Конкурентное ингибирование

Прерывание химического пути

Этанол ( С
2
ЧАС
5
OH ) служит конкурентным ингибитором метанола ( CH
3
OH ) и этиленгликоль ( (CH2OH ) 2 ) для фермента алкогольдегидрогеназы в печени , когда присутствуют в больших количествах. По этой причине этанол иногда используется как средство для лечения или предотвращения интоксикации после случайного приема этих химических веществ.

Конкурентное ингибирование — это прерывание химического пути из-за того, что одно химическое вещество ингибирует эффект другого, конкурируя с ним за связывание или образование связей . Любая метаболическая или химическая система передачи сообщений может потенциально быть затронута этим принципом, но несколько классов конкурентного ингибирования особенно важны в биохимии и медицине , включая конкурентную форму ингибирования ферментов , конкурентную форму антагонизма рецепторов , конкурентную форму антиметаболитной активности и конкурентную форму отравления (которая может включать любой из вышеупомянутых типов).

Тип ингибирования фермента

При конкурентном ингибировании ферментативного катализа связывание ингибитора предотвращает связывание целевой молекулы фермента, также известной как субстрат. [1] Это достигается путем блокирования участка связывания субстрата – активного участка – некоторыми способами. V max указывает максимальную скорость реакции, в то время как K m представляет собой количество субстрата, необходимое для достижения половины V max . K m также играет роль в указании тенденции субстрата связывать фермент. [2] Конкурентное ингибирование можно преодолеть, добавив больше субстрата в реакцию, что увеличивает вероятность связывания фермента и субстрата. В результате конкурентное ингибирование изменяет только K m , оставляя V max прежним. [3] Это можно продемонстрировать с помощью графиков кинетики фермента, таких как график Михаэлиса–Ментена или Лайнуивера–Берка . После связывания ингибитора с ферментом наклон будет изменен, поскольку K m либо увеличивается, либо уменьшается от исходного K m реакции. [4] [5] [6]

Большинство конкурентных ингибиторов функционируют путем обратимого связывания с активным центром фермента. [1] В результате многие источники утверждают, что это определяющая черта конкурентных ингибиторов. [7] Однако это является вводящим в заблуждение упрощением , поскольку существует множество возможных механизмов, с помощью которых фермент может связывать либо ингибитор, либо субстрат, но никогда оба одновременно. [1] Например, аллостерические ингибиторы могут демонстрировать конкурентное, неконкурентное или бесконкурентное ингибирование. [1]

Механизм

Диаграмма, демонстрирующая конкурентное ингибирование

При конкурентном ингибировании ингибитор, который напоминает обычный субстрат, связывается с ферментом, обычно в активном центре , и предотвращает связывание субстрата. [8] В любой момент времени фермент может быть связан с ингибитором, субстратом или ни с тем, ни с другим, но он не может связывать оба одновременно. При конкурентном ингибировании ингибитор и субстрат конкурируют за активный центр. Активный центр — это область на ферменте, с которой может связываться определенный белок или субстрат. Таким образом, активный центр позволит связываться с центром только одному из двух комплексов, либо позволяя реакции произойти, либо приводя к ней. При конкурентном ингибировании ингибитор напоминает субстрат, занимая его место и связываясь с активным центром фермента. Увеличение концентрации субстрата уменьшит «конкуренцию» за то, чтобы субстрат должным образом связался с активным центром и позволил реакции произойти. [3] Когда концентрация субстрата выше, чем концентрация конкурентного ингибитора, более вероятно, что субстрат вступит в контакт с активным центром фермента, чем с активным центром ингибитора.

Конкурентные ингибиторы обычно используются для создания фармацевтических препаратов. [3] Например, метотрексат — это химиотерапевтический препарат, который действует как конкурентный ингибитор. Он структурно похож на кофермент фолат , который связывается с ферментом дигидрофолатредуктазой . [3] Этот фермент является частью синтеза ДНК и РНК, и когда метотрексат связывается с ферментом, он делает его неактивным, так что он не может синтезировать ДНК и РНК. [3] Таким образом, раковые клетки не могут расти и делиться. Другой пример: простагландины вырабатываются в больших количествах в ответ на боль и могут вызывать воспаление. Незаменимые жирные кислоты образуют простагландины; когда это было обнаружено, оказалось, что они на самом деле являются очень хорошими ингибиторами простагландинов. Эти ингибиторы жирных кислот использовались в качестве лекарств для облегчения боли, потому что они могут действовать как субстрат, связываться с ферментом и блокировать простагландины. [9]

Примером конкурентного ингибирования, не связанного с лекарственными средствами, является предотвращение потемнения фруктов и овощей. Например, тирозиназа , фермент в грибах, обычно связывается с субстратом, монофенолами , и образует коричневые о-хиноны. [10] Конкурентные субстраты, такие как 4-замещенные бензальдегиды для грибов, конкурируют с субстратом, снижая количество связывающихся монофенолов. Эти ингибирующие соединения, добавленные к продукту, сохраняют его свежим в течение более длительного времени, уменьшая связывание монофенолов, вызывающих потемнение. [10] Это позволяет повысить качество продукта, а также срок его хранения.

Конкурентное ингибирование может быть обратимым или необратимым. Если это обратимое ингибирование , то эффекты ингибитора можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата. [8] Если оно необратимо, то единственный способ его преодолеть — это произвести больше мишени (и, как правило, разрушить и/или вывести необратимо ингибированную мишень).

Практически в каждом случае конкурентные ингибиторы связываются в том же месте связывания (активном месте), что и субстрат, но связывание в том же месте не является обязательным. Конкурентный ингибитор может связываться с аллостерическим местом свободного фермента и предотвращать связывание субстрата, если только он не связывается с аллостерическим местом, когда субстрат связан. Например, стрихнин действует как аллостерический ингибитор глицинового рецептора в спинном мозге и стволе мозга млекопитающих. Глицин является основным постсинаптическим ингибиторным нейротрансмиттером со специфическим местом рецептора. Стрихнин связывается с альтернативным местом, которое снижает сродство глицинового рецептора к глицину, что приводит к судорогам из-за ослабления ингибирования глицином. [11]

При конкурентном ингибировании максимальная скорость ( ) реакции не изменяется, в то время как кажущееся сродство субстрата к месту связывания уменьшается ( константа диссоциации, по-видимому, увеличивается). Изменение ( константа Михаэлиса–Ментен ) параллельно изменению , по мере увеличения одного другой должен уменьшаться. Когда конкурентный ингибитор связывается с ферментом, увеличивается . Это означает, что сродство связывания с ферментом уменьшается, но его можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата. [12] Любая заданная концентрация конкурентного ингибитора может быть преодолена, увеличив концентрацию субстрата. В этом случае субстрат снизит доступность ингибитора для связывания и, таким образом, превзойдет ингибитор в связывании с ферментом. [12] В макс {\displaystyle V_{\макс }} К г {\displaystyle K_{d}} К м {\displaystyle K_{м}} К г {\displaystyle K_{d}} К м {\displaystyle K_{м}}

Конкурентное ингибирование также может быть аллостерическим, если ингибитор и субстрат не могут связывать фермент одновременно.

Биологические примеры

После случайного приема внутрь загрязненного опиоидного препарата десметилпродина был обнаружен нейротоксический эффект 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина ( MPTP ). MPTP способен проникать через гематоэнцефалический барьер и попадать в кислые лизосомы . [13] MPTP биологически активируется МАО-Б, изоферментом моноаминоксидазы ( МАО), который в основном концентрируется при неврологических расстройствах и заболеваниях. [14] Позже было обнаружено, что MPTP вызывает симптомы, похожие на симптомы болезни Паркинсона . Клетки центральной нервной системы (астроциты) включают МАО-Б, который окисляет MPTP до 1-метил-4-фенилпиридиния (MPP+), который является токсичным. [13] MPP+ в конечном итоге перемещается во внеклеточную жидкость с помощью транспортера дофамина , что в конечном итоге вызывает симптомы болезни Паркинсона. Однако конкурентное ингибирование фермента МАО-Б или транспортера дофамина защищает от окисления MPTP до MPP+. Несколько соединений были протестированы на их способность ингибировать окисление MPTP до MPP+, включая метиленовый синий , 5-нитроиндазол, норхарман , 9-метилнорхарман и менадион . [14] Они продемонстрировали снижение нейротоксичности, производимой MPTP.

График Михаэлиса-Ментен скорости реакции (v) против концентрации субстрата [S] нормальной активности фермента (1) по сравнению с активностью фермента с конкурентным ингибитором (2). Добавление конкурентного ингибитора к ферментативной реакции увеличивает K m реакции, но V max остается прежним.
График Лайнуивера-Берка, обратная величина графика Михаэлиса-Ментена, обратной величины скорости (1/V) против обратной величины концентрации субстрата (1/[S]) нормальной активности фермента (синий) по сравнению с активностью фермента с конкурентным ингибитором (красный). Добавление конкурентного ингибитора к ферментативной реакции увеличивает K m реакции, но V max остается прежним.

Сульфаниламид также действует как конкурентный ингибитор. Например, сульфаниламид конкурентно связывается с ферментом в активном центре дигидроптероатсинтазы (DHPS), имитируя субстрат парааминобензойную кислоту (PABA). [15] Это предотвращает связывание самого субстрата, что останавливает выработку фолиевой кислоты, необходимого питательного вещества. Бактерии должны синтезировать фолиевую кислоту, поскольку у них нет переносчика для нее. Без фолиевой кислоты бактерии не могут расти и делиться. Поэтому из-за конкурентного ингибирования сульфаниламидных препаратов они являются прекрасными антибактериальными средствами. Пример конкурентного ингибирования был продемонстрирован экспериментально для фермента сукцинатдегидрогеназы, который катализирует окисление сукцината до фумарата в цикле Кребса . Малонат является конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы. Связывание сукцинатдегидрогеназы с субстратом, сукцинатом, конкурентно ингибируется. Это происходит потому, что химия малоната похожа на сукцинат. Способность малоната ингибировать связывание фермента и субстрата основана на соотношении малоната к сукцинату. Малонат связывается с активным сайтом сукцинатдегидрогеназы, так что сукцинат не может. Таким образом, он ингибирует реакцию. [16]

Другой возможный механизм аллостерического конкурентного ингибирования.

Уравнение

Модель Михаэлиса–Ментен может быть бесценным инструментом для понимания кинетики ферментов. Согласно этой модели, график скорости реакции (V 0 ), связанный с концентрацией [S] субстрата, может затем использоваться для определения таких значений, как V max , начальная скорость и K m (V max /2 или сродство фермента к комплексу субстрата). [4]

Конкурентное ингибирование увеличивает кажущееся значение константы Михаэлиса-Ментен , , так что начальная скорость реакции, , определяется выражением К м приложение {\displaystyle K_{m}^{\text{app}}} В 0 {\displaystyle V_{0}}

В 0 = В макс [ С ] К м приложение + [ С ] {\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max }\,[S]}{K_{m}^{\text{app}}+[S]}}}

где , — константа диссоциации ингибитора, — концентрация ингибитора. К м приложение = К м ( 1 + [ я ] / К я ) {\displaystyle K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})} К я {\displaystyle K_{i}} [ я ] {\displaystyle [Я]}

В макс {\displaystyle V_{\макс }} остается прежним, поскольку присутствие ингибитора может быть преодолено более высокими концентрациями субстрата. , концентрация субстрата, необходимая для достижения , увеличивается с присутствием конкурентного ингибитора. Это происходит потому, что концентрация субстрата, необходимая для достижения с ингибитором, больше, чем концентрация субстрата, необходимая для достижения без ингибитора. К м приложение {\displaystyle K_{m}^{\text{app}}} В макс / 2 {\displaystyle V_{\max }/2} В макс {\displaystyle V_{\макс }} В макс {\displaystyle V_{\макс }}

Вывод

В простейшем случае односубстратного фермента, подчиняющегося кинетике Михаэлиса-Ментен, типичная схема

Э + С к 1 к 1 ЭС к 2 Э + П {\displaystyle {\ce {E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P}}}

модифицирован, чтобы включить связывание ингибитора со свободным ферментом:

ЭИ + С к 3 к 3 Э + С + я к 1 к 1 ЭС + я к 2 Э + П + я {\displaystyle {\ce {EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + П + Я}}}

Обратите внимание, что ингибитор не связывается с комплексом ES, а субстрат не связывается с комплексом EI. Обычно предполагается, что такое поведение указывает на связывание обоих соединений в одном и том же месте, но это не является строго необходимым. Как и при выводе уравнения Михаэлиса–Ментен, предположим, что система находится в стационарном состоянии, т. е. концентрация каждого из видов фермента не меняется.

г [ Э ] г т = г [ ЭС ] г т = г [ ЭИ ] г т = 0. {\displaystyle {\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}={\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}={\frac {d[{ \ce {EI}}]}{dt}}=0.}

Кроме того, известная общая концентрация фермента составляет , а скорость измеряется в условиях, в которых концентрации субстрата и ингибитора существенно не изменяются, а накопилось незначительное количество продукта. [ Э ] 0 = [ Э ] + [ ЭС ] + [ ЭИ ] {\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}

Поэтому мы можем составить систему уравнений:

где и известны. Начальная скорость определяется как , поэтому нам нужно определить неизвестное через известные и . [ С ] , [ я ] {\displaystyle {\ce {[S], [I]}}} [ Э ] 0 {\displaystyle {\ce {[E]_0}}} В 0 = г [ П ] / г т = к 2 [ ЭС ] {\displaystyle V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]} [ ЭС ] {\displaystyle {\ce {[ES]}}} [ С ] , [ я ] {\displaystyle {\ce {[S], [I]}}} [ Э ] 0 {\displaystyle {\ce {[E]_0}}}

Из уравнения ( 3 ) мы можем определить E через ES , переставив его в

к 1 [ Э ] [ С ] = ( к 1 + к 2 ) [ ЭС ] {\displaystyle k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]=(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}

Деление на дает к 1 [ С ] {\displaystyle k_{1}[{\ce {S}}]}

[ Э ] = ( к 1 + к 2 ) [ ЭС ] к 1 [ С ] {\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}{k_{1}[{\ce {S }}]}}}

Как и при выводе уравнения Михаэлиса–Ментен, этот член можно заменить макроскопической константой скорости : ( к 1 + к 2 ) / к 1 {\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}} К м {\displaystyle K_{м}}

Подставляя уравнение ( 5 ) в уравнение ( 4 ), имеем

0 = к 3 [ я ] К м [ ЭС ] [ С ] к 3 [ ЭИ ] {\displaystyle 0={\frac {k_{3}[{\ce {I}}]K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}-k_{- 3}[{\ce {EI}}]}

Переставляя, мы находим, что

[ ЭИ ] = К м к 3 [ я ] [ ЭС ] к 3 [ С ] {\displaystyle [{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}k_{3}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{k_{-3} [{\ce {S}}]}}}

На этом этапе мы можем определить константу диссоциации для ингибитора как , что дает К я = к 3 / к 3 {\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}

На этом этапе подставим уравнение ( 5 ) и уравнение ( 6 ) в уравнение ( 1 ):

[ Э ] 0 = К м [ ЭС ] [ С ] + [ ЭС ] + К м [ я ] [ ЭС ] К я [ С ] {\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}+[{\ce {ES}}]+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}

Перестроив уравнение для решения ES, находим

[ E ] 0 = [ ES ] ( K m [ S ] + 1 + K m [ I ] K i [ S ] ) = [ ES ] K m K i + K i [ S ] + K m [ I ] K i [ S ] {\displaystyle [{\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}}]}}}

Возвращаясь к нашему выражению для , теперь имеем: V 0 {\displaystyle V_{0}}

V 0 = k 2 [ ES ] = k 2 K i [ S ] [ E ] 0 K m K i + K i [ S ] + K m [ I ] {\displaystyle 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 = k 2 [ E ] 0 [ S ] K m + [ S ] + K m [ I ] K i {\displaystyle V_{0}={\frac {k_{2}[{\ce {E}}]_{0}[{\ce {S}}]}{K_{m}+[{\ce {S}}]+K_{m}{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}}}}

Поскольку скорость максимальна, когда весь фермент связан в виде комплекса фермент-субстрат, . Замена и объединение членов в конечном итоге приводит к общепринятой форме: V max = k 2 [ E ] 0 {\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}

Чтобы вычислить концентрацию конкурентного ингибитора , которая дает долю скорости , где : [ I ] {\displaystyle {\ce {[I]}}} f V 0 {\displaystyle f_{V{_{0}}}} V 0 {\displaystyle V_{0}} 0 < f V 0 < 1 {\displaystyle 0<f_{V{_{0}}}<1}

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ abcd "Типы ингибирования". NIH Center for Translational Therapeutics. Архивировано из оригинала 8 сентября 2011 г. Получено 2 апреля 2012 г.
  2. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). «Функциональный дизайн белков». Молекулярная клеточная биология (4-е изд.).
  3. ^ abcde Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Ферменты могут быть ингибированы определенными молекулами». Биохимия (5-е изд.).
  4. ^ ab Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). «Модель Михаэлиса–Ментен учитывает кинетические свойства многих ферментов». Биохимия (5-е изд.).
  5. ^ Иди СГ (1942). «Ингибирование холинэстеразы физостигмином и простигмином». Журнал биологической химии . 146 : 85–93 . doi : 10.1016/S0021-9258(18)72452-6 .
  6. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Приложение: Vmax и KM можно определить с помощью двойных обратных графиков». Биохимия (5-е изд.).
  7. ^ Ophardt C. "Virtual Chembook". Elmhurst College. Архивировано из оригинала 17 октября 2015 года . Получено 1 сентября 2015 года .
  8. ^ ab "Карта: Биохимия бесплатно и легко (Ахерн и Раджагопал)". Biology LibreTexts . 24 декабря 2014 г. Получено 2 ноября 2017 г.
  9. ^ Flower RJ (март 1974). «Лекарства, которые ингибируют биосинтез простагландинов». Pharmacological Reviews . 26 (1): 33–67 . PMID  4208101.
  10. ^ ab Jiménez M, Chazarra S, Escribano J, Cabanes J, García-Carmona F (август 2001 г.). «Конкурентное ингибирование грибной тирозиназы 4-замещенными бензальдегидами». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 49 (8): 4060– 4063. doi :10.1021/jf010194h. PMID  11513710.
  11. ^ Dick RM (2011). "Глава 2. Фармакодинамика: изучение действия лекарств". В Ouellette R, Joyce JA (ред.). Фармакология для анестезиологии медсестер . Jones & Bartlett Learning. ISBN 978-0-7637-8607-6.
  12. ^ ab Voet D, Voet JG, Pratt CW (29 февраля 2016 г.). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (Пятое изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 9781118918401. OCLC  910538334.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  13. ^ ab Sian J, Youdim MB, Riederer P, Gerlach M (1999). "MPTP-индуцированный паркинсонический синдром". Базовая нейрохимия: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты. 6-е издание .
  14. ^ ab Herraiz T, Guillén H (август 2011 г.). «Ингибирование биоактивации нейротоксина MPTP антиоксидантами, окислительно-восстановительными агентами и ингибиторами моноаминоксидазы». Food and Chemical Toxicology . 49 (8): 1773– 1781. doi : 10.1016/j.fct.2011.04.026. hdl : 10261/63126. PMID  21554916.
  15. ^ "Как работают сульфапрепараты". Национальные институты здравоохранения (NIH) . 15 мая 2015 г. Получено 2 ноября 2017 г.
  16. ^ Поттер В. Р., Дюбуа К. П. (март 1943 г.). «Исследования механизма транспорта водорода в тканях животных». Журнал общей физиологии . 26 (4): 391– 404. doi :10.1085/jgp.26.4.391. PMC 2142566. PMID 19873352  . 
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Competitive_inhibition&oldid=1238888027"