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 igualmente bien a la enzima independientemente de si ya se ha unido al sustrato o no. ^[1] Esto es diferente a la inhibición competitiva , donde la afinidad de unión por el sustrato en la enzima disminuye en presencia de un inhibidor.

El inhibidor puede unirse a la enzima independientemente de que el sustrato ya se haya unido o no, pero si tiene una mayor afinidad para unirse a la enzima en un estado u otro, se denomina inhibidor mixto . ^[1]

Durante sus años de trabajo como médico, Leonor Michaelis y un amigo, Peter Rona, construyeron un laboratorio compacto en el hospital y, en el transcurso de cinco años, Michaelis logró publicar más de 100 trabajos. 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 la divergencia de la inhibición no competitiva y la competitiva . La inhibición no competitiva afecta el valor k _cat (pero no el K _m ) en cualquier gráfico dado; este inhibidor se une a un sitio que tiene especificidad para la molécula determinada. Michaelis determinó que cuando el inhibidor está unido, la enzima se inactiva. ^[2]

Al igual que muchos otros científicos de su tiempo, Leonor Michaelis y Maud Menten trabajaron en una reacción que se utilizó para cambiar la composición de la sacarosa y hacer que se lisara en dos productos: fructosa y glucosa. ^[2] La enzima involucrada en esta reacción se llama invertasa , y es la enzima cuya cinética ha sido apoyada por Michaelis y Menten como revolucionaria para la cinética de otras enzimas. Al expresar la velocidad de la reacción estudiada, derivaron una ecuación que describía la velocidad de una manera que sugería que depende 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 para los descubrimientos en cinética enzimática por los que son conocidos Michaelis y Menten. ^[4] Brown imaginó teóricamente el mecanismo que ahora se acepta para la cinética enzimática, pero no tenía los datos cuantitativos para hacer una afirmación. ^[4] Victor Henri hizo contribuciones significativas a la cinética enzimática durante su tesis doctoral, sin embargo, no notó 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 química física. ^[2] A Henri se le atribuye ser el primero en escribir la ecuación que ahora se conoce como ecuación de Michaelis-Menten. Usando 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 en la descripción de 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 estable. 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 enfocaron fuertemente 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) a " azúcar invertido ". La razón principal para usar invertasa fue que podía ensayarse fácilmente y los experimentos podían hacerse de manera más rápida. La sacarosa rota en el polarímetro como dextrógiro-D mientras que el azúcar invertido es levógiro-L . Esto hizo que rastrear la inversión del azúcar fuera relativamente simple. También descubrieron que la α-D-glucosa se libera en reacciones catalizadas por la invertasa, que es muy inestable y cambia espontáneamente a β-D-glucosa . ^[4] Aunque ambas están en forma dextrógira, aquí es donde notaron que la glucosa puede cambiar espontáneamente, también conocido como mutarrotación. No tener esto en cuenta fue una de las principales razones por las que los experimentos de Henri no dieron los resultados esperados. Usando invertasa para catalizar la inversión de la sacarosa, pudieron ver qué tan rápido reaccionaba la enzima por polarimetría; por lo tanto, se encontró que se producía una inhibición no competitiva en la reacción en la que la sacarosa se invertía con la invertasa. ^[2]

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

Muchas fuentes continúan 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 en el que tanto el inhibidor como el sustrato pueden estar unidos a la enzima en cualquier momento. Cuando tanto el sustrato como el inhibidor están unidos, el complejo enzima-sustrato-inhibidor no puede formar producto y solo puede convertirse nuevamente 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 una afinidad igual por la enzima y el complejo enzima-sustrato.

Por ejemplo, en las reacciones catalizadas por enzimas de la glucólisis , la acumulación de fosfoenol es catalizada por la piruvato quinasa en piruvato . La alanina es un aminoácido que se sintetiza a partir del piruvato y también inhibe la enzima piruvato quinasa durante la glucólisis. La alanina es un inhibidor no competitivo, por lo tanto, se une al sustrato desde el sitio activo para seguir siendo el producto final. ^[6]

Otro ejemplo de inhibición no competitiva es la hexoquinasa que inhibe la glucosa-6-fosfato en el cerebro. Los carbonos 2 y 4 de la glucosa-6-fosfato contienen grupos hidroxilo que se unen junto con el fosfato en el carbono 6 al complejo enzima-inhibidor. El sustrato y la enzima son diferentes en sus combinaciones de grupos a los que se une un inhibidor. La capacidad de la glucosa-6-fosfato de unirse en diferentes lugares al mismo tiempo 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, incluida la unión directa al sitio activo. Se diferencia de la inhibición competitiva en que la unión del inhibidor no impide la unión del sustrato, y viceversa, sino que simplemente impide la formación del producto durante un tiempo limitado.

Este tipo de inhibición reduce la velocidad máxima de una reacción química sin cambiar la afinidad de unión aparente del catalizador por el sustrato (K _m ^app – ver cinética de Michaelis-Menten ). Cuando se añade un inhibidor no competitivo, la Vmax cambia, mientras que la Km permanece sin cambios. Según el gráfico de Lineweaver-Burk, la Vmax se reduce durante la adición de 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 cuando se añade un inhibidor no competitivo. ^[8]

La principal diferencia entre la inhibición competitiva y la no competitiva es que la inhibición competitiva afecta la capacidad del sustrato para unirse mediante la unión de un inhibidor en lugar de un sustrato, lo que reduce 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 no competitiva en que todavía permite que el sustrato se una al complejo enzima-inhibidor y forme un complejo enzima-sustrato-inhibidor, esto no es cierto en la inhibición no competitiva, evita que el sustrato se una al inhibidor de la enzima a través de 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 verse como una consecuencia del principio de Le Chatelier porque el inhibidor se une tanto a la enzima como al complejo enzima-sustrato por igual, de modo que se mantiene el equilibrio. Sin embargo, dado que siempre se inhibe a alguna enzima de convertir el sustrato en producto, la concentración efectiva de enzima se reduce.

Matemáticamente,

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

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

Los inhibidores no competitivos de la enzima CYP2C9 incluyen nifedipina , tranilcipromina , isotiocianato de fenetilo y 6-hidroxiflavona. La simulación de acoplamiento por computadora y los mutantes construidos sustituidos indican que el sitio de unión no competitivo de la 6-hidroxiflavona es el sitio de unión alostérico informado de la enzima CYP2C9 . ^[9]