Enzīmu inhibīcija: veidi, mehānismi un nozīme

Ferments atpazīst savu substrātu pēc formas un pēc lādiņu izvietojuma. Aktīvais centrs nav stingra atslēgas cauruma kopija: saistoties substrātam, ferments nedaudz maina formu un cieši to apņem. Tieši šī pielāgošanās izskaidro, kāpēc fermenti ir tik izvēlīgi.

No tā izriet divas vietas, kur darbību var apturēt. Pirmā ir pats aktīvais centrs: ja tajā iesēžas svešs savienojums, substrātam vairs nav vietas. Otrā ir cits laukums uz fermenta virsmas, ko sauc par allosterisko centru; savienojoties ar to, molekula maina visa fermenta telpisko formu, un aktīvais centrs kļūst nederīgs.

Trešais veids nav saistīšanās, bet bojāšana: dažas vielas veido ķīmisku saiti ar fermenta aminoskābi aktīvajā centrā, un šī saite ir pārāk stipra, lai atdalītos. Tad ferments ir zaudēts neatgriezeniski.

• Aktīvais centrs: vieta, kur saistās substrāts un notiek reakcija.
• Allosteriskais centrs: cita vieta, kur saistīšanās maina fermenta formu.
• Kofaktori un koenzīmi: palīgvielas, bez kurām daudzi fermenti nestrādā.
• Inhibitora piesaiste var būt vāja un atgriezeniska vai noturīga un neatgriezeniska.
• Inhibīcijas stiprumu nosaka inhibitora koncentrācija un saistīšanās stiprums.

Atgriezeniskā inhibīcija nozīmē, ka inhibitors turas pie fermenta ar vājām, nekovalentām mijiedarbībām un var atdalīties. Tās veidus izšķir pēc tā, ar ko inhibitors saistās: ar brīvu fermentu, ar fermenta un substrāta kompleksu vai ar abiem.

Konkurējošā inhibīcija ir vienkāršākā: inhibitors pēc formas līdzinās substrātam un sacenšas ar to par aktīvo centru. To var pārvarēt, palielinot substrāta daudzumu, jo lielāka substrāta koncentrācija izspiež inhibitoru.

Nekonkurējošā inhibīcija notiek allosteriskajā centrā, un tur substrāta daudzuma palielināšana nepalīdz, jo inhibitors netraucē substrāta piesaistei, bet padara fermentu nespējīgu reakciju pabeigt. Jauktā inhibīcija ir starpvariants, kad inhibitors saistās gan ar brīvu fermentu, gan ar kompleksu, bet ar dažādu stiprumu. Ir arī variants, kurā inhibitors saistās tikai ar fermenta un substrāta kompleksu.

Neatgriezeniskie inhibitori veido ar fermentu kovalentu saiti vai to citādi neatgriezeniski pārveido. Fermenta molekula pēc tam ir zaudēta, un funkcija atjaunojas tikai tad, kad šūna sintezē jaunas fermenta molekulas. Tieši tāpēc šādu vielu iedarbība bieži ilgst daudz ilgāk, nekā pati viela paliek organismā.

Atsevišķa grupa ir tā sauktie pašnāvības substrāti. Tās ir vielas, kuras ferments sākumā atpazīst kā parastu substrātu un sāk pārveidot, bet pārveides gaitā rodas reaģētspējīgs starpprodukts, kas fermentu bojā uz vietas. Šāda pieeja ir ļoti izvēlīga, jo viela kļūst bīstama tikai tajā fermentā, kuru grib bloķēt.

Praksē šis mehānisms izskaidro, kāpēc dažu zāļu efekts nezūd, tiklīdz zāles pārtrauc lietot. Efekts izzūd tādā tempā, kādā organisms atjauno fermentu krājumu.

Inhibīcija nav tikai zāļu lieta. Organisms to izmanto pastāvīgi, un vienkāršākā forma ir atgriezeniskā saite: vielmaiņas ķēdes gala produkts saistās ar ķēdes pirmo fermentu un to bremzē. Kad produkta kļūst par daudz, ražošana palēninās; kad tas tiek patērēts, ražošana atsākas. Tas ir tas pats princips, uz kura balstās termostats.

