Բոլոր կենսաքիմիական ռեակցիաները, որոնք տեղի են ունենում մարմնում, ենթակա են հատուկ հսկողության, որն իրականացվում է կարգավորող ֆերմենտների վրա ակտիվացնող կամ արգելակող ազդեցության միջոցով: Վերջիններս սովորաբար գտնվում են նյութափոխանակության փոխակերպումների շղթաների սկզբում և կամ սկսում են բազմափուլ պրոցես, կամ դանդաղեցնում են այն։ Որոշ առանձին ռեակցիաներ նույնպես ենթակա են կարգավորման: Մրցակցային արգելակումը ֆերմենտների կատալիտիկ ակտիվությունը վերահսկելու հիմնական մեխանիզմներից մեկն է:
Ի՞նչ է արգելակումը:
Ֆերմենտային կատալիզացման մեխանիզմը հիմնված է ֆերմենտի ակտիվ տեղանքի կապակցման վրա սուբստրատի մոլեկուլին (ES համալիր), որի արդյունքում առաջանում է քիմիական ռեակցիա՝ արտադրանքի ձևավորմամբ և արտազատմամբ (E+S=ES):=EP=E+P).
Ֆերմենտի արգելակումը կատալիզի գործընթացի արագության նվազում կամ ամբողջական դադարեցում է: Ավելի նեղիմաստով, այս տերմինը նշանակում է սուբստրատի նկատմամբ ակտիվ կենտրոնի մերձեցման նվազում, որը ձեռք է բերվում ֆերմենտի մոլեկուլները արգելակող նյութերին կապելու միջոցով: Վերջիններս կարող են գործել տարբեր ձևերով, որոնց հիման վրա դրանք բաժանվում են մի քանի տեսակների, որոնք համապատասխանում են նույնանուն արգելակման մեխանիզմներին։
Արգելափակման հիմնական տեսակները
Ըստ գործընթացի բնույթի՝ արգելակումը կարող է լինել երկու տեսակի՝
- Անշրջելի - առաջացնում է ֆերմենտի մոլեկուլի համառ փոփոխություններ՝ զրկելով նրան ֆունկցիոնալ ակտիվությունից (վերջինս չի կարող վերականգնվել)։ Այն կարող է լինել կամ կոնկրետ կամ ոչ հատուկ: Արգելիչն ուժեղորեն կապվում է ֆերմենտին կովալենտային փոխազդեցության միջոցով:
- Վերադարձելի՝ ֆերմենտների բացասական կարգավորման հիմնական տեսակը։ Այն իրականացվում է թույլ ոչ կովալենտային կապերով արգելակիչի հետադարձելի սպեցիֆիկ կցման շնորհիվ ֆերմենտային սպիտակուցին, որը ենթարկվում է կինետիկ նկարագրին` համաձայն Միքայելիս-Մենտենի հավասարման (բացառությամբ ալոստերիկ կարգավորման)::
Գոյություն ունեն հակադարձելի ֆերմենտների արգելակման երկու հիմնական տեսակ՝ մրցակցային (կարող է թուլանալ սուբստրատի կոնցենտրացիայի ավելացմամբ) և ոչ մրցակցային: Վերջին դեպքում կատալիզի հնարավոր առավելագույն արագությունը նվազում է։
Մրցակցային և ոչ մրցակցային արգելակման հիմնական տարբերությունը կայանում է նրանում, որ կարգավորող նյութը կցվում է ֆերմենտին: Առաջին դեպքում ինհիբիտորը ուղղակիորեն կապվում է ակտիվ տեղանքի, իսկ երկրորդ դեպքում՝ ֆերմենտի մեկ այլ տեղամասի կամ ֆերմենտ-սուբստրատի համալիրի հետ։
Գոյություն ունի նաև խառը տիպի արգելակում, որի դեպքում արգելակիչին կապելը չի կանխում ԷՍ-ի առաջացումը, այլ դանդաղեցնում է կատալիզացումը: Այս դեպքում կարգավորող նյութը գտնվում է կրկնակի կամ եռակի համալիրների (EI և EIS) կազմի մեջ։ Անմրցունակ տեսակի դեպքում ֆերմենտը կապվում է միայն ԷՍ-ի հետ:
Ֆերմենտների հետադարձելի մրցակցային արգելակման առանձնահատկությունները
Արգելակման մրցակցային մեխանիզմը հիմնված է կարգավորող նյութի կառուցվածքային նմանության վրա սուբստրատի հետ: Արդյունքում ձևավորվում է ակտիվ կենտրոնի համալիր ինհիբիտորով, որը պայմանականորեն նշանակվում է որպես EI:
Վերադարձելի մրցակցային արգելակումն ունի հետևյալ հատկանիշները՝
- կապում է արգելակիչին տեղի է ունենում ակտիվ վայրում;
- ֆերմենտի մոլեկուլի ապաակտիվացումը շրջելի է;
- արգելակիչ ազդեցությունը կարող է կրճատվել սուբստրատի կոնցենտրացիան մեծացնելով;
- ինհիբիտորը չի ազդում ֆերմենտային կատալիզացման առավելագույն արագության վրա;
- EI համալիրը կարող է քայքայվել, որը բնութագրվում է համապատասխան դիսոցման հաստատունով:
Այս տեսակի կարգավորման դեպքում արգելակողը և սուբստրատը կարծես մրցում են (մրցում) միմյանց հետ ակտիվ կենտրոնում տեղ գտնելու համար, հետևաբար՝ գործընթացի անվանումը:
Արդյունքում, մրցակցային արգելակումը կարող է սահմանվել որպես ֆերմենտային կատալիզի արգելակման շրջելի գործընթաց՝ հիմնվելով արգելակող նյութի նկատմամբ ակտիվ տեղամասի հատուկ մերձեցման վրա:
Գործողության մեխանիզմ
Միացումակտիվ տեղամաս ունեցող արգելակիչը կանխում է կատալիզացման համար անհրաժեշտ ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրի ձևավորումը: Արդյունքում ֆերմենտի մոլեկուլը դառնում է ոչ ակտիվ։ Այնուամենայնիվ, կատալիտիկ կենտրոնը կարող է կապվել ոչ միայն արգելակիչին, այլև սուբստրատին։ Այս կամ այն համալիրի առաջացման հավանականությունը կախված է կոնցենտրացիաների հարաբերակցությունից։ Եթե սուբստրատի մոլեկուլները զգալիորեն ավելի շատ են, ապա ֆերմենտը դրանց հետ ավելի հաճախ է արձագանքում, քան արգելակիչին:
Ազդեցությունը քիմիական ռեակցիայի արագության վրա
Մրցակցային արգելակման ժամանակ կատալիզի արգելակման աստիճանը որոշվում է նրանով, թե ֆերմենտից որքանով է ձևավորվելու EI-համալիրները: Այս դեպքում հնարավոր է սուբստրատի կոնցենտրացիան այնքան մեծացնել, որ ինհիբիտորի դերը փոխարինվի, և կատալիզի արագությունը հասնի առավելագույն հնարավոր արժեքին, որը համապատասխանում է Vmax արժեքին:ըստ Michaelis-Menten հավասարման։
Այս երեւույթը պայմանավորված է ինհիբիտորի ուժեղ նոսրացմամբ։ Արդյունքում ֆերմենտի մոլեկուլների հետ կապվելու հավանականությունը զրոյի է հասցվում, իսկ ակտիվ կենտրոնները արձագանքում են միայն սուբստրատի հետ։
Ֆերմենտային ռեակցիայի կինետիկ կախվածությունը, որը ներառում է մրցակցային արգելակիչ
Մրցակցային արգելակումը մեծացնում է Michaelis հաստատունը (Km), որը հավասար է ենթաշերտի կոնցենտրացիային, որն անհրաժեշտ է ռեակցիայի սկզբում կատալիզացման առավելագույն արագության ½-ի հասնելու համար: Այն ֆերմենտի քանակը, որը հիպոթետիկորեն ընդունակ է կապվել սուբստրատի հետ, մնում է հաստատուն, մինչդեռ ES-ի քանակը.կոմպլեքսները կախված են միայն վերջիններիս կոնցենտրացիայից (EI կոմպլեքսները հաստատուն չեն և կարող են տեղաշարժվել սուբստրատի կողմից):
