Inhibición competitiva

[miniatura|O [etanol () serve como un inhibidor competitivo do metanol () e o etilén glicol ({{chem2|(CH_{2}OH)_{2} }}) para o encima alcohol deshidroxenase no fígado cando están presentes en grandes cantidades. Por esta razón, o etanol utilízase ás veces como medio para tratar ou impedir a toxicidade despois da inxestión accidental dos outros dous compostos químicos.]]
A **inhibición competitiva** é a interrupción dunha reacción ou ruta química debido a que unha substancia química inhibe o efecto doutra ao competir con ela para unirse ou enlazarse quimicamente a outra, xa sexa en encimoloxía ou noutros procesos químicos. Calquera sistema mensaxeiro metabólico ou químico podería ser afectado por este principio, pero varias clases de inhibición competitiva son especialmente importantes en bioquímica e medicina, incluíndo a inhibición encimática de tipo competitivo, a forma competitiva do antagonismo de receptor, a forma competitiva da actividade de antimetabolitos, e a forma competitiva dos envelenamentos (a cal pode incluír calquera dos tipos antes mencionados).

## Inhibición competitiva encimática 
Na inhibición competitiva da catálise encimática, a unión dun inhibidor impide a unión da molécula sobre a que actúa o encima, chamada substrato. Isto realízase bloqueando o sitio de unión do substrato –o sitio activo– por algún mecanismo. A Vmax indica a velocidade máxima da reacción, mentres que a Km é a cantidade de substancia necesaria para chegar á metade da Vmax. A Km tamén serve para indicar a tendencia do substrato a unirse ao encima. A inhibición competitiva pode ser superada engadindo máis substrato á reacción, o cal incrementa as posibilidades de que o encima e o substrato se unan. Como resultado, a inhibición competitiva altera soamente a Km, deixando a Vmax igual.

A maioría dos inhibidores competitivos funcionan uníndose reversiblemente ao sitio activo do encima. Porén, isto é unha sobresimplificación que pode levar a cofusión, xa que hai moitos mecanismos posibles polos cales un encima pode unirse a un inhibidor ou ao substrato, pero nunca a ambos á vez. Nun momento dado, o encima pode estar unido ao inhibidor, ao substrato, ou a ningún dos dous, pero non pode estar unido a ambos ao mesmo tempo. Durante a inhibición competitiva, o inhibidor e o substrato compiten polo sitio activo. O sitio activo é a rexión do encima á cal se pode unir unha determinada proteína ou substrato. O sitio activo só permite que un dos dous complexos se una ao sitio, ou permite que se produza unha reacción ou renda un produto. Na inhibición competitiva un inhibidor parecido ao substrato ocupa o seu lugar ao unirse ao sitio activo do encima. Incrementando a concentración de substrato diminuirá a "competición" para que o substrato se una correctamente ao sitio activo e teña lugar a reacción. Cando o substrato está en maior concentración que o inhibidor competitivo, as probabilidades de que sexa o substrato quen se pon en contacto co sitio activo do encima son maiores que as que ten o inhibidor.

Os inhibidores competitivos utilízanse frecuentemente para fabricar fármacos.

Un exemplo de inhibición competitiva non relacionada con fármacos é a que intervén na prevención do murchamento de froitas e verduras. Por exemplo, a tirosinase, un encima dos cogomelos, normalmente se une aos seus substratos, os monofenois, e forma o-quinonas marróns.Os substratos competitivos, como os benzaldehidos substituídos na posición 4 dos cogomelos, compiten co substrato rebaixando a cantidade de monofenois que se unen. Estes compostos inhibidores engadidos para facer que os vexetais se manteñan frescos durante longos períodos de tempo ao diminuíren a unión de monofenois que causan que murchen.

Na inhibición competitiva, a velocidade máxima (V_\max) non cambia, mentres que a afinidade aparente do substrato co sitio de unión diminúe (a constante de disociación K_d aparentemente aumenta). O cambio na K_m (constante de Michaelis-Menten) é paralelo á alteración de K_d, xa que mentres unha aumenta a outra debe diminuír. Cando un inhibidor competitivo se une a un encima, a K_m increméntase. Isto significa que a afinidade de unión polo encima diminúe, pero isto pode ser superado incrementando a concentración do substrato. O efecto de calquera concentración dada de inhibidor competitivo pode ser superada incrementando a concentración de substrato. Nese caso, o substrato reducirá a dispoñibilidade de moléculas inhibidoras que se poidan unir, e así, supera na competición ao inhibidor á hora de unirse ao encima. A MPTP é activada bioloxicamente pola MAO-B, un isocima da monoamino oxidase (MAO) que está concentrada principalmente nos trastornos e doenzas neurolóxicos. Posteriormente, descubriuse que a MPTP causa síntomas similares á enfermidade de Parkinson. As células do sistema nervioso central (astrocitos) teñen MAO-B que oxida MPTP a 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP+), que é tóxico. Isto impide que se una o propio substrato, o cal detén a produción de ácido fólico, un nutriente esencial. As bacterias deben sintetizar ácido folico porque non teñen un transportador para el. Sen ácido fólico, as bacterias non poden crecer e dividirse. Polo tanto, debido á inhibición competitiva dos fármacos sulfamidas, estes son excelentes axentes antibacterianos.

Un exemplo de inhibición competitiva demostrouse experimentalmente no encima succinato deshidroxenase, que cataliza a oxidación do succinato a fumarato no ciclo do ácido cítrico ou de Krebs. O malonato é un inhibidor competitivo da succinato deshidroxenase. A unión da succinato deshidroxenase ao substrato, o succinato, está inhibida competitivamente. Isto acontece porque a química do malonato é similar á do succinato. A capacidade do malonato de inhibir a unión do encima e o substrato está baseada na proporción de malonato a succinato. O malonato únese ao sitio activo da succinato deshidroxenase para que o succinato non poida facelo. Así, inhibe a reacción.
350px|Outro posible mecanismo para a inhibición alostérica competitiva.|miniatura

### Ecuación 
O modelo de Michaelis-Menten pode ser unha ferramenta valiosa para comprender a cinética encimática. Segundo este modelo, unha gráfica da velocidade de reacción (V0) asociada á concentración de substrato [S] pode entón utilizarse para determinar valores como Vmax, velocidade inicial e Km (Vmax/2 ou afinidade do complexo encima-substrato).

A inhibición competitiva incrementa o valor aparente da constante de Michaelis-Menten, K^\text{app}_m, tal que a velocidade da reacción, V_0, vén dada por

:  V_0 = \frac{V_\max\,[S]}{K^\text{app}_m + [S]}

onde K^\text{app}_m=K_m(1+[I]/K_i), K_i é a constante de disociación do inhibidor e [I] é a concentración do inhibidor.

V_\max permanece igual porque a presenza do inhibidor pode ser superada por unha concentración maior do substrato. K^\text{app}_m, a concentración de substrato que cómpre para chegar a V_\max / 2, increméntase coa presenza dun inhibidor competitivo. Isto débese a que a concentración de substrato necesaria para chegar á V_\max cun inhibidor é maior que a concentración de substrato necesaria para chegar  á V_\max sen inhibidor.

### Derivación 
No caso máis simple dun encima cun só substrato que obedeza á cinética de Michaelis-Menten, o esquema típico

: 
E + S [k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P

modifícase para incluír a unión do inhibidor con encimas libres:

: 
EI + S [k_{-3}][k_3] E + S + I [k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I

Nótese que o inhibidor non se une ao complexo ES e o substrato non se une ao complexo EI. Asúmese xeralmente que este comportamento é indicativo da unión de ambos os compostos ao mesmo sitio, pero que non é estritamente necesario. Como na derivación da ecuación de Michaelis-Menten, suponse que o sistema está no estado estacionario, é dicir, a concentración de cada unha das especies de encima non está cambiando.

: \frac{d[\ce E]}{dt} = \frac{d[\ce{ES}]}{dt} = \frac{d[\ce{EI}]}{dt} = 0. 

Ademais, a concentración de encima total coñecida é [\ce E]_0 = [\ce E] + [\ce{ES}] + [\ce{EI}], e a velocidade mídese en condicións nas que as concentración de substrato e inhibidor non cambian substancialmente e acumulouse unha cantidade insignificante de produto.

Polo tanto, podemos utilizar o seguinte sistema de ecuacións:

{{NumBlk|:| [\ce E]_0 = [\ce E] + [\ce{ES}] + [\ce{EI}]|}}

{{NumBlk|:| \frac{d[\ce E]}{dt} = 0 = -k_1[\ce E][\ce S] + k_{-1}[\ce{ES}] + k_2[\ce{ES}] -k_3[\ce E][\ce I] + k_{-3}[\ce{EI}] |}}

{{NumBlk|:| \frac{d[\ce{ES}]}{dt} = 0 = k_1[\ce E][\ce S] - k_{-1}[\ce{ES}] - k_2[\ce{ES}] |}}

{{NumBlk|:| \frac{d[\ce{EI}]}{dt} = 0 = k_3[\ce E][\ce I] - k_{-3}[EI] |}}

onde se coñecen [S], [I] e [E]_0. A velocidade inicial defínese como V_0 = d[\ce P]/dt = k_2 [\ce{ES}], así que necesitamos definir a [ES] descoñecida en relación ás [S], [I] e [E]_0 coñecidas.

Da ecuación (), podemos definir *E* en termos de *ES* rearranxándoa a

:  k_1[\ce E][\ce S]=(k_{-1}+k_2)[\ce{ES}]

Dividindo por k_1[\ce S] dá

:  [\ce E] = \frac{(k_{-1}+k_2)[\ce{ES}]}{k_1[\ce S]} 

Como na derivación da ecuación de Michaelis-Menten, o termo (k_{-1}+k_2)/k_1 pode ser substituído por unha constante de velocidade macroscópica K_m:

{{NumBlk|:| [\ce E] = \frac{K_m[\ce{ES}]}\ce{[S]} |}}

Substituíndo a ecuación () na ecuación (), temos

:  0 = \frac{k_3[\ce I]K_m[\ce{ES}]}\ce{[S]} - k_{-3}[\ce{EI}] 

Operando, obtemos que

:  [\ce{EI}] = \frac{K_m k_3[\ce I][\ce{ES}]}{k_{-3}[\ce S]} 

Neste momento, podemos definir a constatne de disociación para o inhibidor como K_i = k_{-3}/k_3, dando

{{NumBlk|:| [\ce{EI}] = \frac{K_m[\ce I][\ce{ES}]}{K_i[\ce S]}|}}

Agora, substituímos a ecuación () e a ecuación () na ecuación ():

:  [\ce E]_0 = \frac{K_m[\ce{ES}]}\ce{[S]} + [\ce{ES}] + \frac{K_m[\ce I][\ce{ES}]}{K_i[\ce S]}

Operando para despexar ES, temos

:  [\ce E]_0 = [\ce{ES}] \left ( \frac{K_m}\ce{[S]} + 1 + \frac{K_m[\ce I]}{K_i[\ce S]} \right )= [\ce{ES}] \frac{K_m K_i + K_i[\ce S] + K_m[\ce I]}{K_i[\ce S]}

{{NumBlk|:| [\ce{ES}] = \frac{K_i [\ce S][\ce E]_0}{K_m K_i + K_i[\ce S] + K_m[\ce I]}|}}

Volvendo á nosa expresión de V_0, agora temos:

:  V_0 = k_2[\ce{ES}] = \frac{k_2 K_i [\ce S][\ce E]_0}{K_m K_i + K_i[\ce S] + K_m[\ce I]} 
:  V_0 = \frac{k_2 [\ce E]_0 [\ce S]}{K_m + [\ce S] + K_m\frac{[\ce I]}{K_i}} 

Dado que a velocidade é máxima cando todos os encimas está unidos en forma complexo encima-substrato, V_\max = k_2 [\ce E]_0.
Substituíndo e combinando termos obtemos finalmente a forma convencional:

{{NumBlk|:| V_0 = \frac{V_{\max}[\ce S]}{K_m\left(1 + \frac{[\ce I]}{K_i}\right) + [\ce S]}|}}

Para computar a concentración de inhibidor competitivo [I] que produce unha fracción f_{V{_0}} da velocidade V_0 onde 0 :

{{NumBlk|:| [\ce I]= \left(\frac{1}{f_{V{_0}}} -1\right)K_i\left(1+\frac{[\ce S]}{K_m}\right)|}}

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
*Regresión de Schild para a inhibición da unión ligando-receptor
*Inhibición non-competitiva