miniatura|Proteasa HIV en un complex amb un inhibidor ritonavir. L'estructura de la proteasa és la que es veu en vermell, blau i groc. El inhibidor es troba prop del centre com una bola petita. Formada a partir del PDB 1HXW Els inhibidors enzimàtics són molècules que uneixen els enzims i fan disminuir la seva activitat. Per mitjà del bloqueig de l'activitat dels enzims, es pot matar un patogen i corregir el desbalanç metabòlic; tal com fan moltes drogues, les quals són inhibidors enzimàtics. Aquests, també, han estat utilitzats com a herbicides i pesticides. No totes les molècules que uneixen als enzims són inhibidors; sinó que també hi ha activadors enzimàtics, molècules que s'uneixen als enzims i incrementen la seva activitat enzimàtica. La unió d'un inhibidor a un enzim pot fer aturar l'entrada del substrat al centre actiu o pot evitar la catalització de la reacció. La substància inhibidora pot ser reversible o irreversible. Els inhibidors irreversibles són aquells que, normalment, en reaccionar amb l'enzim el modifiquen químicament. Aquests inhibidors, per tant, modifiquen els residus dels aminoàcids que són necessaris per a l'activitat enzimàtica. En canvi, els inhibidors reversibles són aquells que s'uneixen de forma no covalent. No hi ha una sola classe d'inhibidors reversibles; sinó que dins aquest grup hi trobem subgrups segons si la inhibició és produïda per la unió dels inhibidors amb l'enzim, per la seva unió amb el complex substrat-enzim o per unir-se tant a un com a l'altre. Moltes drogues són inhibidors enzimàtics; per tant, el seu descobriment i millorament es troba en l'àrea activa de la recerca de la bioquímica i la farmacologia. Un inhibidor enzimàtic mèdic, és sempre avaluat per la seva especificitat (la seva mancança en la unió a altres proteïnes) i la seva potència (la constant de dissociació que indica la concentració necessària per inhibir l'enzim). Una alta especificitat i potència assegura que la droga tindrà pocs efectes secundaris i una baixa toxicitat. Els inhibidors enzimàtics també són formats a la natura i es troben implicats en el procés de regulació del metabolisme. Per exemple, enzims metabòlics poden ser inhibits per la concentració elevada de substrat. Aquesta classe de feedback negatiu disminueix el flux quan la quantitat de productes és elevada i manté l'homeòstasi a la cèl·lula. Altres inhibidors d'enzims cel·lulars són proteïnes que s'uneixen específicament a la diana de l'enzim. Aquests, poden ajudar en el control d'enzims, com les proteases o nucleases, per tal d'evitar malmetre la cèl·lula. Un bon exemple és l'inhibidor de la ribonucleasa, que uneix a les ribonucleases per mitjà d'interaccions estretes entre proteïnes.Shapiro R, Vallee BL. Interaction of human placental ribonuclease with placental ribonuclease inhibitor. Biochemistry. 1991 Feb 26;30(8):2246–55. Els inhibidors naturals d'enzims, poden ser verinosos i usats com a defensa contra depredadors o com una via per matar presses.
Inhibidors reversibles Tipus d'inhibidors reversibles miniatura|Inhibició competitiva. El substrat (S) competeix amb l'inhibidor (I) per tal d'unir-se al centre actiu. Els inhibidors reversibles s'uneixen a enzims de forma no covalent com són els ponts d'hidrogen, les interaccions hidròfobes i les unions iòniques. Molts dels ponts dèbils entre l'inhibidor i el centre actiu, es combinen per formar ponts forts i específics. En contrast amb els substrats d'inhibidors irreversibles, els reversibles generalment no se sotmeten a reaccions, ja que la seva unió pot ser fàcilment trencada per dilució o diàlisis. Hi ha quatre classes reversibles d'inhibidors enzimàtics. Aquests han estat classificats segons l'efecte que produeixen en variar la concentració de substrat.Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company En la inhibició compatible, el substrat i la partícula inhibidora no poden unir-se al mateix temps; tal com mostra la figura de l'esquerra. Això normalment succeeix perquè l'inhibidor presenta afinitat per la part de l'enzim on també s'uneix el substrat; d'aquesta manera, es produeix una competició entre el substrat i l'inhibidor per unir-se a l'enzim. Per aquesta raó, aquesta classe d'inhibició pot ser evitada afegint una concentració elevada de substrat; ja que llavors la probabilitat que l'enzim s'uneixi amb el substrat augmenta. La majoria dels enzims competitius tenen una estructura semblant a la del substrat real (vegeu els exemples següents). En la inhibició incompetitiva, la unió amb el complex enzim-substrat, no hauria de ser confosa amb l'anterior. En aquest cas, la velocitat màxima (Vmàx) i les unions eficients (Km), ambdós, disminueixen. En la inhibició mixta, l'inhibidor pot unir-se a l'enzim al mateix temps que l'enzim amb el substrat. Tot i així, la unió amb l'inhibidor afecta la unió amb el substrat i viceversa. La inhibició pot ser reduïda però no per mitjà de l'addició de substrat. Encara que és possible que l'inhibidor s'uneixi al centre actiu, la inhibició normalment resulta d'un efecte al·lostèric on l'inhibidor s'uneix a diferents parts de l'enzim. La unió de l'inhibidor modifica la conformació de l'enzim (estructura terciària o la seva forma tridimensional); la qual cosa, redueix l'afinitat del substrat pel centre actiu. La inhibició no competitiva es forma per la inhibició mesclada on la unió de l'inhibidor amb l'enzim redueix la seva activitat però no afecta la unió amb el substrat. Com a resultat, la inhibició depèn solament de la concentració de l'inhibidor.Irwin H. Segel, Enzyme Kinetics : Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems. Wiley–Interscience; New edition (1993),
Quantitativa descripció dels inhibidors reversibles Els inhibidors reversibles poden ser descrits quantitativament en termes. L'inhibidor s'uneix a l'enzim i al complex enzim-substrat i modifica les constants cinètiques de l'enzim. En la cinètica de Michaelis-Menten; un enzim (E) s'uneix al substrat (S) per formar el complex enzim-substrat (ES). Després de la catàlisi, el complex es trenca per formar producte (P) i l'enzim queda lliure. L'inhibidor (I) pot unir-se a l'enzim o al complex enzim-substrat per les constants de dissociació Ki i Ki', respectivament.