Ֆերմենտների մրցակցային արգելակումը հեշտ է որոշել սուբստրատի տարբեր կոնցենտրացիաների համար կառուցված կինետիկ կախվածության գրաֆիկներից: Այս դեպքում Km արժեքը կփոխվի, մինչդեռ Vmax-ը կմնա հաստատուն:
Ոչ մրցակցային արգելակման դեպքում հակառակն է. ինհիբիտորը կապվում է ակտիվ կենտրոնից դուրս, և սուբստրատի առկայությունը որևէ կերպ չի կարող ազդել դրա վրա: Արդյունքում, ֆերմենտի որոշ մոլեկուլներ «անջատվում են» կատալիզից, և առավելագույն հնարավոր արագությունը նվազում է: Այնուամենայնիվ, ակտիվ ֆերմենտի մոլեկուլները հեշտությամբ կարող են կապվել սուբստրատի հետ վերջինիս ցածր և բարձր կոնցենտրացիաների դեպքում: Հետևաբար, Միքայելիսի հաստատունը մնում է հաստատուն:
Կրկնակի հակադարձ կոորդինատների համակարգում մրցակցային արգելակման գրաֆիկները մի քանի ուղիղներ են, որոնք հատում են y առանցքը 1/Vmax կետում: Յուրաքանչյուր ուղիղ գիծ համապատասխանում է սուբստրատի որոշակի կոնցենտրացիայի: Աբսցիսայի առանցքի հետ հատման տարբեր կետերը (1/[S]) ցույց են տալիս Միքայելիսի հաստատունի փոփոխություն։
Մրցակցային ինհիբիտորի գործողությունը մալոնատի օրինակով
Մրցակցային արգելակման տիպիկ օրինակ է սուկցինատդեհիդրոգենազի ակտիվության նվազեցման գործընթացը՝ ֆերմենտի, որը կատալիզացնում է սուկցինաթթվի (սուկցինատ) օքսիդացումը ֆումարաթթվի: Այստեղ որպես արգելակիչմալոնատը գործում է՝ ունենալով կառուցվածքային նմանություն սուկցինատի հետ։
Միջավայրին ինհիբիտորի ավելացումն առաջացնում է մալոնատի բարդույթների ձևավորում սուկցինատդեհիդրոգենազով: Նման կապը չի վնասում ակտիվ կայքին, այլ արգելափակում է դրա հասանելիությունը սուկինինաթթուն: Սուկցինատի կոնցենտրացիայի ավելացումը նվազեցնում է արգելակող ազդեցությունը:
Բժշկական օգտագործում
Բազմաթիվ դեղամիջոցների ազդեցությունը, որոնք նյութափոխանակության որոշ ուղիների սուբստրատների կառուցվածքային անալոգներ են, որոնց արգելակումը հիվանդությունների բուժման անհրաժեշտ մասն է, հիմնված է մրցակցային արգելակման մեխանիզմի վրա:
Օրինակ, մկանային դիստրոֆիայի ժամանակ նյարդային ազդակների փոխանցումը բարելավելու համար անհրաժեշտ է բարձրացնել ացետիլխոլինի մակարդակը: Սա ձեռք է բերվում նրա հիդրոլիզացնող ացետիլխոլինէսթերազի ակտիվության արգելակման միջոցով: Արգելակիչները չորրորդական ամոնիումային հիմքեր են, որոնք դեղերի մաս են կազմում (պրոռեզին, էնդրոֆոնիում և այլն):
Հակամետաբոլիտները առանձնանում են հատուկ խմբի մեջ, որոնք, բացի արգելակող ազդեցությունից, ցուցադրում են կեղծ սուբստրատի հատկություններ։ Այս դեպքում EI համալիրի ձևավորումը հանգեցնում է կենսաբանորեն իներտ անոմալ արտադրանքի ձևավորմանը: Հակամետաբոլիտները ներառում են սուլֆոնամիդներ (օգտագործվում են բակտերիալ վարակների բուժման համար), նուկլեոտիդային անալոգներ (օգտագործվում են քաղցկեղային ուռուցքի բջիջների աճը դադարեցնելու համար) և այլն:
