Toutes les réactions biochimiques se produisant dans le corps sont soumises à un contrôle spécifique, qui s'effectue par un effet activateur ou inhibiteur sur les enzymes régulatrices. Ces derniers sont généralement situés au début des chaînes de transformations métaboliques et déclenchent un processus en plusieurs étapes ou le ralentissent. Certaines réactions uniques sont également soumises à réglementation. L'inhibition compétitive est l'un des principaux mécanismes de contrôle de l'activité catalytique des enzymes.
Qu'est-ce que l'inhibition ?
Le mécanisme de la catalyse enzymatique est basé sur la liaison du site actif de l'enzyme à la molécule de substrat (complexe ES), entraînant une réaction chimique avec formation et libération du produit (E+S=ES=EP=E+P).
L'inhibition d'une enzyme est une réduction de la vitesse ou un arrêt complet du processus de catalyse. Dans un plus étroitsens, ce terme signifie une diminution de l'affinité du centre actif pour le substrat, qui est obtenue en liant des molécules d'enzymes à des substances inhibitrices. Ces derniers peuvent agir de diverses manières, sur la base desquelles ils se divisent en plusieurs types, qui correspondent aux mécanismes d'inhibition du même nom.
Principaux types d'inhibition
De par la nature du processus, l'inhibition peut être de deux types:
- Irréversible - provoque des changements persistants dans la molécule d'enzyme, la privant d'activité fonctionnelle (cette dernière ne peut pas être restaurée). Il peut être spécifique ou non spécifique. L'inhibiteur se lie fortement à l'enzyme par interaction covalente.
- Réversible - le principal type de régulation négative des enzymes. Elle est réalisée en raison de la fixation spécifique réversible de l'inhibiteur à la protéine enzymatique par des liaisons non covalentes faibles, se prêtant à une description cinétique selon l'équation de Michaelis-Menten (à l'exception de la régulation allostérique).
Il existe deux principaux types d'inhibition enzymatique réversible: compétitive (peut être atténuée par l'augmentation de la concentration du substrat) et non compétitive. Dans ce dernier cas, le taux maximal possible de catalyse diminue.
La principale différence entre l'inhibition compétitive et non compétitive réside dans le site de fixation de la substance régulatrice à l'enzyme. Dans le premier cas, l'inhibiteur se lie directement au site actif, et dans le second cas, à un autre site de l'enzyme, ou au complexe enzyme-substrat.
Il existe également un type mixte d'inhibition, dans lequel la liaison à un inhibiteur n'empêche pas la formation d'ES, mais ralentit la catalyse. Dans ce cas, la substance régulatrice entre dans la composition de complexes doubles ou triples (EI et EIS). Dans le type non compétitif, l'enzyme ne se lie qu'à ES.
Caractéristiques de l'inhibition compétitive réversible des enzymes
Le mécanisme compétitif d'inhibition est basé sur la similitude structurelle de la substance régulatrice avec le substrat. En conséquence, un complexe du centre actif avec l'inhibiteur est formé, conventionnellement désigné par EI.
L'inhibition compétitive réversible a les caractéristiques suivantes:
- la liaison à l'inhibiteur se produit au site actif;
- l'inactivation de la molécule d'enzyme est réversible;
- l'effet inhibiteur peut être réduit en augmentant la concentration du substrat;
- l'inhibiteur n'affecte pas le taux maximal de catalyse enzymatique;
- le complexe EI peut se décomposer, ce qui est caractérisé par la constante de dissociation correspondante.
Avec ce type de régulation, l'inhibiteur et le substrat semblent entrer en compétition (concurrencer) l'un avec l'autre pour une place dans le centre actif, d'où le nom du processus.
En conséquence, l'inhibition compétitive peut être définie comme un processus réversible d'inhibition de la catalyse enzymatique, basé sur l'affinité spécifique du site actif pour la substance inhibitrice.
Mécanisme d'action
Partage de connexionun inhibiteur à site actif empêche la formation d'un complexe enzyme-substrat nécessaire à la catalyse. En conséquence, la molécule d'enzyme devient inactive. Néanmoins, le centre catalytique peut se lier non seulement à l'inhibiteur, mais également au substrat. La probabilité de formation de l'un ou l'autre complexe dépend du rapport des concentrations. S'il y a beaucoup plus de molécules de substrat, l'enzyme réagira plus souvent avec elles qu'avec l'inhibiteur.
