التثبيط التنافسي

في التثبيط التنافسي، يرتبط مثبط يشبه الركيزة الطبيعية بالإنزيم، عادةً في الموقع النشط ، ويمنع الركيزة من الارتباط. ^{[ 8 ]} في أي لحظة، قد يكون الإنزيم مرتبطًا بالمثبط، أو الركيزة، أو لا يرتبط بأي منهما، لكن لا يمكنه الارتباط بهما معًا في الوقت نفسه. خلال التثبيط التنافسي، يتنافس المثبط والركيزة على الموقع النشط. الموقع النشط هو منطقة على الإنزيم يمكن لبروتين أو ركيزة معينة الارتباط بها. وبالتالي، يسمح الموقع النشط لأحد المركبين فقط بالارتباط به، مما يسمح بحدوث التفاعل أو يؤدي إليه. في التثبيط التنافسي، يشبه المثبط الركيزة، فيحل محلها ويرتبط بالموقع النشط للإنزيم. زيادة تركيز الركيزة من شأنها أن تقلل من "التنافس" على ارتباط الركيزة بالموقع النشط بشكل صحيح، وبالتالي تسمح بحدوث التفاعل. ^{[ 3 ]} عندما يكون تركيز الركيزة أعلى من تركيز المثبط التنافسي، فمن المرجح أن تتلامس الركيزة مع الموقع النشط للإنزيم أكثر من تلامسها مع المثبط.

تُستخدم المثبطات التنافسية بشكل شائع في صناعة الأدوية. ^{[ 3 ]} على سبيل المثال، الميثوتريكسات دواء للعلاج الكيميائي يعمل كمثبط تنافسي. وهو مشابه بنيويًا للإنزيم المساعد ، حمض الفوليك ، الذي يرتبط بإنزيم ديهيدروفولات ريدوكتاز . ^{[ 3 ]} يُعد هذا الإنزيم جزءًا من عملية تخليق الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA، وعندما يرتبط الميثوتريكسات بالإنزيم، فإنه يُعطّله، فلا يستطيع تخليق الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA. ^{[ 3 ]} وبالتالي، تصبح الخلايا السرطانية غير قادرة على النمو والانقسام. مثال آخر: تُنتَج البروستاجلاندينات بكميات كبيرة استجابةً للألم، ويمكن أن تُسبب الالتهاب. تُشكّل الأحماض الدهنية الأساسية البروستاجلاندينات؛ وعندما اكتُشف ذلك، تبيّن أنها في الواقع مثبطات فعّالة جدًا للبروستاجلاندينات. وقد استُخدمت مثبطات الأحماض الدهنية هذه كأدوية لتسكين الألم لأنها تعمل كركيزة، وترتبط بالإنزيم، وتمنع البروستاجلاندينات. ^{[ 9 ]}

من الأمثلة على التثبيط التنافسي غير الدوائي منع اسمرار الفواكه والخضراوات. فعلى سبيل المثال، يرتبط إنزيم التيروزيناز ، الموجود في الفطر، عادةً بالركيزة، وهي أحاديات الفينول ، مُكَوِّنًا الكينونات البنية. ^{[ 10 ]} تتنافس الركائز المنافسة، مثل بنزالدهيدات 4-المستبدلة في الفطر، مع الركيزة، مما يقلل من كمية أحاديات الفينول المرتبطة بها. تُسهم هذه المركبات المُثبِّطة، المُضافة إلى المنتجات، في الحفاظ على نضارتها لفترات أطول عن طريق تقليل ارتباط أحاديات الفينول المُسببة للاسمرار. ^{[ 10 ]} وهذا يُحسِّن جودة المنتجات ويُطيل مدة صلاحيتها.

قد يكون التثبيط التنافسي قابلاً للعكس أو غير قابل للعكس. إذا كان التثبيط قابلاً للعكس ، فيمكن التغلب على تأثيرات المُثبِّط بزيادة تركيز الركيزة. ^{[ 8 ]} أما إذا كان غير قابل للعكس، فإن الطريقة الوحيدة للتغلب عليه هي إنتاج المزيد من الهدف (وعادةً ما يتم تحلل الهدف المُثبَّط بشكل غير قابل للعكس و/أو إخراجه).

في جميع الحالات تقريبًا، ترتبط المثبطات التنافسية بنفس موقع الارتباط (الموقع النشط) الذي يرتبط به الركيزة، ولكن الارتباط بنفس الموقع ليس شرطًا. يمكن للمثبط التنافسي أن يرتبط بموقع ألوستيري للإنزيم الحر ويمنع ارتباط الركيزة، طالما أنه لا يرتبط بهذا الموقع الألوستيري عند ارتباط الركيزة. على سبيل المثال، يعمل الستريكنين كمثبط ألوستيري لمستقبلات الجلايسين في الحبل الشوكي وجذع الدماغ لدى الثدييات. الجلايسين ناقل عصبي مثبط رئيسي بعد المشبكي وله موقع مستقبل محدد. يرتبط الستريكنين بموقع بديل يقلل من ألفة مستقبلات الجلايسين للجلايسين، مما يؤدي إلى حدوث تشنجات نتيجة انخفاض التثبيط بواسطة الجلايسين. ^{[ 11 ]}

