miniatura|O etanol () serve como um inibidor competitivo do metanol () e do etilenoglicol () para a enzima álcool desidrogenase no fígado quando estão presentes em grandes quantidades. Por esta razão, o etanol é às vezes utilizado como meio para tratar ou prevenir a toxicidade após a ingestão acidental dos outros dois compostos químicos.
A inibição competitiva é a interrupção de uma reação ou via química devido a uma substância química que inibe o efeito de outra ao competir com ela para se ligar quimicamente a uma terceira, seja em enzimologia ou noutros processos químicos. Qualquer sistema metabólico ou mensageiro químico poderia ser afetado por este princípio, mas várias classes de inibição competitiva são especialmente importantes em bioquímica e medicina, incluindo a inibição enzimática de tipo competitivo, a forma competitiva do antagonismo de recetor, a forma competitiva da atividade de antimetabólitos, e a forma competitiva dos envenenamentos (a qual pode incluir qualquer um dos tipos antes mencionados).
Inibição competitiva enzimática Na inibição competitiva da catálise enzimática, a ligação de um inibidor impede a ligação da molécula sobre a qual a enzima atua, chamada substrato. Isto é realizado bloqueando o local de ligação do substrato – o local ativo – por algum mecanismo. A Vmax indica a velocidade máxima da reação, enquanto que a Km é a quantidade de substância necessária para atingir metade da Vmax. A Km também serve para indicar a tendência do substrato a ligar-se à enzima. A inibição competitiva pode ser superada adicionando mais substrato à reação, o que aumenta as hipóteses de a enzima e o substrato se ligarem. Como resultado, a inibição competitiva altera apenas a Km, deixando a Vmax igual. Isto pode ser demonstrado usando gráficos da cinética enzimática como a de Michaelis-Menten ou a de Lineweaver-Burk. Uma vez que o inibidor se ligou à enzima, a inclinação é alterada, já que a Km faz aumentar ou diminuir a Km original da reação.
A maioria dos inibidores competitivos funciona ligando-se reversivelmente ao local ativo da enzima. Como resultado, muitas fontes afirmam que esta é a caraterística definidora dos inibidores competitivos. Contudo, isto é uma simplificação excessiva que pode levar à confusão, já que há muitos mecanismos possíveis pelos quais uma enzima pode ligar-se a um inibidor ou ao substrato, mas nunca a ambos ao mesmo tempo. Por exemplo, os inibidores alostéricos podem mostrar inibição competitiva, não-competitiva ou incompetitiva (ou acompetitiva).
Mecanismo 350px|Diagrama que mostra a inibição competitiva|miniatura
Na inibição competitiva, um inibidor que se assemelha ao substrato normal liga-se à enzima, geralmente no sítio ativo, e impede que o substrato se ligue. Num dado momento, a enzima pode estar ligada ao inibidor, ao substrato, ou a nenhum dos dois, mas não pode estar ligada a ambos ao mesmo tempo. Durante a inibição competitiva, o inibidor e o substrato competem pelo sítio ativo. O sítio ativo é a região da enzima à qual se pode ligar uma determinada proteína ou substrato. O sítio ativo só permite que um dos dois complexos se ligue ao sítio, ou permite que ocorra uma reação ou rendimento de um produto. Na inibição competitiva um inibidor parecido com o substrato ocupa o seu lugar ao ligar-se ao sítio ativo da enzima. Aumentando a concentração de substrato diminuirá a "competição" para que o substrato se ligue corretamente ao sítio ativo e a reação ocorra. Quando o substrato está em maior concentração do que o inibidor competitivo, as probabilidades de ser o substrato a entrar em contacto com o sítio ativo da enzima são maiores do que as que tem o inibidor.
Os inibidores competitivos são frequentemente utilizados para fabricar fármacos. Por exemplo, o metotrexato é um quimioterápico que atua como inibidor competitivo. É estruturalmente semelhante à coenzima, o folato, que se liga à enzima di-hidrofolato redutase. Esta enzima está envolvida na síntese do ADN e ARN, e quando o metotrexato se liga à enzima, esta fica inativa, assim que não se pode sintetizar ADN ou ARN. Nessas circunstâncias, as células cancerosas são, portanto, incapazes de crescer e dividir-se. Outro exemplo: as prostaglandinas são produzidas em grandes quantidades como resposta à dor e podem causar inflamação. Os ácidos gordos essenciais são utilizados para formar as prostaglandinas; quando isto foi descoberto, verificou-se que estes eram também inibidores muito bons dos efeitos das prostaglandinas. Estes ácidos gordos inibidores foram utilizados como fármacos para aliviar a dor porque podem atuar como substrato, e ligar-se à enzima que sintetiza as prostaglandinas, e bloquear a sua produção.
Um exemplo de inibição competitiva não relacionada com fármacos é a que intervém na prevenção do murchamento (escurecimento enzimático) de frutas e vegetais. Por exemplo, a tirosinase, uma enzima dos cogumelos, normalmente liga-se aos seus substratos, os monofenóis, e forma o-quinonas castanhas. Os substratos competitivos, como os benzaldeídos substituídos na posição 4 dos cogumelos, competem com o substrato, diminuindo a quantidade de monofenóis que se ligam. Estes compostos inibidores são adicionados para fazer com que os vegetais se mantenham frescos durante longos períodos de tempo ao diminuírem a ligação de monofenóis que causam o murchamento . Isto permite um aumento da vida do produto nas lojas.
A inibição competitiva pode ser reversível ou irreversível. Se é uma inibição reversível, então os efeitos da inibição podem ser superados aumentando a concentração de substrato. Se é irreversível, a única maneira de superá-lo é produzindo mais enzimas (e degradar ou excretar a enzima inibida irreversivelmente).
Virtualmente em todos os casos, os inibidores competitivos ligam-se no mesmo sítio de ligação (o sítio ativo) que o substrato, mas não é imprescindível que seja o mesmo sítio de ligação. Um inibidor competitivo poderia ligar-se a um sítio alostérico da enzima livre e impedir a ligação do substrato, desde que não se ligue ao sítio alostérico no momento em que o substrato está ligado à enzima. Por exemplo, a estricnina atua como um inibidor alostérico do recetor da glicina na medula espinhal e no tronco cerebral de mamíferos. A glicina é um importante neurotransmissor pós-sináptico com um sítio recetor específico. A estricnina liga-se a um sítio alternativo que reduz a afinidade do recetor da glicina pela glicina, o que resulta em convulsões devido à diminuição da inibição pela glicina.
Na inibição competitiva, a velocidade máxima () não muda, enquanto que a afinidade aparente do substrato com o sítio de ligação diminui (a constante de dissociação aparentemente aumenta). A alteração na (constante de Michaelis-Menten) é paralela à alteração de , já que enquanto uma aumenta a outra deve diminuir. Quando um inibidor competitivo se liga a uma enzima, a aumenta. Isto significa que a afinidade de ligação pela enzima diminui, mas isto pode ser superado aumentando a concentração do substrato. O efeito de qualquer concentração dada de inibidor competitivo pode ser superado aumentando a concentração de substrato. Nesse caso, o substrato reduzirá a disponibilidade de moléculas inibidoras que se possam ligar, e assim, supera na competição ao inibidor na hora de se ligar à enzima. 350px|A inibição competitiva pode ser também alostérica, sempre e quando o inibidor e o substrato não se possam ligar à enzima ao mesmo tempo.|miniatura
Exemplos biológicos Após uma ingestão acidental de uma droga opiácea contaminada, a desmetilprodina, descobriu-se o efeito neurotóxico da 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina (MPTP). A MPTP pode cruzar a barreira hematoencefálica e entrar nos lisossomas ácidos. A MPTP é ativada biologicamente pela MAO-B, uma isoenzima da monoamina oxidase (MAO) que está concentrada principalmente nos transtornos e doenças neurológicas. Posteriormente, descobriu-se que a MPTP causa sintomas semelhantes à doença de Parkinson. As células do sistema nervoso central (astrócitos) têm MAO-B que oxida MPTP a 1-metil-4-fenilpiridínio (MPP+), que é tóxico. O MPP+ viaja finalmente para o fluido extracelular por meio de um transportador de dopamina, o que em último extremo causa os sintomas de Parkinson. Contudo, a inibição competitiva da enzima MAO-B ou do transportador de dopamina protege contra a oxidação da MPTP a MPP+. Testaram-se alguns compostos para comprovar a sua capacidade de inibir a oxidação da MPTP a MPP+, como o azul de metileno, o 5-nitroindazol, o nor-harman, o 9-metilnor-harman e a menadiona. Estes demonstraram uma redução da neurotoxicidade produzida pela MPTP.
miniatura|Gráfico de Michaelis-Menten da velocidade de reação (v) versus concentração de substrato [S] da atividade enzimática normal (1) comparada com a atividade enzimática com um inibidor competitivo (2). Adicionando um inibidor competitivo a uma reação enzimática aumenta a da reação, mas a permanece igual. miniatura|O gráfico de Lineweaver-Burk, que é o gráfico de Michaelis–Menten recíproco, que representa a velocidade recíproca (1/V) versus a concentração de substrato recíproca (1/[S]) da atividade enzimática normal (azul) comparada com a atividade enzimática com um inibidor competitivo (vermelho). Adicionando um inibidor competitivo a uma reação enzimática aumenta a da reação, mas a permanece igual. As sulfamidas também atuam como inibidores competitivos. Por exemplo, a sulfanilamida liga-se competitivamente a uma enzima no sítio ativo da di-hidropteroato sintase (DHPS) ao imitar o substrato ácido para-aminobenzoico (PABA). Isto impede que o próprio substrato se ligue, o que interrompe a produção de ácido fólico, um nutriente essencial. As bactérias devem sintetizar ácido fólico porque não têm um transportador para ele. Sem ácido fólico, as bactérias não podem crescer e dividir-se. Portanto, devido à inibição competitiva dos fármacos sulfamidas, estes são excelentes agentes antibacterianos.
Um exemplo de inibição competitiva demonstrou-se experimentalmente na enzima succinato desidrogenase, que catalisa a oxidação do succinato a fumarato no ciclo do ácido cítrico ou de Krebs. O malonato é um inibidor competitivo da succinato desidrogenase. A ligação da succinato desidrogenase ao substrato, o succinato, é inibida competitivamente. Isto acontece porque a química do malonato é semelhante à do succinato. A capacidade do malonato de inibir a ligação da enzima e do substrato está baseada na proporção de malonato para succinato. O malonato liga-se ao sítio ativo da succinato desidrogenase para que o succinato não o possa fazer. Assim, inibe a reação. 350px|Outro possível mecanismo para a inibição alostérica competitiva.|miniatura
Equação O modelo de Michaelis-Menten pode ser uma ferramenta valiosa para compreender a cinética enzimática. Segundo este modelo, um gráfico da velocidade de reação (V0) associada à concentração de substrato [S] pode então ser utilizado para determinar valores como Vmax, velocidade inicial e Km (Vmax/2 ou afinidade do complexo enzima-substrato). A inibição competitiva aumenta o valor aparente da constante de Michaelis-Menten, , tal que a velocidade da reacção, , é dada por
onde , é a constante de dissociação do inibidor e é a concentração do inibidor.
permanece igual porque a presença do inibidor pode ser superada por uma concentração maior do substrato. , A concentração de substrato que é necessária para atingir , aumenta com a presença de um inibidor competitivo. Isto deve-se a que a concentração de substrato necessária para atingir a com um inibidor é maior do que a concentração de substrato necessária para atingir a sem inibidor.
Derivação No caso mais simples de uma enzima com um só substrato que obedece à cinética de Michaelis-Menten, o esquema típico :
E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P
é modificado para incluir a ligação do inibidor com enzimas livres: EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I