Конкурентное ингибирование

Прерывание химического пути

Этанол ( С
₂ЧАС
₅OH ) служит конкурентным ингибитором метанола ( CH
₃OH ) 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] ${\displaystyle V_{\max }}$ ${\displaystyle K_{d}}$ ${\displaystyle K_{m}}$ ${\displaystyle K_{d}}$ ${\displaystyle K_{m}}$

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 ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$ ${\displaystyle V_{0}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max }\,[S]}{K_{m}^{\text{app}}+[S]}}}$

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

${\displaystyle V_{\max }}$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. ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$ ${\displaystyle V_{\max }/2}$ ${\displaystyle V_{\max }}$ ${\displaystyle V_{\max }}$

Вывод

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

${\displaystyle {\ce {E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P}}}$

модифицирован, чтобы включить связывание ингибитора со свободным ферментом:

${\displaystyle {\ce {EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I}}}$

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.

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

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. ${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

Поэтому мы можем составить систему уравнений:

где и известны. Начальная скорость определяется как , поэтому нам нужно определить неизвестное через известные и . ${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$ ${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$ ${\displaystyle V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]}$ ${\displaystyle {\ce {[ES]}}}$ ${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$ ${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$

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

${\displaystyle k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]=(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}$

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

${\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}{k_{1}[{\ce {S}}]}}}$

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

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

${\displaystyle 0={\frac {k_{3}[{\ce {I}}]K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}-k_{-3}[{\ce {EI}}]}$

Переставляя, мы находим, что

${\displaystyle [{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}k_{3}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{k_{-3}[{\ce {S}}]}}}$

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

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

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}+[{\ce {ES}}]+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

Перестроив уравнение для решения ES, находим

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {ES}}]\left({\frac {K_{m}}{\ce {[S]}}}+1+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}\right)=[{\ce {ES}}]{\frac {K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

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

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

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

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

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

Смотрите также

• Регрессия Шильда для ингибирования рецептора лиганда
• Неконкурентное ингибирование

Примечания и ссылки

1. "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. Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Ферменты могут быть ингибированы определенными молекулами». Биохимия (5-е изд.).
4. 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. "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. 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. 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. Sian J, Youdim MB, Riederer P, Gerlach M (1999). "MPTP-индуцированный паркинсонический синдром". Базовая нейрохимия: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты. 6-е издание .
14. 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  .