Otra forma ir fermentu izgatavošana neaktīvā veidā. Gremošanas fermenti, piemēram, tiek ražoti kā neaktīvi priekšteči un aktivējas tikai tur, kur tiem jāstrādā; līdz tam tos notur arī īpaši inhibitoru proteīni. Tas pasargā aizkuņģa dziedzeri no pašsagremošanas.

Trešā forma ir inhibitoru olbaltumvielas asinīs. Asins recēšana, iekaisuma reakcijas un audu noārdīšana visas ir fermentu kaskādes, un katrai no tām ir savi dabiskie inhibitori, kas neļauj procesam izplesties tālāk par vajadzīgo. Iedzimts šādu inhibitoru trūkums izraisa reālas slimības.

• Atgriezeniskā saite: gala produkts bremzē ķēdes pirmo fermentu.
• Neaktīvi priekšteči: ferments aktivējas tikai vajadzīgajā vietā.
• Inhibitoru olbaltumvielas: ierobežo recēšanas un iekaisuma kaskādes.
• Kompartmentalizācija: ferments un substrāts tiek turēti dažādās šūnas daļās.
• Kofaktoru pieejamības ierobežošana: bez tiem ferments nestrādā.

Daudzas ikdienā lietotas zāles ir fermentu inhibitori, un to nosaukumi bieži šo mehānismu tieši norāda. Statīni bloķē fermentu, kas ir holesterīna sintēzes galvenais ierobežotājs aknās. Angiotenzīnu konvertējošā enzīma inhibitori bremzē fermentu, kas veido asinsvadus sašaurinošu vielu, un tādējādi pazemina asinsspiedienu.

Aspirīns ir klasisks neatgriezeniskā inhibitora piemērs: tas pastāvīgi pārveido ciklooksigenāzi trombocītos, un, tā kā trombocītam nav kodola un tas nespēj fermentu atjaunot, ietekme uz asins recēšanu saglabājas visu attiecīgo trombocītu mūžu. Protonu sūkņa inhibitori nomāc fermentu, kas kuņģa šūnās izdala skābi.

Pretinfekciju līdzekļi bieži izmanto to, ka baktērijai vai vīrusam ir ferments, kāda cilvēkam nav vispār vai kas būtiski atšķiras. Tieši tāpēc šādas zāles var būt iedarbīgas, nesabojājot cilvēka šūnas.

Svarīgi: šis raksts skaidro mehānismu, nevis dod norādījumus par ārstēšanu. Par jebkuru medikamentu, tā devu un piemērotību lemj ārsts.

Tas pats princips, kas padara zāles noderīgas, padara dažas vielas nāvējošas. Cianīds bloķē elpošanas ķēdes pēdējo fermentu mitohondrijos, un šūnas vairs nespēj izmantot skābekli, pat ja tā asinīs ir pietiekami. Oglekļa monoksīds darbojas līdzīgā virzienā, traucējot gan skābekļa pārnesi, gan tā izmantošanu.

Organofosfātu savienojumi, ko izmanto dažos insekticīdos, neatgriezeniski bloķē acetilholīnesterāzi, fermentu, kas šķeļ nervu impulsa pārnesēju sinapsēs. Rezultāts ir pārnesēja uzkrāšanās un nepārtraukta muskuļu un dziedzeru stimulācija ar siekalošanos, šaurām zīlītēm, lēnu sirdsdarbību un elpošanas muskuļu paralīzi.

Smago metālu joni saistās ar fermentu sēru saturošajām grupām un izslēdz daudzus fermentus vienlaikus, tāpēc saindēšanās izpausmes ir plašas un neviendabīgas.

Aizdomas par saindēšanos ir neatliekams stāvoklis. Latvijā saindēšanās gadījumos jāzvana neatliekamās medicīniskās palīdzības dienestam, un ar šādiem pacientiem strādā toksikologs un intensīvās terapijas ārsts.

Laboratorijā inhibīcijas veidu nosaka, mērot reakcijas ātrumu pie dažādām substrāta koncentrācijām ar inhibitoru un bez tā. Divi lielumi ir galvenie: maksimālais reakcijas ātrums, ko apzīmē ar Vmax, un Mihaelisa konstante Km, kas raksturo, cik viegli ferments substrātu saista.

