competitivo".

Lo primero es lo primero: los inhibidores reversibles se clasifican mejor por sus efectos sobre dos constantes cinéticas que por el mecanismo que da lugar a un patrón de inhibición particular. Las dos constantes cinéticas son kgato y kgato/ Kmetro. (Entonces, ¿por qué no kgato y Kmetro? Esto se discutió en una publicación anterior, pero la respuesta corta es que es más simple: Kmetro es a menudo una constante cinética muy compleja). Podemos distinguir dos casos "limitantes". (i) Efectos de un inhibidor competitivo kgato/ Kmetro pero no kgato y (ii) un efecto inhibidor no competitivo kgato pero no kgato / Kmetro. (iii) Ahora también podemos distinguir un tercer caso donde ambos Las constantes cinéticas se ven afectadas. Llamemos a esto una inhibición no competitiva.

La confusión en la literatura surge porque algunas autoridades llaman inhibición no competitiva como se define arriba inhibición mixta, y (para realmente arruinar las cosas), ¡consideran que la inhibición no competitiva es un caso especial de inhibición mixta en el que ambas constantes cinéticas se modifican en la misma medida! A los efectos de esta respuesta, soy no ir allí ya que creo que lo que usted quiere decir con no competitivo es como se define en (iii) arriba. En cualquier caso, así es como Cleland, la máxima autoridad en este campo, define la inhibición no competitiva. En otras palabras, la inhibición "mixta" se elimina de esta respuesta a partir de este momento.

Podríamos ser un poco más aventureros aquí y decir que un inhibidor competitivo solo afecta la unión del sustrato a la enzima y que un inhibidor no competitivo afecta solo el paso catalítico. O, podríamos decir que un inhibidor competitivo afecta solo la constante de velocidad aparente de segundo orden para la combinación de enzima con sustrato (que los enzimólogos llaman kgato/ Kmetro) y que un inhibidor no competitivo afecta solo a la constante de velocidad aparente de primer orden (que los enzimólogos denominan kgato). Pero eso se está volviendo demasiado abstracto. ¿Pero quizás puedas ver a dónde voy? Solo hay dos casos limitantes, uno que afecta la unión del sustrato y otro que afecta la catálisis, y una combinación de ambos. Realmente es tan simple como eso.

Habiendo aclarado el lío de la nomenclatura, ahora intentaré responder a su pregunta: si un inhibidor no se une al sitio activo, ¿podemos concluir que es un inhibidor no competitivo?

En mi opinión, la respuesta es un rotundo no. Un inhibidor alostérico (uno que se une a un sitio diferente al sitio activo) puede ser competitivo, no competitivo o no competitivo.

Como dijo Bryan Krause, un inhibidor competitivo evita la unión del sustrato normal (s) en el sitio activo, pero no hay ningún requisito de que el inhibidor se una al sitio activo. La unión del inhibidor en el sitio alostérico puede causar un cambio conformacional que previene la unión del sustrato, por ejemplo.

El mismo argumento se aplica a la inhibición no competitiva. Un mecanismo simple que da lugar a una inhibición no competitiva es cuando el inhibidor no puede unirse a la enzima "libre", pero sí al complejo enzima-sustrato. Y, por supuesto, la unión al sitio alostérico podría no ser posible a menos que el sustrato esté unido.


C2. Inhibición competitiva

La inhibición competitiva reversible se produce cuando el sustrato (S) y el inhibidor (I) se unen al mismo sitio de la enzima. En efecto, compiten por el sitio activo y se unen de manera mutuamente excluyente. Esto se ilustra en las ecuaciones químicas y la caricatura molecular a continuación.

Existe otro tipo de inhibición que daría los mismos datos cinéticos. Si S y yo nos unimos a sitios diferentes, y S se unía a E y producía un cambio conformacional en E tal que yo no podía unirme (y viceversa), entonces la unión de S e I sería mutuamente excluyente. A esto se le llama inhibición competitiva alostérica. Los estudios de inhibición generalmente se realizan a varias concentraciones fijas y no saturantes de I y concentraciones variables de S.

