Inhibidores irreversibles
Los inhibidores irreversibles normalmente modifican una enzima covalentemente, con lo que la inhibición no puede ser invertida. Los inhibidores irreversibles suelen contener grupos funcionales reactivos como mostazas nitrogenadas, aldehídos, haloalcanos o alquenos. Estos grupos electrofílicos reaccionan con las cadenas de aminoácidos para formar uniones covalentes. Los residuos modificados son aquellos que contienen en sus cadenas laterales nucleófilos como por ejemplo un grupo hidroxilo o un grupo sulfhidrilo. Esto incluye a los aminoácidos serina . Tipos de inhibiciones irreversibles
La inhibición irreversible es diferente de la inactivación enzimática reversible. Los inhibidores irreversibles son generalmente específicos para un tipo de enzima y no inactivan a todas las proteínas. No funcionan destruyendo la estructura proteínica, sino alterando específicamente la estructura tridimensional del sitio activo inhabilitándolo. Por ejemplo, el pH y las temperaturas extremas causan la desnaturalización de casi todas las proteínas, pero este no es un efecto específico. De forma similar, algunos tratamientos químicos no específicos destruyen la estructura de la proteína: por ejemplo, si son sometidas a una elevada concentración de ácido clorhídrico, el cual hidrolizará los enlaces peptídicos que mantienen unidos los aminoácidos de las proteínas. Aplicaciones de los inhibidores
Los inhibidores enzimáticos pueden ser encontrados en la naturaleza, pero también son diseñados y producidos como parte de la farmacología y la bioquímica. Los venenos naturales son a menudo inhibidores enzimáticos que han evolucionado para defender a una planta o animal contra sus depredadores. Estas toxinas naturales incluyen algunos de los compuestos más venenosos conocidos hasta hoy. Quimioterapia
Los inhibidores enzimáticos son utilizados principalmente como fármacos en el tratamiento de diversas enfermedades. Muchos de estos inhibidores son capaces de actuar sobre enzimas humanas y así corregir determinadas patologías. Sin embargo, no todos los fármacos son inhibidores enzimáticos. Algunos de ellos, tales como los fármacos anti-epilépticos, alteran la actividad enzimática de forma indirecta, aumentando o disminuyendo la síntesis de dicha enzima. Estos efectos son denominados inducción e inhibición enzimática y consisten en alteraciones en el patrón de expresión génica, lo cual no está relacionado con el tipo de inhibición enzimática discutido aquí. Otras drogas interactúan con otras dianas celulares que no son enzimas, como los canales iónicos o los receptores de membrana. Otro tipo de inhibidores enzimáticos son utilizados con el fin de inhibir aquellas enzimas necesarias para la supervivencia de patógenos. Por ejemplo, las bacterias presentan una gruesa pared celular compuesta principalmente de un polímero denominado peptidoglicano.
Ciertos antibióticos como la penicilina y la vancomicina inhiben a la enzima responsable de la producción y el entrecruzamiento de las hebras de peptidoglicano, lo cual da lugar a una pérdida de fuerza de la pared celular y, por consiguiente, a la lisis de la célula, incapaz ahora de resistir la elevada presión osmótica. En la figura se puede apreciar una molécula de penicilina unida a su diana, la transpeptidasa de la bacteria Streptomyces R61 (la proteína se muestra en un formato de cintas y la penicilina en un formato de esferas y barras). También se utilizan otro tipo de toxicidades selectivas mediante antibióticos que aprovechan las diferencias presentes en la estructura de los ribosomas o en la síntesis de ácidos grasos. Control metabólico
Los inhibidores enzimáticos son también importantes a nivel del control metabólico. Muchas de las rutas metabólicas que tienen lugar en la célula son inhibidas por metabolitos que controlan la actividad enzimática mediante procesos de regulación alostérica o inhibición por sustrato. A modo de ejemplo cabe destacar la regulación alostérica de la glucólisis. Esta ruta catabólica consume glucosa y produce ATP, NADH y piruvato. Una de las etapas clave en la regulación de la glucólisis es la reacción catalizada por la fosfofructoquinasa-1 (PFK1). Cuando los niveles de ATP aumentan, el ATP se une a un sitio alostérico de la PFK1, con lo que se reduce la actividad de la enzima, la glucolisis se inhibe y los niveles de ATP se reducen de nuevo. Este control por retroalimentación negativa ( feedback negativo) ayuda a mantener los niveles de ATP constantes en la célula. Sin embargo, las rutas metabólicas no están únicamente reguladas por medio de la inhibición, la activación enzimática es igualmente importante. La enzima PFK1 presenta activadores alostéricos, como son la fructosa 2,6bifosfato y el ADP. La inhibición enzimática fisiológica también puede ser producida por inhibidores proteicos