Inhibition non compétitive - Non-competitive inhibition

L'inhibition non compétitive est un type d' inhibition enzymatique où l'inhibiteur réduit l'activité de l'enzyme et se lie aussi bien à l'enzyme qu'il ait ou non déjà lié le substrat.

L'inhibiteur peut se lier à l'enzyme, que le substrat ait déjà été lié ou non, mais s'il a une plus grande affinité pour se lier à l'enzyme dans un état ou dans l'autre, il est appelé inhibiteur mixte .

Histoire

Au cours de ses années de travail en tant que médecin, Michaelis et un ami (Peter Rona) ont construit un laboratoire compact, à l'hôpital, et au cours des cinq dernières années, Michaelis a été publié avec succès plus de 100 fois. Au cours de ses recherches à l'hôpital, il a été le premier à observer les différents types d'inhibition ; en utilisant spécifiquement le fructose et le glucose comme inhibiteurs de l' activité de la maltase . La maltose divise le maltose en deux unités de glucose Les résultats de cette expérience ont permis la divergence de l' inhibition non compétitive et compétitive . L'inhibition non compétitive affecte la valeur de k _cat (mais pas la K _m ) sur un graphique donné ; cet inhibiteur se lie à un site qui a une spécificité pour la certaine molécule. Michaelis a déterminé que lorsque l'inhibiteur est lié, l'enzyme deviendrait inactivée.

Comme beaucoup d'autres scientifiques de leur époque, Leonor Michaelis et Maud Menten ont travaillé sur une réaction qui a été utilisée pour changer la conformation du saccharose et le faire lyser en deux produits - le fructose et le glucose. L'enzyme impliquée dans cette réaction est appelée invertase , et c'est l'enzyme dont la cinétique a été soutenue par Michaelis et Menten pour être révolutionnaire pour la cinétique d'autres enzymes. Tout en exprimant la vitesse de la réaction étudiée, ils ont dérivé une équation qui décrit la vitesse d'une manière qui suggère qu'elle dépend principalement de la concentration en enzyme, ainsi que de la présence du substrat, mais seulement dans une certaine mesure.

Adrian Brown et Victor Henri ont jeté les bases des découvertes en cinétique enzymatique pour lesquelles Michaelis et Menten sont connus. Brown a théoriquement envisagé le mécanisme désormais accepté pour la cinétique enzymatique, mais n'avait pas les données quantitatives pour faire une réclamation. Victor Henri a apporté des contributions significatives à la cinétique enzymatique au cours de sa thèse de doctorat, mais il a manqué de noter l'importance de la concentration en ions hydrogène et de la mutarotation du glucose. Le but de la thèse d'Henri était de comparer sa connaissance des réactions catalysées par des enzymes aux lois reconnues de la chimie physique. Henri est crédité d'avoir été le premier à écrire l'équation qui est maintenant connue sous le nom d'équation de Michaelis-Menten. Utilisant le glucose et le fructose dans les réactions catalytiques contrôlées par la maltase et l'invertase, Leonor Michaelis fut le premier scientifique à distinguer les différents types d'inhibition en utilisant l'échelle de pH qui n'existait pas à l'époque d'Henri.

Particulièrement au cours de leur travail sur la description de la vitesse de cette réaction, ils ont également testé et extrapolé l'idée d'un autre scientifique, Victor Henri , que l'enzyme qu'ils utilisaient avait une certaine affinité pour les deux produits de cette réaction - le fructose et le glucose. En utilisant les méthodes d'Henri, Michaelis et Menten ont presque perfectionné ce concept de méthode du taux initial pour les expériences en régime permanent. Ils étudiaient l'inhibition lorsqu'ils ont découvert que l'inhibition non compétitive (mixte) est caractérisée par son effet sur k _cat (taux de catalyseur) tandis que compétitive est caractérisée par son effet sur la vitesse (V). Dans les expériences de Michaelis et Menten, ils se sont fortement concentrés sur les effets du pH de l'invertase à l'aide d'ions hydrogène. L'invertase est une enzyme présente dans la levure extracellulaire et qui catalyse des réactions par hydrolyse ou par inversion d'un saccharose (mélange de saccharose et de fructose) en « sucre inverti ». La principale raison de l'utilisation de l'invertase était qu'elle pouvait être facilement dosée et que les expériences pouvaient être effectuées plus rapidement. Le saccharose tourne dans le polarimètre en tant que dextroratatoire-D tandis que le sucre inverti est lévogyre-L . Cela a rendu le suivi de l'inversion du sucre relativement simple. Ils ont également découvert que le -D-glucose est libéré dans les réactions catalysées par l'invertase qui est très instable et se transforme spontanément en β-D-glucose . Bien que ceux-ci soient tous deux sous la forme dextroratatoire, c'est là qu'ils ont noté que le glucose peut changer spontanément, également connu sous le nom de mutarotation. Ne pas en tenir compte était l'une des principales raisons pour lesquelles les expériences d'Henri ont échoué. En utilisant l'invertase pour catalyser l'inversion du saccharose, ils ont pu voir à quelle vitesse l'enzyme réagissait par polarimétrie ; par conséquent, une inhibition non compétitive s'est produite dans la réaction où le saccharose a été inversé avec l'invertase.

Terminologie

Il est important de noter que bien que tous les inhibiteurs non compétitifs se lient à l'enzyme aux sites allostériques (c'est-à-dire à des emplacements autres que son site actif ), tous les inhibiteurs qui se lient aux sites allostériques ne sont pas des inhibiteurs non compétitifs. En fait, les inhibiteurs allostériques peuvent agir comme des inhibiteurs compétitifs , non compétitifs ou non compétitifs .

De nombreuses sources continuent de confondre ces deux termes, ou indiquent la définition de l'inhibition allostérique comme la définition de l'inhibition non compétitive.

Mécanisme

Illustration d'un mécanisme possible d'inhibition non compétitive ou mixte.

L'inhibition non compétitive modélise un système dans lequel l'inhibiteur et le substrat peuvent tous deux être liés à l'enzyme à un moment donné. Lorsque le substrat et l'inhibiteur sont tous deux liés, le complexe enzyme-substrat-inhibiteur ne peut pas former de produit et ne peut être reconverti qu'en complexe enzyme-substrat ou en complexe enzyme-inhibiteur. L'inhibition non compétitive se distingue de l'inhibition mixte générale en ce que l'inhibiteur a une affinité égale pour l'enzyme et le complexe enzyme-substrat.

Par exemple, dans les réactions de glycolyse catalysées par des enzymes , l'accumulation de phosphoénol est catalysée par la pyruvate kinase en pyruvate . L'alanine est un acide aminé qui est synthétisé à partir du pyruvate et inhibe également l'enzyme pyruvate kinase pendant la glycolyse. L'alanine est un inhibiteur non compétitif, elle se lie donc du site actif au substrat afin qu'elle reste le produit final.

Un autre exemple d'inhibition non compétitive est donné par l'hexokinase inhibant le glucose-6-phosphate dans le cerveau. Les carbones 2 et 4 sur le glucose-6-phosphate contiennent des groupes hydroxyle qui se fixent avec le phosphate au carbone 6 au complexe enzyme-inhibiteur. Le substrat et l'enzyme sont différents dans leurs combinaisons de groupes auxquels un inhibiteur se fixe. La capacité du glucose-6-phosphate à se lier à différents endroits en même temps en fait un inhibiteur non compétitif.

Le mécanisme le plus courant d'inhibition non compétitive implique la liaison réversible de l'inhibiteur à un site allostérique , mais il est possible que l'inhibiteur agisse par d'autres moyens, y compris la liaison directe au site actif. Elle diffère de l'inhibition compétitive en ce que la liaison de l'inhibiteur n'empêche pas la liaison du substrat, et vice versa, mais empêche simplement la formation de produit pendant un temps limité.

Ce type d'inhibition réduit la vitesse maximale d'une réaction chimique sans modifier l' affinité de liaison apparente du catalyseur pour le substrat (K _m ^app - voir cinétique de Michaelis-Menten ). Lorsqu'un inhibiteur non compétitif est ajouté, la Vmax est modifiée, tandis que le Km reste inchangé. Selon le graphique de Lineweaver-Burk, la Vmax est réduite lors de l'ajout d'un inhibiteur non compétitif, ce qui est montré dans le graphique par un changement à la fois de la pente et de l'ordonnée à l'origine lorsqu'un inhibiteur non compétitif est ajouté.

La principale différence entre compétitif et non compétitif est que l'inhibition compétitive affecte la capacité du substrat à se lier en liant un inhibiteur à la place d'un substrat, ce qui réduit l'affinité de l'enzyme pour le substrat. Dans l'inhibition non compétitive, l'inhibiteur se lie à un site allostérique et empêche le complexe enzyme-substrat d'effectuer une réaction chimique. Cela n'affecte pas le Km (affinité) de l'enzyme (pour le substrat). L'inhibition non compétitive diffère de l'inhibition non compétitive en ce qu'elle permet toujours au substrat de se lier au complexe enzyme-inhibiteur et de former un complexe enzyme-substrat-inhibiteur, ce n'est pas vrai dans l'inhibition non compétitive, elle empêche le substrat de se lier à l'enzyme inhibiteur par un changement de conformation lors de la liaison allostérique.

Équation

En présence d'un inhibiteur non compétitif, l'affinité enzymatique apparente est équivalente à l'affinité réelle. En termes de cinétique de Michaelis-Menten , K _m ^app = K _m . Cela peut être vu comme une conséquence du principe de Le Chatelier car l'inhibiteur se lie à la fois à l'enzyme et au complexe enzyme-substrat de manière égale, de sorte que l'équilibre est maintenu. Cependant, étant donné qu'une certaine enzyme est toujours empêchée de convertir le substrat en produit, la concentration efficace en enzyme est abaissée.

Mathématiquement,

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

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

Exemple : inhibiteurs non compétitifs de l'enzyme CYP2C9

Les inhibiteurs non compétitifs de l' enzyme CYP2C9 comprennent la nifédipine , la tranylcypromine , l' isothiocyanate de phénéthyle et la 6-hydroxyflavone. La simulation d'amarrage informatique et les mutants construits substitués indiquent que le site de liaison non compétitif de la 6-hydroxyflavone est le site de liaison allostérique signalé de l' enzyme CYP2C9 .

Les références