Influence sur la vitesse d'une réaction chimique
Le degré d'inhibition de la catalyse pendant l'inhibition compétitive est déterminé par la quantité d'enzyme qui formera des complexes EI. Dans ce cas, il est possible d'augmenter la concentration du substrat à tel point que le rôle de l'inhibiteur sera remplacé, et le taux de catalyse atteindra la valeur maximale possible correspondant à la valeur Vmaxselon l'équation de Michaelis-Menten.
Ce phénomène est dû à la forte dilution de l'inhibiteur. En conséquence, la probabilité que des molécules d'enzymes s'y lient est réduite à zéro et les centres actifs ne réagissent qu'avec le substrat.
Dépendances cinétiques d'une réaction enzymatique impliquant un inhibiteur compétitif
L'inhibition compétitive augmente la constante de Michaelis (Km), qui est égale à la concentration de substrat nécessaire pour atteindre la moitié de la vitesse maximale de catalyse au début de la réaction. La quantité d'enzyme hypothétiquement capable de se lier au substrat reste constante, tandis que le nombre d'ES-dépend uniquement de la concentration de ces derniers (les complexes EI ne sont pas constants et peuvent être déplacés par le substrat).
L'inhibition compétitive des enzymes est facile à déterminer à partir des graphiques de la dépendance cinétique construits pour différentes concentrations du substrat. Dans ce cas, la valeur de Km changera, tandis que Vmax restera constante.
Avec l'inhibition non compétitive, l'inverse est vrai: l'inhibiteur se lie à l'extérieur du centre actif et la présence du substrat ne peut en aucun cas l'affecter. En conséquence, certaines des molécules d'enzymes sont « désactivées » de la catalyse et le taux maximal possible diminue. Néanmoins, les molécules enzymatiques actives peuvent facilement se lier au substrat aussi bien à des concentrations faibles qu'à des concentrations élevées de ce dernier. Par conséquent, la constante de Michaelis reste constante.
Les graphiques d'inhibition compétitive dans le système de coordonnées double inverse sont plusieurs droites coupant l'axe des y au point 1/Vmax. Chaque droite correspond à une certaine concentration du substrat. Différents points d'intersection avec l'axe des abscisses (1/[S]) indiquent un changement de la constante de Michaelis.
L'action d'un inhibiteur compétitif sur l'exemple du malonate
Un exemple typique d'inhibition compétitive est le processus de réduction de l'activité de la succinate déshydrogénase, une enzyme qui catalyse l'oxydation de l'acide succinique (succinate) en acide fumarique. Ici comme inhibiteurle malonate agit, ayant une similitude structurelle avec le succinate.
L'ajout d'un inhibiteur dans le milieu provoque la formation de complexes de malonate avec la succinate déshydrogénase. Une telle liaison n'endommage pas le site actif, mais bloque son accessibilité à l'acide succinique. L'augmentation de la concentration de succinate réduit l'effet inhibiteur.
Usage médical
L'action de nombreux médicaments, qui sont des analogues structurels des substrats de certaines voies métaboliques, dont l'inhibition est une partie nécessaire du traitement des maladies, est basée sur le mécanisme de l'inhibition compétitive.
Par exemple, pour améliorer la conduction de l'influx nerveux dans les dystrophies musculaires, il est nécessaire d'augmenter le niveau d'acétylcholine. Ceci est réalisé en inhibant l'activité de son acétylcholinestérase hydrolysante. Les inhibiteurs sont des bases d'ammonium quaternaire entrant dans la composition de médicaments (prorésine, endrophonium, etc.).
Les antimétabolites sont classés dans un groupe spécial qui, en plus de l'effet inhibiteur, présente les propriétés d'un pseudosubstrat. Dans ce cas, la formation du complexe EI conduit à la formation d'un produit anormal biologiquement inerte. Les antimétabolites comprennent les sulfamides (utilisés dans le traitement des infections bactériennes), les analogues de nucléotides (utilisés pour arrêter la croissance cellulaire d'une tumeur cancéreuse), etc.