Konkurējošā inhibīcija paaugstina Km, bet neietekmē Vmax, jo pietiekami liela substrāta koncentrācija inhibitoru izspiež. Nekonkurējošā inhibīcija samazina Vmax, bet atstāj Km nemainītu. Jauktā inhibīcija maina abus. Tieši šie raksturīgie modeļi ļauj no mērījumiem secināt mehānismu, neredzot pašu molekulu.

Zāļu izstrādē lieto arī rādītāju, kas parāda, kādā koncentrācijā inhibitors samazina fermenta aktivitāti uz pusi. Struktūras līmenī saistīšanos parāda rentgenstaru kristalogrāfija un krioelektronu mikroskopija, kas ļauj burtiski redzēt inhibitoru aktīvajā centrā.

1. Attīra fermentu un nosaka tā parasto darbības ātrumu.
2. Mēra ātrumu pie augošas substrāta koncentrācijas bez inhibitora.
3. Atkārto mērījumus ar vienu vai vairākām inhibitora koncentrācijām.
4. Salīdzina Km un Vmax izmaiņas, lai noteiktu inhibīcijas veidu.
5. Nosaka struktūru, lai redzētu, kur tieši inhibitors piesaistās.

Pirmais pārpratums ir jaukt inhibīciju ar denaturāciju. Denaturācija ir fermenta olbaltuma telpiskās uzbūves sabrukšana karstuma, skābes vai citu faktoru ietekmē; tā nav izvēlīga un skar visus olbaltumus. Inhibīcija turpretim ir mērķtiecīga un attiecas uz konkrētu fermentu.

Otrais ir jaukt inhibīciju ar fermenta ražošanas nomākumu. Ja šūna vienkārši pārstāj fermentu sintezēt, aktivitāte arī samazinās, bet mehānisms ir pilnīgi cits un notiek gēnu darbības līmenī, ne fermenta molekulas līmenī.

Trešais ir sajaukt enzīmu inhibīciju ar receptoru bloķēšanu. Daudzas zāles piesaistās nevis fermentam, bet šūnas receptoram, un lai gan abos gadījumos rezultāts ir efekta mazināšana, mērķa molekulas ir dažādas. Beta blokatori, piemēram, bloķē receptorus, nevis fermentus.

Ceturtais un praktiski svarīgākais: fermentu inhibīcija ir arī zāļu mijiedarbību pamatcēlonis. Ja viena viela bremzē aknu fermentus, kas noārda citas zāles, otro zāļu līmenis asinīs paaugstinās un iedarbība kļūst spēcīgāka par paredzēto. Tieši tāpēc dažas zāles nedrīkst lietot kopā un tāpēc pie dažām zālēm brīdina par greipfrūtu sulu.

Ilgu laiku zāļu izstrādē par ideālu uzskatīja pēc iespējas stiprāku un noturīgāku saistīšanos. Mūsdienās aizvien biežāk svarīgāks izrādās nevis saistīšanās stiprums, bet tas, cik ilgi inhibitors paliek pie fermenta. Divas vielas ar vienādu saistīšanās stiprumu var darboties pilnīgi atšķirīgi, ja viena atdalās ātri, bet otra turas ilgi. Tas izskaidro, kāpēc dažas zāles iedarbojas ilgāk, nekā to koncentrācija asinīs liktu domāt.

Otra nianse ir tā, ka neatgriezeniska inhibīcija nav automātiski sliktāka vai bīstamāka par atgriezenisku. Ja mērķa ferments ir tikai patogēnam un cilvēkam tāda nav, neatgriezeniska bloķēšana ir tieši tas, ko vajag. Un otrādi, atgriezeniska inhibīcija dzīvībai svarīgā fermentā var būt nāvējoša, ja tā ir pietiekami spēcīga.

Trešā doma attiecas uz izvēlīgumu. Neviens inhibitors nav absolūti izvēlīgs; vienmēr ir kāds cits ferments ar līdzīgu aktīvo centru. Tieši šī daļēja pārklāšanās ir daudzu blakusparādību cēlonis. Tāpēc zāļu izstrādē mērķis nav tikai atrast spēcīgu inhibitoru, bet atrast tādu, kura ietekme uz blakus esošajiem fermentiem ir pietiekami vāja.