background image

 

 

Prof.Dr.H.D.El-Yassin

 

 

I-REGULATION OF ENZYMES BY SUBSTRATE AND PRODUCT CONCENTRATION       
II-ENZYME INHIBITORS

  

 

2012 

 

K

INETICS OF 

E

NZYME

-C

ATALYZED 

R

EACTIONS

 

 


background image

 

2

 | 

P a g e

 

 

 

REGULATION OF ENZYMES BY SUBSTRATE AND 

PRODUCT CONCENTRATION 

The velocity of all enzymes is dependent on the concentration of 

substrate.  

The hypothesis of enzyme kinetics assumes the rapid, reversible 

formation of a complex between an enzyme and its substrate (the 

substance upon which it acts to form a product).  

It also assumes that the rate of formation of the product, P, is 

proportional to the concentration of the complex.  

The velocity of such a reaction is greatest when all the sites at 

which catalytic activity can take place on the enzyme molecules (active 

sites) are filled with substrate; i.e., when the substrate concentration 

is very high.  

k

1

   

 

k

2

 

E  +  S   

 

ES  

 

E  +  P 

 k

-1 

E= enzyme,  

S= substrate,  

ES= enzyme-substrate complex, P= product 

k

1

, k

-1

 and k

2

 are rate constants 


background image

 

3

 | 

P a g e

 

 

The Michaelis-Menton equation describes how reaction velocity varies 

with substrate concentration: 

V

max

[S] 

v

0

  = 

K

m

 +[S] 

V

max

=maximum velocity, v

0

 = initial velocity, K

m

= (k

-1

 + k

2

)/k

1

 

To determine the maximum speed of an enzymatic reaction, the 

substrate concentration is increased until a constant rate of product 

formation is achieved. This is the maximum velocity (V

max

) of the 

enzyme. In this state, all enzyme active sites are saturated with 

substrate.   

The Michaelis-Menten constant (K

m

)= B, is the substrate 

concentration required for an 

enzyme to reach one half its 

maximum velocity. Each 

enzyme has a characteristic K

m

 

for a given substrate. 

 

The key features of the plot are marked by points A, B and C. At high 

substrate concentrations the rate represented by point C the rate of 

the reaction is almost equal to V

max

, and the difference in rate at 

nearby concentrations of substrate is almost negligible.  


background image

 

4

 | 

P a g e

 

 

If the Michaelis-Menten plot is extrapolated to infinitely high 

substrate concentrations, the extrapolated rate is equal to V

max

. When 

the reaction rate becomes independent of substrate concentration, or 

nearly so, the rate is said to be zero order. (Note that the reaction is 

zero order only with respect to this substrate. If the reaction has two 

substrates, it may or may not be zero order with respect to the second 

substrate). At lower substrate concentrations, such as at points A and 

B, the lower reaction velocities indicate that at any moment only a 

portion of the enzyme molecules are bound to the substrate. In fact, 

at the substrate concentration denoted by point B, exactly half the 

enzyme molecules are in an ES complex at any instant and the rate is 

exactly one half of V

max

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

5

 | 

P a g e

 

 

Inhibition of Enzyme Catalyzed Reactions 

To avoid dealing with curvilinear plots of enzyme catalyzed reactions, 

biochemists Lineweaver and Burk 

introduced an analysis of enzyme 

kinetics based on the following 

rearrangement of the Michaelis-

Menten equation:  

 

 

 

 

A Lineweaver-Burk Plot 

[1/v] = [K

m

 (1)/ V

max

[S] + (1)/V

max

] 

Plots of 1/v versus 1/[S] yield straight lines having a slope of K

m

/V

max

 

and an intercept on the ordinate at 1/V

max

.  

The Lineweaver-Burk transformation of the Michaelis-Menton equation 

is useful in the analysis of enzyme inhibition. Since most clinical drug 

therapy is based on inhibiting the activity of enzymes, analysis of 

enzyme reactions using the tools described above has been 

fundamental to the modern design of pharmaceuticals.  

Many Drugs Acts As Enzyme Inhibitors 

Many drugs, including antibiotics and antiviral agents, operate by 

inhibiting critical enzyme-catalyzed reactions or serve as 

alternative dead-end substrates of such reactions.  