في التثبيط التنافسي، تكون السرعة القصوى (${\displaystyle V_{\max }}$لم يتغير معدل التفاعل، بينما انخفضت الألفة الظاهرية للركيزة لموقع الارتباط.${\displaystyle K_{d}}$يبدو أن ثابت التفكك قد ازداد). التغير في${\displaystyle K_{m}}$( ثابت مايكليس-مينتين ) يتوازى مع التغير في${\displaystyle K_{d}}$فعندما يزداد أحدهما، يجب أن ينخفض ​​الآخر. عندما يرتبط مثبط تنافسي بإنزيم،${\displaystyle K_{m}}$يزداد تركيز المثبط التنافسي. وهذا يعني انخفاض ألفة ارتباط الإنزيم، ولكن يمكن التغلب على ذلك بزيادة تركيز الركيزة. ^{[ 12 ]} يمكن التغلب على أي تركيز محدد للمثبط التنافسي بزيادة تركيز الركيزة. في هذه الحالة، ستقلل الركيزة من توافر المثبط للارتباط، وبالتالي، ستتفوق عليه في الارتباط بالإنزيم. ^{[ 12 ]}

أمثلة بيولوجية

بعد تناول جرعة عرضية من دواء ديسميثيلبرودين الأفيوني الملوث ، تم اكتشاف التأثير السام العصبي لمركب 1-ميثيل-4-فينيل-1،2،3،6-رباعي هيدروبيريدين ( MPTP ). يتميز MPTP بقدرته على عبور الحاجز الدموي الدماغي والدخول إلى الليزوزومات الحمضية . ^{[ 13 ]} يتم تنشيط MPTP بيولوجيًا بواسطة MAO-B، وهو إنزيم متماثل لأكسيداز أحادي الأمين (MAO) الذي يتركز بشكل أساسي في الاضطرابات والأمراض العصبية. ^{[ 14 ]} لاحقًا، اكتُشف أن MPTP يُسبب أعراضًا مشابهة لأعراض مرض باركنسون . تحتوي خلايا الجهاز العصبي المركزي (الخلايا النجمية) على MAO-B الذي يؤكسد MPTP إلى 1-ميثيل-4-فينيل بيريدينيوم (MPP+)، وهو مركب سام. ^{[ 13 ]} ينتقل MPP+ في النهاية إلى السائل خارج الخلوي عبر ناقل الدوبامين ، مما يؤدي في النهاية إلى ظهور أعراض مرض باركنسون. مع ذلك، فإن التثبيط التنافسي لإنزيم MAO-B أو ناقل الدوبامين يحمي من أكسدة MPTP إلى MPP+. وقد تم اختبار عدد قليل من المركبات لقدرتها على تثبيط أكسدة MPTP إلى MPP+، بما في ذلك أزرق الميثيلين ، و5-نيترويندازول ، ونورهارمان ، و9-ميثيل نورهارمان ، وميناديون . ^{[ 14 ]} وقد أظهرت هذه المركبات انخفاضًا في السمية العصبية الناتجة عن MPTP.

تعمل أدوية السلفا أيضًا كمثبطات تنافسية. فعلى سبيل المثال، يرتبط السلفانيلاميد تنافسيًا بالإنزيم في الموقع النشط لإنزيم ثنائي هيدروبتيروات سينثاز (DHPS) عن طريق محاكاة الركيزة حمض بارا-أمينوبنزويك (PABA). ^{[ 15 ]} يمنع هذا الارتباط الركيزة نفسها من الارتباط، مما يوقف إنتاج حمض الفوليك، وهو عنصر غذائي أساسي. يجب على البكتيريا تصنيع حمض الفوليك لأنها لا تمتلك ناقلًا له. وبدون حمض الفوليك، لا تستطيع البكتيريا النمو والانقسام. لذلك، وبسبب التثبيط التنافسي لأدوية السلفا، فإنها تُعد عوامل مضادة للبكتيريا ممتازة. وقد تم إثبات مثال على التثبيط التنافسي تجريبيًا لإنزيم سكسينيك ديهيدروجينيز، الذي يحفز أكسدة السكسينات إلى فومارات في دورة كريبس . يُعد المالونات مثبطًا تنافسيًا لإنزيم سكسينيك ديهيدروجينيز، حيث يتم تثبيط ارتباط هذا الإنزيم بالركيزة، السكسينات، تنافسيًا. يحدث هذا لأن التركيب الكيميائي للمالونات مشابه لتركيب السكسينات. وتعتمد قدرة المالونات على تثبيط ارتباط الإنزيم بالركيزة على نسبة المالونات إلى السكسينات. يرتبط المالونات بالموقع النشط لإنزيم نازع هيدروجين السكسينات، مما يمنع السكسينات من الارتباط به، وبالتالي يثبط التفاعل. ^{[ 16 ]}