Els inhibidors competitius que es poden unir a l'enzim però no al complex enzim-substrat. La Km (concentració de substrat quan la velocitat de la reacció és ½ de la velocitat màxima) augmenta; però la velocitat màxima no es veu afectada (l'inhibidor no modifica la catàlisi perquè no es pot unir al complex enzim-substrat).
Els inhibidors no competitius tenen igual afinitat per l'enzim que pel complex enzim-substrat (Ki=Ki'). Per tant, no modifiquen la Km però disminueixen la velocitat màxima.
Els inhibidors mixtos, s'uneixen a l'enzim i al complex enzim-substrat; però l'afinitat per aquestes dues formes de l'enzim són diferents (Ki ≠ Ki'). Aquests inhibidors interfereixen en la unió amb el substrat incrementant Km i en la catàlisi del complex enzim-substrat disminuint la velocitat màxima. Quan un enzim té múltiples substrats, els inhibidors poden mostrar diferents classes d'inhibicions segons el substrat considerat. El resultat, és que el centre actiu té dos llocs d'unió diferents. Per exemple, un inhibidor respecte al seu substrat A s'uneix a la primera unió; però l'inhibidor no competitiu, s'uneix a l'altre lloc d'unió del centre actiu.
Mesurant les constants de dissociació de l'inhibidor reversible miniatura|Constants cinètiques dels inhibidors reversibles Tal com s'ha indicat prèviament, un inhibidor enzimàtic és caracteritzat per dues constants de dissociació, Ki i Ki', de l'enzim i del complex enzim-substrat respectivament. Els inhibidors enzimàtics poden ser mesurats directament; un mètode extremadament acurat és el calomeria isotèrmica de titulació, on l'inhibidor és tractat amb una solució on es troba l'enzim i amb calor; a partir de la qual és calculada la que és absorbida o alliberada.Holdgate GA. Making cool drugs hot: isothermal titration calorimetry as a tool to study binding energetics. Biotechniques. 2001 Jul;31(1):164–6 Tot i així, l'altra constant de dissociació Ki' és difícil de calcular de forma directa, ja que la durada de vida del complex enzim-substrat és molt curta; ja que es tracta d'un pas entremig que té la finalitat de formar producte. Per aquest motiu Ki' és, normalment, mesurada de manera indirecta per mitjà de l'observació de l'activitat de l'enzim en diferents substrats i amb concentracions diferents d'inhibidors;Leatherbarrow RJ. Using linear and non-linear regression to fit biochemical data. Trends Biochem Sci. 1990 Dec;15(12):455–8. i seguint la modificació de la cinètica de Michaelis-Menten equació de Michaelis-Menten:
on modificant els factors α i α', que són definides per la concentració d'inhibidor, es poden determinar a partir de:
Per això, en presència d'un inhibidor, l'efectivitat de l'enzim que era Km i Vmàx, es converteixen en (α/α')Km i (1/α')Vmàx, respectivament. En canvi, modificant l'equació de Michaelis Menten s'assumeix que la unió de l'inhibidor a l'enzim ha arribat a l'equilibri; el qual disminuirà el procés d'inhibició que tinguin un sub-nanomolar de constants de dissociació. En aquest cas, és més pràctic tractar com si fos una unió forta i estreta entre l'inhibidor i el substrat; és a dir, com si es tractés d'un inhibidor irreversible (vegeu a sota); en canvi, és encara possible estimar Ki' si Ki és mesurada independentment. Aquests efectes sobre la cinètica enzimàtica que es poden produir segons les diferents classes d'enzims es poden representar gràficament per mitjà de la representació gràfica amb els diagrames de Lineaweaver-Burk i Eadie-Hofstee. Per exemple, en la recta de Lineaweaver-Burk de la dreta, la inhibició competitiva talla l'eix de les y, il·lustrant que no es veu afectada la velocitat màxima. De forma semblant, la recta talla l'eix de les x, mostrant que aquesta classe d'inhibidors tampoc modifiquen la Km. Així i tot, pot resultar difícil estimar la Ki i la Ki' adequadament a partir d'aquests diagrames;Tseng SJ, Hsu JP. A comparison of the parameter estimating procedures for the Michaelis–Menten model. J. Theor. Biol. 1990 Aug 23;145(4):457–64. per tant, és recomanable estimar-les a partir d'un dels mètodes no-lineals de regressió que seran més fiables, tal com s'ha indicat anteriorment.
Casos especials El mecanisme d'inhibició parcialment competitiva és semblant al dels no competitius, excepte pel fet que el complex enzim-substrat té una activitat catalítica; la qual pot ser més elevada o més baixa (enzim parcialment competitiu) respecte altres complexos enzim-substrat. Aquesta inhibició tendeix a disminuir la velocitat màxima, però no afecta el valor de Km.Irwin H. Segel, Enzyme Kinetics : Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems. Wiley-Interscience; New Ed edition (1993),
La inhibició incompetitiva succeeix quan l'inhibidor s'uneix només al complex enzim-substrat; el qual, és catalíticament inactiu. Aquest mètode d'inhibició és poc comuna i causa la disminució de Km i de la Vmàx.