específicos. Este mecanismo se puede observar en el páncreas, donde se sintetizan multitud de precursores de enzimas digestivas denominadas zimógenos. Muchos de ellos son activados por la tripsina, una proteasa, por lo que es muy importante inhibir la actividad de la tripsina en el páncreas con el fin de prevenir fenómenos de autodigestión. Uno de los mecanismos para mantener la tripsina inactiva es la producción de un potente y específico inhibidor de tripsina en el páncreas. Este inhibidor se une con una alta afinidad a la tripsina, previniendo así su actividad. Aunque el inhibidor de tripsina es una proteína, no es hidrolizado por la propia tripsina, ya que elimina las moléculas de agua de su centro activo y desestabiliza el estado de transición. Otros ejemplos de inhibidores enzimáticos fisiológicos son el inhibidor barstar, cuya función es inhibir la actividad de una ribonucleasa bacteriana denominada barnasa, y los inhibidores de las proteinfosfatasas. Inhibidores de la acetilcolinesterasa
La acetilcolinesterasa (AChE) es una enzima que se encuentra en los animales, desde los insectos hasta los humanos. Es esencial en la actividad que desempeñan las neuronas, ya que su función consiste en la ruptura del neurotransmisor acetilcolina en sus constituyentes, acetato y colina. Es un caso único entre los neurotransmisores, ya que la mayoría de ellos, como la serotonina, la dopamina o la noradrenalina, son
reabsorbidos en la brecha sináptica. Existe un amplio número de inhibidores de la AChE que son utilizados tanto en el campo de la medicina como en el campo de la agricultura. Algunos de estos inhibidores son reversibles, como el edrofonio, la fisostigmina, y la neostigmina, los cuales son utilizados en el tratamiento de la miastenia gravis y en la aplicación de anestesia. Los pesticidas del tipo carbamato son otro ejemplo de inhibidores reversibles de la AChE. Como ejemplo de inhibidores irreversibles de la AChE caben destacar los insecticidas organofosforados, como el malathion, el paratión y el clorpirifós. Venenos naturales
Tanto algunos animales como algunas plantas son capaces de sintetizar una amplia gama de sustancias venenosas de diverso origen: metabolitos secundarios, péptidos y proteínas, que pueden actuar como inhibidores enzimáticos. Las toxinas naturales suelen ser pequeñas moléculas orgánicas con tanta diversidad que probablemente existan inhibidores para la mayoría de los procesos metabólicos. Dicha inhibición puede producirse a diferentes niveles en la célula: inhibición de receptores de membrana, de canales iónicos o de proteínas estructurales. Por ejemplo, el paclitaxel (taxol), una molécula orgánica obtenida del tejo (Taxus), se une con una elevada afinidad a los dímeros de tubulina, impidiendo así el proceso de polimerización de los microtúbulos, crucial, entre otras cosas, en la división celular. Muchos de estos venenos naturales actúan como neurotoxinas capaces de causar parálisis que pueden llevar a la muerte, pudiendo ser utilizados como estrategia defensiva frente a los depredadores o como sistema de caza en la captura de presas. Algunos de estos inhibidores naturales, a pesar de sus características tóxicas, son muy valorados por sus potenciales usos terapéuticos cuando son administrados en dosis adecuadas. Como ejemplo de neurotoxina cabe destacar los glicoalcaloides, obtenidos a partir de las plantas pertenecientes a la familia Solanaceae (entre las que se incluyen la patata, el tomate y la berenjena), que son inhibidores de la acetilcolinesterasa. La inhibición de esta enzima causa un aumento descontrolado de los niveles del neurotransmisor acetilcolina, lo que conlleva parálisis muscular y muerte. La neurotoxicidad también puede ser el resultado de la inhibición de receptores, como en el caso de la atropina, obtenida a partir de la especie Atropa belladonna, que funciona como un antagonista competitivo de los receptores muscarínicos de acetilcolina. Aunque muchas de las toxinas naturales son metabolitos secundarios, algunas son péptidos o proteínas. Como ejemplo cabe destacar a la toxina peptídica alfa-amanitina, encontrada en los hongos de la especie Amanita phalloides, que es un potente inhibidor enzimático capaz de impedir la actividad de la ARN polimerasa II en la transcripción del ADN, Otra toxina peptídica es la microcistina, encontrada en ciertas algas y capaz de inhibir ciertas protein-fosfatasas. Esta toxina puede contaminar las reservas de agua si las algas que la producen alcanzan determinados niveles de concentración. Se ha demostrado su alto potencial carcinogénico y su capacidad de causar hemorragia hepática aguda y muerte tras una exposición a altas dosis. Las proteínas también pueden llegar a ser venenos naturales, como es el caso del inhibidor de tripsina (discutido anteriormente) encontrado en algunas legumbres.