The antibiotic activity of penicillin is due to its ability to inhibit 

transpeptidases responsible for crosslink formation in construction 

of bacterial cell walls, leading to lysis of the weakened cells.  


background image

 

6

 | 

P a g e

 

 

Sulfanilamides (sulfa drugs) are antibiotics that serve as 

structural analogs of para-aminobenzoic acid (PABA), a 

substrate in the formation of folic acid by many bacteria. 

Substitution of the sulfanilamide compound in place of PABA in the 

reaction prevents formation of the critical coenzyme folic acid.  

Inhibitors of the HIV protease are useful in antiviral therapy 

strategies because this enzyme is absolutely required for processing 

of proteins needed for synthesis of the viral coat. 

the use of methotrexate in cancer chemotherapy to semi-

selectively inhibit DNA synthesis of malignant cells,  

the use of aspirin to inhibit the synthesis of prostaglandins 

which are at least partly responsible for the aches and pains of 

arthritis.  

Examples of irreversible (suicidal) inhibitors 

Organophosphorous Pesticides: Suicide Inhibitors of Acetylcholinesterase 

 

Organophosphates form stable phosphoesters with the active site 

serine of acetylcholinesterase, the enzyme responsible for hydrolysis 

and inactivation of acetylcholine at cholinergic synapses. 

 

Irreversible inhibition of the enzyme leads to accumulation of 

acetylcholine at these synapses and consequent neurologic impairment. 

 

Poisoning by pesticides that contain organophosphate compounds 

produces a variety of symptoms, including nausea, blurred vision, 

fatigue, muscle weakness and, potentially, death caused by paralysis of 

respiratory muscles. 


background image

 

7

 | 

P a g e

 

 

In addition, many poisons, such as cyanide, carbon monoxide and 

polychlorinated biphenols (PCBs), produce their life- threatening 

effects by means of enzyme inhibition.  

Enzyme inhibitors fall into two broad classes:  

1.  Those causing 

irreversible 

inactivation of enzymes: Inhibitors of 

the first class usually cause an inactivating, covalent modification 

of enzyme structure . Cyanide is a classic example of an 

irreversible enzyme inhibitor: by covalently binding mitochondrial 

cytochrome oxidase, it inhibits all the reactions associated with 

electron transport. The kinetic effect of irreversible inhibitors 

is to decrease the concentration of active enzyme, thus 

decreasing the maximum possible concentration of ES complex. 

Since the limiting enzyme reaction rate is often k

2

[ES], it is clear 

that under these circumstances the reduction of enzyme 

concentration will lead to decreased reaction rates. Irreversible 

inhibitors are usually considered to be poisons and are generally 

unsuitable for therapeutic purposes.  

2.  Those whose inhibitory effects can be 

reversed

. Reversible 

inhibitors can be divided into two main categories; competitive 

inhibitors and noncompetitive inhibitors, with other three 

categories, , rarely encountered, partially completive inhibitors 

uncompetitive inhibitors and mixed inhibitors. 

 


background image

 

8

 | 

P a g e

 

 

Inhibitor Type 

Binding Site on Enzyme 

Kinetic effect 

Competitive Inhibitor 

Specifically at the catalytic site, 
where it competes with substrate 
for binding in a dynamic 
equilibrium- like process. Inhibition 
is reversible by substrate. 

V

max

 is unchanged; K

m

, as 

defined by [S] required 
for 1/2 maximal 
activity, is increased. 

Noncompetitive 

Inhibitor 

Binds E or ES complex other than 
at the catalytic site. Substrate 
binding unaltered, but ESI complex 
cannot form products. Inhibition 
cannot be reversed by substrate. 

K

m

 appears unaltered; 

V

max

 is decreased 

proportionately to 
inhibitor concentration. 

Partially competitive 

Inhibitor 

similar to that of non-competitive, 
except that the EIS-complex has 
catalytic activity, which may be 
lower or even higher (partially 
competitive activation) than that 
of the enzyme-substrate (ES) 
complex

.

 

lower V

max

, but an 

unaffected K

m

 value 

Uncompetitive Inhibitor 

Binds only to ES complexes at 
locations other than the catalytic 
site. Substrate binding modifies 
enzyme structure, making 
inhibitor- binding site available. 
Inhibition cannot be reversed by 
substrate. 

Apparent V

max

 

decreased; K

m

, as 

defined by [S] required 
for 1/2 maximal 
activity, is decreased.  

Mixed inhibition 

Inhibitor bind to both the enzyme 
and the ES complex. It has the 
properties of both competitive and 
uncompetitive inhibition.