يُعدّ نموذج ميكايليس-مينتين أداةً قيّمةً لفهم حركية الإنزيمات. وفقًا لهذا النموذج، يُمكن استخدام رسم بياني لسرعة التفاعل (V₀ ₎ المرتبطة بتركيز الركيزة [S] لتحديد قيم مثل Vmax _، والسرعة الابتدائية، وKm ₍ Vmax _/ 2 أو ألفة الإنزيم لمركب الركيزة). ^{[ 4 ]}

يؤدي التثبيط التنافسي إلى زيادة القيمة الظاهرية لثابت مايكليس-مينتين ،${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$بحيث يكون معدل التفاعل الأولي،${\displaystyle V_{0}}$، يتم تحديده بواسطة

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

أين${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})}$،${\displaystyle K_{i}}$هو ثابت تفكك المثبط و${\displaystyle [I]}$هو تركيز المثبط.

${\displaystyle V_{\max }}$يبقى الأمر على حاله لأنه يمكن التغلب على وجود المثبط من خلال تركيزات أعلى للركيزة.${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$تركيز الركيزة اللازم للوصول${\displaystyle V_{\max }/2}$يزداد تركيز الركيزة اللازمة للوصول إلى تركيز معين.${\displaystyle V_{\max }}$يكون تركيز المادة المتفاعلة مع المثبط أكبر من تركيز المادة المتفاعلة اللازمة للوصول إلى${\displaystyle V_{\max }}$بدون مثبط.

في أبسط الحالات، وهي حالة إنزيم أحادي الركيزة يخضع لحركية ميكايليس-مينتين، يكون المخطط النموذجي

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

يتم تعديله ليشمل ربط المثبط بالإنزيم الحر:

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

لاحظ أن المُثبِّط لا يرتبط بمركب الإنزيم-الركيزة (ES)، وأن الركيزة لا ترتبط بمركب الإنزيم-الركيزة (EI). يُفترض عمومًا أن هذا السلوك يدل على ارتباط كلا المركبين بالموقع نفسه، ولكن هذا ليس شرطًا أساسيًا. وكما هو الحال في اشتقاق معادلة مايكليس-مينتين، افترض أن النظام في حالة استقرار، أي أن تركيز كل نوع من أنواع الإنزيم لا يتغير.

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

علاوة على ذلك، فإن تركيز الإنزيم الكلي المعروف هو${\displaystyle [{\ce {E}}]_ {0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$ويتم قياس السرعة في ظل ظروف لا تتغير فيها تركيزات الركيزة والمثبط بشكل كبير وتتراكم كمية ضئيلة من المنتج.

وبالتالي يمكننا وضع نظام من المعادلات:

${\displaystyle [{\ce {E}}]_ {0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

1

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}=0=-k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]+k_{-1}[{\ce {ES}}]+k_{2}[{\ce {ES}}]-k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}]+k_{-3}[{\ce {EI}}]}$

2

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}=0=k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]-k_{-1}[{\ce {ES}}]-k_{2}[{\ce {ES}}]}$

3

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {EI}}]}{dt}}=0=k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}]-k_{-3}[EI]}$

4

أين${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$و${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$معروفة. تُعرَّف السرعة الابتدائية على النحو التالي:${\displaystyle V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]}$لذلك نحتاج إلى تعريف المجهول${\displaystyle {\ce {[ES]}}}$فيما يتعلق بالمعلومات المعروفة${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$و${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$.

من المعادلة ( 3 )، يمكننا تعريف E بدلالة ES عن طريق إعادة ترتيبها إلى

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

القسمة على${\displaystyle k_{1}[{\ce {S}}]}$أعطِ

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

كما هو الحال في اشتقاق معادلة مايكليس-مينتين، فإن الحد${\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}}$يمكن استبدالها بثابت المعدل الكلي${\displaystyle K_{m}}$:

${\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}}$

5

بإدخال المعادلة ( 5 ) في المعادلة ( 4 )، نحصل على

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

بإعادة الترتيب، نجد أن

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

عند هذه النقطة، يمكننا تعريف ثابت تفكك المثبط على النحو التالي:${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}$، إعطاء

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

6

عند هذه النقطة، استبدل المعادلتين ( 5 ) و( 6 ) في المعادلة ( 1 ):

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

بإعادة الترتيب لحل مسألة ES، نجد

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

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

7

بالعودة إلى تعبيرنا عن${\displaystyle V_{0}}$لدينا الآن:

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

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

بما أن السرعة تكون في أقصى حد لها عندما يرتبط الإنزيم بالكامل على شكل مركب الإنزيم والركيزة،${\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}$يؤدي استبدال المصطلحات ودمجها في النهاية إلى الشكل التقليدي:

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

8

لحساب تركيز المثبط التنافسي${\displaystyle {\ce {[I]}}}$وهذا ينتج عنه كسر${\displaystyle f_{V{_{0}}}}$من السرعة${\displaystyle V_{0}}$أين${\displaystyle 0<f_{V{_{0}}}<1}$:

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

9