Los parámetros cinéticos clave para comprender son Vm y Km. Supongamos, para facilitar la derivación de la ecuación, que I se une reversiblemente y con rápido equilibrio a E, con una constante de disociación Kis. Las & comillas & quot en el subíndice & quotis & quot indican que la pendiente de la gráfica 1 / v vs 1 / S Lineweaver-Burk cambia mientras que la intersección y permanece constante. Kis también se llama KIc donde el subíndice "c" representa la constante de inhibición competitiva.

Una mirada al mecanismo superior muestra que incluso en presencia de I, a medida que S aumenta hasta el infinito, todo E se convierte en ES. Es decir, no hay una E libre a la que pueda unirme. Ahora recuerde que Vm = kcatEo. En estas condiciones, ES = Eo, por tanto, v = Vm. Vm no se cambia. Sin embargo, el Km aparente, Kmapp, cambiará. Podemos utilizar el principio de LaChatelier para entender esto. Si me une a E solo, y no a ES, desplazará el equilibrio de E + S & lt == & gt ES hacia la izquierda, lo que tendría el efecto de aumentar la aplicación de Km (es decir, parecería que la afinidad de E y S ha disminuido). La trama recíproca doble (trama de Lineweaver Burk) ofrece una excelente manera de visualizar la inhibición. En presencia de I, Vm no cambia, pero Km parece aumentar. Por lo tanto, 1 / Km, la intersección con el eje x en la gráfica se volverá más pequeña y más cercana a 0. Por lo tanto, las gráficas constarán de una serie de líneas, con la misma intersección y (1 / Vm), y las intersecciones x (- 1 / Km) cada vez más cerca del 0 a medida que aumenta. Estas parcelas que se cruzan son el sello distintivo de la inhibición competitiva.

Tenga en cuenta que en los primeros tres modelos de inhibición discutidos en esta sección, los gráficos de Lineweaver-Burk son lineales en presencia y ausencia de inhibidor. Esto sugiere que las gráficas de v vs S en cada caso serían hiperbólicas y se ajustarían a la forma habitual de la ecuación de Michaelis Menton, cada una con valores de Vm y Km aparentes potencialmente diferentes.

Se puede derivar una ecuación, que se muestra en la figura anterior, que muestra el efecto del inhibidor competitivo sobre la velocidad de la reacción. El único cambio es que el término Km se multiplica por el factor 1 + I / Kis. Por tanto, Kmapp = Km (1 + I / Kis). Esto muestra que el Km aparente aumenta como predijimos. Kis es la constante de disociación del inhibidor en la que el inhibidor afecta la pendiente del gráfico recíproco doble.

Wolfram Mathematica CDF Player - Inhibición competitiva vs S (se requiere complemento gratuito)

4/6/14Wolfram Mathematica CDF Player - Inhibición competitiva - Lineweaver Burk (se requiere un complemento gratuito)

Si los datos se representaran gráficamente como vo vs log S, las gráficas serían sigmoideas, como vimos para las gráficas de ML frente a log L en el Capítulo 5B. En el caso del inhibidor competitivo, la gráfica de vo vs log S en presencia de diferentes concentraciones fijas de inhibidor consistiría en una serie de curvas sigmoideas, cada una con el mismo Vm, pero con diferentes valores de Km aparentes (donde Kmapp = Km ( 1 + I / Kis), desplazado progresivamente hacia la derecha.Los datos cinéticos de la enzima rara vez se representan de esta manera, pero los datos de unión simples para el equilibrio M + L & lt == & gt ML, en presencia de diferentes concentraciones de inhibidor sí lo son.

Reconsidere nuestra discusión sobre el equilibrio de unión simple, M + L & lt == & gt ML. Cuando deseamos saber cuánto está ligado, o la saturación fraccional, en función del log L, consideramos tres ejemplos.

  1. L = 0.01 Kd (es decir, L & lt & lt Kd), lo que implica que Kd = 100L. Entonces Y = L / [Kd + L] = L / [100L + L] ≈1 / 100. Esto implica que, independientemente del [L] real, si L = 0.01 Kd, entonces Y ≈0.01.
  2. L = 100 Kd (es decir, L & gt & gt Kd), lo que implica que Kd = L / 100. Entonces Y = L / [Kd + L] = L / [(L / 100) + L] = 100L / 101L ≈ 1. Esto implica que, independientemente del [L] real, si L = 100 Kd, entonces Y ≈1 .
  3. L = Kd, luego Y = 0.5

Estos escenarios muestran que si L varía en 4 órdenes de magnitud (0.01Kd & lt Kd & lt 100Kd), o, en términos logarítmicos, de
-2 + log Kd & lt log Kd & lt 2 + log Kd), independientemente de la magnitud de Kd, que Y varía de aproximadamente 0 - 1.

En otras palabras, Y varía de 0-1 cuando L varía de log Kd en +2. Por lo tanto, los gráficos de Y frente a log L para una serie de reacciones de unión de Kd cada vez mayor (menor afinidad) revelarían una serie de curvas sigmoideas idénticas desplazadas progresivamente hacia la derecha, como se muestra a continuación.

Lo mismo sucedería con vo vs S en presencia de diferente concentración de un inhibidor competitivo, para el flujo inicial, Jo vs ligando en el exterior, en presencia de un inhibidor competitivo, o ML vs L (o Y vs L) en presencia de un inhibidor competitivo.

Wolfram Mathematica CDF Player - Inhibición competitiva vs logS (se requiere complemento gratuito)

En muchos sentidos, las gráficas de v0 frente a lnS son más fáciles de interpretar visualmente que las gráficas de v0 frente a S. Como se señaló para los diagramas de encuadernación simples, las ilustraciones de los libros de texto de hipérbolas a menudo están mal dibujadas, mostrando curvas que se nivelan demasiado rápido en función de [S] en comparación con los diagramas de v0 vs lnS, en los que es fácil ver si se ha logrado la saturación. . Además, como muestran las curvas anteriores, se pueden realizar múltiples gráficas completas de v0 frente a lnS a concentraciones variables de inhibidor fijo o para formas enzimáticas variantes (diferentes isoformas, mutantes específicos del sitio) en una amplia gama de lnS, lo que facilita las comparaciones de los valores experimentales. cinética en estas diferentes condiciones. Esto es especialmente cierto si los valores de Km difieren mucho.

Ahora que está más familiarizado con las curvas de unión, flujo y cinética enzimática, en presencia y ausencia de inhibidores, debería poder aplicar el análisis anterior a las curvas de inhibición donde la unión, el flujo inicial o la velocidad inicial se trazan en concentración de inhibidor competitivo variable a diferentes concentraciones fijas no saturantes de ligando o sustrato. Considere la actividad de una enzima. Digamos que a una concentración razonable de sustrato (no infinita), la enzima es aproximadamente 100% activa. Si se agrega un inhibidor competitivo, la actividad de la enzima descendería hasta saturar (infinito) I, no quedaría ninguna actividad. Los gráficos que muestran esto se muestran a continuación.

Figura: Inhibición de la actividad enzimática:% de actividad frente a log [inhibidor]

Un caso especial de inhibición competitiva: la constante de especificidad: en el capítulo anterior, la constante de especificidad se definió como kcat / KM, que también describimos como la constante de velocidad de segundo orden asociada con la reacción bimolecular de E y S cuando S & lt & lt KM. También describe qué tan buena es una enzima para diferenciar entre diferentes sustratos. Si la enzima encuentra dos sustratos, uno puede considerarse un inhibidor competitivo del otro. La siguiente derivación muestra que la relación de velocidades iniciales para dos sustratos competidores a la misma concentración es igual a la relación de sus valores kcat / KM.


¿Cómo actúan las enzimas?

Un resorte estirado. (Crédito de la foto: Pixabay)

Piense en las enzimas como un resorte. Mientras está en uso, el resorte se estira y cambia de forma, pero una vez que se realiza el trabajo, vuelve a su forma original. Las enzimas funcionan de manera similar. Durante una reacción química, la enzima puede cambiar su composición o forma para promover la reacción, y una vez que se realiza la tarea, vuelve a su estado original, sin dejar ningún cambio permanente en la enzima.


C4. Inhibición mixta y no competitiva

La inhibición no competitiva reversible ocurre cuando me une tanto a E como a ES. Veremos solo el caso especial en el que las constantes de disociación de I para E y ES son las mismas. A esto se le llama inhibición no competitiva. Es bastante raro, ya que sería difícil imaginar que un inhibidor grande que inhiba el recambio del sustrato unido no tenga ningún efecto sobre la unión de S a E. Sin embargo, la interacción covalente de protones tanto con E como con ES puede conducir a una inhibición no competitiva. En el caso más general, los Kd & # 39s son diferentes y la inhibición se llama mixta. Dado que se produce la inhibición, plantearemos la hipótesis de que la ESI no puede formar un producto. Es un complejo sin salida que tiene un solo destino, volver a ES o EI. Esto se ilustra en las ecuaciones químicas y en la caricatura molecular a continuación.

Supongamos, para facilitar la derivación de la ecuación, que I se une reversiblemente a E con una constante de disociación de Kis (como indicamos para la inhibición competitiva) y a ES con una constante de disociación Kii (como señalamos para la inhibición no competitiva). Suponga para la inhibición no competitiva que Kis = Kii. Una mirada al mecanismo superior muestra que en presencia de I, a medida que S aumenta hasta el infinito, no todo E se convierte en ES. Es decir, hay una cantidad finita de ESI, incluso en el infinito S. Ahora recuerde que Vm = kcatEo si y solo si todo E está en la forma ES. En estas condiciones, la Vm aparente, Vmapp es menor que la Vm real sin inhibidor. Por el contrario, el Km aparente, Kmapp, no cambiará ya que I se une a E y ES con la misma afinidad y, por lo tanto, no perturbará ese equilibrio, como se deduce del principio de LaChatelier. La trama recíproca doble (trama de Lineweaver Burk) ofrece una excelente manera de visualizar la inhibición. En presencia de I, solo Vm disminuirá. Por lo tanto, -1 / Km, la intersección con el eje x permanecerá igual y 1 / Vm se volverá más positivo. Por lo tanto, los gráficos constarán de una serie de líneas que se cruzan en el eje x, que es el sello distintivo de la inhibición no competitiva. Debería poder averiguar cómo aparecerían las parcelas si Kis es diferente de Kii (inhibición mixta).
Se puede derivar una ecuación, que se muestra en el diagrama anterior, que muestra el efecto del inhibidor no competitivo sobre la velocidad de la reacción. En el denominador, Km se multiplica por 1 + I / Kis y S por 1 + I / Kii. Nos gustaría reorganizar esta ecuación para mostrar cómo Km y Vm se ven afectados por el inhibidor, no S, que obviamente no lo es. Reordenando la ecuación como se muestra arriba muestra que Kmapp = Km (1 + I / Kis) / (1 + I / Kii) = Km cuando Kis = Kii, y Vmapp = Vm / (1 + I / Kii). Esto muestra que Km no cambia y Vm disminuye como predijimos. El gráfico muestra una serie de líneas que se cruzan en el eje x. Tanto la pendiente como la intersección con el eje y se modifican, lo que se refleja en los nombres de las dos constantes de disociación, Kis y Kii. Tenga en cuenta que si I es cero, Kmapp = Km y Vmapp = Vm. A veces, las constantes de disociación de inhibición de Kis y Kii se denominan Kc y Ku (constantes de disociación de inhibición competitivas y no competitivas.

La inhibición mixta (y no) competitiva (como se muestra por el mecanismo anterior) difiere de la inhibición competitiva y no competitiva en que la unión del inhibidor no es simplemente una reacción sin salida en la que el inhibidor solo puede disociarse en un único paso inverso. En el equilibrio anterior, S puede disociarse de ESI para formar EI, por lo que es posible que el sistema no esté en equilibrio. Con los pasos del callejón sin salida, no se produce ningún flujo de reactivos a través del complejo del callejón sin salida, por lo que no se perturba el equilibrio del paso del callejón sin salida.

Otros mecanismos pueden producir comúnmente una inhibición mixta. Por ejemplo, el producto liberado en un mecanismo de ping pong (que se analiza en el capítulo siguiente) puede producir una inhibición mixta.

Si el P, actuando como un inhibidor de producto, puede unirse a dos formas diferentes de la enzima (E & # 39 y también E), actuará como un inhibidor mixto.

4/26/13Wolfram Mathematica CDF Player - Inhibición mixta vs curvas S Kis y Kii llamadas Kc y Ku (deslizadores de inicio en valores altos) (se requiere un complemento gratuito)

Inhibición interactiva SageMath mixta

4/26/13Wolfram Mathematica CDF Player: gráficos de Lineweaver-Burk para curvas de inhibición mixta vs S (deslizadores de inicio en valores altos) (se requiere un complemento gratuito). Observe dónde se cruzan las curvas inhibidas e inhibidas en diferentes valores de Kis y Kii (en el gráfico denominado Kc y Ku). Cuando Kis = Kii, la inhibición no es competitiva.

Inhibición mixta de SageMath interactiva (gráfico rojo + inhibidor, gráfico azul - inhibidor, ejes verdes

Si puede aplicar el principio de LeChatilier, debería poder dibujar los gráficos de Lineweaver-Burk para cualquier escenario de inhibición o incluso el caso opuesto, ¡activación de enzimas!

Versión archivada del Capítulo 6C completo: Inhibición de enzimas

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¿Cuál es la diferencia entre un inhibidor mixto que prefiere el complejo enzima-sustrato frente a los inhibidores no competitivos?

Los inhibidores mixtos se unen a un sitio alostérico y pueden unirse preferentemente a la enzima o a la conformación del sustrato de la enzima. Si se une al sustrato de la enzima preferentemente, disminuye Km y V max. Un inhibidor no competitivo se une solo al complejo de sustrato enzimático en un sitio alostérico, pero pierde Km y Vmax. Estoy confundido. ¿Cuál es la diferencia entre estos dos?

La inhibición mixta tiene diferentes afinidades por el complejo E y E • S, siendo uno de los dos preferencial. La inhibición no competitiva es un caso especial de inhibición mixta. con inhibidores no competitivos tiene afinidades iguales por el complejo E y E • S. Estas diferencias se deben en gran medida a cualquier cambio conformacional de la enzima en los sitios alostéricos después de la unión del sustrato.

Con la inhibición no competitiva no afectamos la afinidad por el sustrato en absoluto (considerando que las afinidades son exactamente las mismas para E y E • S). Por tanto, el efecto del inhibidor es detener algún cambio conformacional que es esencial para el recambio del sustrato en producto, disminuyendo así la Vmax medida pero sin afectar a la Km.

Con inhibición mixta, esto puede ir en ambos sentidos. Si tenemos una mayor afinidad por la enzima sola (sin sustrato), veremos un cambio conformacional en la enzima y específicamente en el sitio activo que hará más difícil / imposible que el sustrato se una. Esto esencialmente apagaría las enzimas con estos inhibidores unidos (reduciendo la cantidad de enzimas funcionales que quedan), reduciendo así la Vmax. También veríamos un aumento en Km aparente porque parece que necesitamos más sustrato para alcanzar Vmax porque el cambio conformacional en el sitio activo reduce la afinidad por el sustrato.

El otro lado de la inhibición mixta es si tenemos una mayor afinidad por el complejo E • S. Aquí, de nuevo provocaremos un cambio conformacional en la enzima que disminuirá Vmax porque inhibirá algún cambio conformacional esencial para el recambio enzimático. En este caso, ya tenemos el sustrato unido por lo que la Km aparente disminuirá de la misma manera que lo hace con la inhibición no competitiva. El inhibidor de unión al complejo E • S nos da el complejo E • S • I (aunque todavía se une alostéricamente). Piense en le chatelier's. E + S - & gt E • S + I - & gt E • S • I. La reducción de E • S mediante la formación de E • S • I hará que el equilibrio cambie de E a E • S, lo que hace que parezca que E tiene una mayor afinidad por S, ergo, menor Km.


Ver el vídeo: Tipos de INHIBIDORES de las ENZIMAS (Agosto 2022).