 

Both a decrease in V

max

 

and an increase in the 
K

m

 value are seen in 

mixed inhibition.

 


background image

 

9

 | 

P a g e

 

 

The feature of all the reversible inhibitors is that when the inhibitor 

concentration drops, enzyme activity is regenerated. Usually these 

inhibitors bind to enzymes by non-covalent forces and the inhibitor 

maintains a reversible equilibrium with the enzyme. The equilibrium 

constant for the dissociation of enzyme inhibitor complexes is known 

as K

I

:  

K

I

 = [E][I]/[E--I--complex] 

The effects of K

I

 are best observed in Lineweaver-Burk plots.  

Probably the best known reversible inhibitors are competitive 

inhibitors, which always bind at the catalytic or active site of the 

enzyme. Most drugs that alter enzyme activity are of this type.  

Competitive inhibitors are especially attractive as clinical modulators 

of enzyme activity because they offer two routes for the reversal of 

enzyme inhibition:  

1.  First, as with all kinds of reversible inhibitors, a decreasing 

concentration of the inhibitor reverses the equilibrium 

regenerating active free enzyme.  

2.  Second, since substrate and competitive inhibitors both bind at 

the same site they compete with one another for binding. Raising 

the concentration of substrate (S), while holding the 

concentration of inhibitor constant, provides the second route 

for reversal of competitive inhibition. The greater the proportion 

of substrate, the greater the proportion of enzyme present in 

competent ES complexes.  


background image

 

10

 | 

P a g e

 

 

High concentrations of substrate can displace virtually all competitive 

inhibitor bound to active sites. Thus, it is apparent that V

max

 should be 

unchanged by competitive inhibitors. This characteristic of competitive 

inhibitors is reflected in the identical vertical-axis intercepts of 

Lineweaver-Burk plots, with and without inhibitor. panel B. 

 

Lineweaver-Burk Plots of Inhibited Enzymes 

Analogously, panel C illustrates that noncompetitive inhibitors appear 

to have no effect on the intercept at the x-axis implying that 

noncompetitive inhibitors have no effect on the K

m

 of the enzymes 

they inhibit.  


background image

 

11

 | 

P a g e

 

 

Since noncompetitive inhibitors do not interfere in the equilibration of 

enzyme, substrate and ES complexes, the K

m

's of Michaelis-Menten 

type enzymes are not expected to be affected by noncompetitive 

inhibitors, as demonstrated by x-axis intercepts in panel C. However, 

because complexes that contain inhibitor (ESI) are incapable of 

progressing to reaction products, the effect of a noncompetitive 

inhibitor is to reduce the concentration of ES complexes that can 

advance to product. Since V

max

 = k

2

[E

total

], and the concentration of 

competent E

total

 is diminished by the amount of ESI formed, 

noncompetitive inhibitors are expected to decrease V

max

, as illustrated 

by the y-axis intercepts in panel C.  

A corresponding analysis of uncompetitive inhibition leads to the 

expectation that these inhibitors should change the apparent values of 

K

m

 as well as V

max

. Changing both constants leads to double reciprocal 

plots, in which intercepts on the x and y axes are proportionately 

changed; this leads to the production of parallel lines in inhibited and 

uninhibited reactions.  

 

 

 

 

 


background image

 

12

 | 

P a g e

 

 

Clinical Problems 

A Polish man and his friend who is of Japanese descent are sharing 
conversation over drinks at a party. After the Polish man finishes his 
second bottle of beer, he notices that his friend, despite having drunk 
only half his drink, appears flushed in the face. His friend then 
complains of dizziness and headache and asks to be driven home. 

1.  The marked difference in tolerance to alcohol illustrated by these 

men is most likely due to a gene encoding which of the following 

enzymes? 

A. Alcohol dehydrogenase 

B. Acetate dehydrogenase 

C.  Alcohol reductase 

D. Aldehyde dehydrogenas 

E. Aldehyde aminotransferase 

 

Comment: The answer is D. Many Asians lack a low-K

m

, form of 

acetaldehyde dehydrogenase, which is responsible for detoxifying 

acetaldehyde generated by oxidation of ethanol in the liver. 

Acetaldehyde accumulation in the blood of such individuals leads to 

the facial flushing and neurologic effects exhibited by the man of 

Japanese descent. 

 


background image

 

13

 | 

P a g e

 

 

An alcoholic has consumed antifreeze as a substitute for ethanol. 
Ethyleneglycol, an ingredient in antifreeze, is also a substrate for the 
enzyme alcohol dehydrogenase (ADH), which normally converts ethanol 
to acetaldehyde. Ethylene glycol, however, is converted by ADH to a 
highly toxic product. Ethanol is administered as a treatment in this 
case of poisoning. 

2.  Why is ethanol an effective treatment for ethylene glycol 

poisoning? 

A. ADH exhibits a much higher affinity (K

m

 for ethanol than 

for ethylene glycol 

B. Ethanol is an allosteric effector of ADH 

C.  Ethanol combines with the toxic product formed by the 

reaction of ADH with ethylene glycol and renders it harmless 

D. Acetaldehyde is of therapeutic value. 

E. Ethanol induces another enzyme that is capable of 

metabolizing ethylene glycol 

 

Comment: The answer is: 1-A: Aldehyde dehydrogenase (ADH), 

which exhibits a broad substrate specificity for alcohols, has a 

much higher affinity for ethanol [i.e., a lower Km] than for 

ethylene glycol. Saturating ADH with ethanol by administration of 

therapeutic levels prevents it from converting ethylene glycol to 

the toxic aldehyde, and allows ethylene glycol to eventually be 

excreted unmetabolized. 


background image

 

14

 | 

P a g e

 

 

Ethylene Glycol is a competitive inhibitor of alcohol dehydrogenase 

(ADH) activity. Ethylene glycol is converted by ADH, to oxalic acid, 

calcium oxalate crystals in kidney. 

 

In Non-Asians, ethanol is administered as antidote to ethylene 

glycol ingestion  

 

In Asians, ethanol administration is not efficacious due to low, 

non-inducible ADH activity. 

 

Interesting story in Japanese press several years ago Drunk Japanese 

businessman was spared from death due to ethylene glycol poisoning 

siphoning antifreeze from a friend's car habitual alcohol user, had 

higher steady-state ADH levels. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

15

 | 

P a g e

 

 

3.

 

If one compares Lineweaver-Burk plots for the reactions of ADH 
with ethanol and ethylene glycol, which of the following would be 
observed? 

A. They exhibit identical slopes. 

B. They exhibit identical y-intercepts. 

C.  They exhibit identical x-intercepts. 

D. Only the plot for the reaction of ethanol is linear 

E. Only the plot for the reaction of ethylene glycol is linear 

 

Comment: The answer is 2-B: If ADH obeys Michaelis-Menten 

kinetics, then the Lineweaver-Burk plot, which is a linear 

transform of the Michaelis-Menten equation, will be linear for both 

substrates. ADH exhibits different Km values for ethanol and 

ethylene glycol. Therefore, the x-intercept (1/ K

m

 and the slope 

(K

m

/V

max

) are different. If only the affinity for the alternative 

substrate is different, then the V

max

 will be the same as will the 

y-intercept (1/V

max

). 

 

 

 

 

 


background image

 

16

 | 

P a g e

 

 

4.

 

Blood was taken from this patient and analyzed for the serum levels 
of certain enzymes. Which one of the following enzymes will most 
likely be present at elevated levels? 

(A)  Amylase 

(B)  Creatine kinase 

(C)  Alanine aminotransferase 

(D)  Acid phosphatase 

(E)  Lactate dehydrogenase  

 

Comment: he answer is 3-C :Chronic alcoholics are likely to exhibit 

signs of liver damage. Alanine aminotransferase is present in the 

cytosol of liver cells, and its release into the serum is diagnostic of 

hepatocellular damage. Lactate dehydrogenase and creatine kinase 

isozymes are analyzed to diagnose heart attacks. Amylase levels 

are elevated in patients with acute pancreatitis, and elevated acid 

phosphatase levels may be diagnostic of prostate cancer. 

 

 

 

 

 


background image

 

17

 | 

P a g e

 

 

5.

 

A noncompetitive enzyme inhibitor 

A. Decreases 

V

max

 

and increases

 K

m

 

B. Decreases V

max

 and has no effect on 

K

m

 

C.  Has no effect on 

V

max

 

or 

K

m

 

D. Has no effect on 

V

m:K

 

and increases 

K

m

 

E. Has no effect on 

V

mxi

 

and decreases 

K

m

.

 

 

Comment: The answer is B. A noncompetitive inhibitor binds to the 

enzyme at a site other than the substrate binding site, so it has 

little measurable effect on the enzyme's affinity for substrate, as 

represented by the 

K

m

However, the inhibitor has the effect of 

decreasing the availability of active enzyme capable of catalyzing 

the reaction, which manifests itself as a decrease in V

max

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

18

 | 

P a g e

 

 

6.

 

A 47-year-old man is evaluated for a 12-hour history of nausea, 

vomiting and, more recent, difficulty breathing. His past medical history 
is unremarkable, and he takes no medications. However, he is a farmer 
who has had similar episodes in the past after working with agricultural 
chemicals in his fields. Just yesterday he reports applying diazinon, an 
organophosphate insecticide, to his sugar beet field. 
After consultation with the poison center, you conclude that this 
patient's condition is most likely due to inhibition of which of the 
following enzymes? 

A. Acetate dehydrogenase 

B. Alanine aminotransferase 

C.  Streptokinase  

D. Acetylcholinesterase  

E. Creatine kinase 

 

Comment: The answer is D. Organophosphates react with the 

active site serine residue of hydrolases such as 

acetylcholinesterase and form a stable phosphoester modification 

of that serine that inactivates the enzyme toward substrate. 

Inhibition of acetylcholinesterase causes overstimulation of the end 

organs regulated by those nerves. The symptoms manifested by 

this patient reflect such neurologic effects resulting from the 

inhalation or skin absorption of the pesticide diazinon. 

 


background image

 

19

 | 

P a g e

 

 

7. 

Accidental ingestion of ethylene glycol, an ingredient of automotive 
antifreeze, is fairly common among children because of the liquid's 
pleasant color and sweet taste. Ethylene glycol itself is not very 
toxic, but it is metabolized by alcohol dehydrogenase to the toxic 
compounds glycolic acid, glyoxylic acid, and oxalic acid, which can 
produce acidosis and lead to renal failure and death. Treatment for 
suspected ethylene glycol poisoning is hemodialysis to remove the 
toxic metabolites and administration of a substance that reduces the 
metabolism of ethylene glycol by displacing it from the enzyme

Which of the following compounds would be best suited for this 
therapy?  

A. Acetic acid  

B. Ethanol  

C.  Aspirin  

D. Acetaldehyde  

E. Glucose 

Comment: The answer is B. The therapeutic rationale for ethylene 

glycol poisoning is to compete for the attention of alcohol 

dehydrogenase by providing a preferred substrate, ethanol, so that 

the enzyme is unavailable to catalyze oxidation of ethylene glycol 

to toxic metabolites. Ethanol will displace ethylene glycol by mass 

action for a limited time, during which hemodialysis is used to 

remove ethylene glycol and its toxic metabolites from the patient's 

bloodstream. 


background image

 

20

 | 

P a g e

 

 

8.

 

Glucose taken up by liver cells is rapidly phosphorylated to glucose 6-
phosphate with ATP serving as the phosphate donor in the initial 
step of metabolism and assimilation of the sugar. Two enzymes, 
which may be considered isozymes, are capable of catalyzing this re-
action in the liver cell. Hexokinase has a low K

m

 of -0.05 mM for 

glucose, whereas glucokinase exhibits sigmoidal kinetics with an 
approximate K

m

 of ~5 mM. After a large meal, the glucose 

concentration in the hepatic portal vein may approximate 5 mM. 

After such a large meal, which of the following scenarios describes the 
relative activity levels for these two enzymes? 

Hexokinase   

 

 

 

Glucokinase 

A. Not active 

 

 

 

 

 

Not active 

B. 

v

 ½V

max 

 

 

 

 

 

 

Not active 

C. 

v

 

V

max

   

 

 

 

 

 

Not active 

D. 

v

V

max 

   

 

 

 

 

 

v

 ½V

max

 

E. 

v

V

max

   

 

 

 

 

 

v

V

max

 

Comment: The answer is D. This problem provides a practical 

illustration of the use of the Michaelis-Menten equation. The high 

concentration of glucose in the hepatic portal vein after a meal 

would promote a high rate of glucose uptake into liver cells, 

necessitating rapid phosphorylation of the sugar. The glucose 

concentration far exceeds the 

K

m

 

of hexokinase, ie, [S] > 

K

m

meaning that the enzyme will be nearly saturated with substrate 

and 

v

V

max

. However, the [S] = 

K

m

 

for glucokinase, which will be 

active in catalyzing the phosphorylation reaction and 

v

 ½V

max

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 124 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل