Конкурентное ингибирование

Прерывание химического пути

Этанол ( C
₂ЧАС
₅OH ) служит конкурентным ингибитором метанола ( CH
₃OH ) и этиленгликоль ( (CH ₂ OH) ₂ ) для фермента алкогольдегидрогеназы в печени , когда они присутствуют в больших количествах. По этой причине этанол иногда используется как средство лечения или предотвращения токсичности после случайного проглатывания этих химикатов.

Конкурентное ингибирование — это прерывание химического пути из-за того, что одно химическое вещество ингибирует действие другого, конкурируя с ним за связывание или связывание . Этот принцип потенциально может повлиять на любую метаболическую или химическую информационную систему, но в биохимии и медицине особенно важны несколько классов конкурентного ингибирования , включая конкурентную форму ингибирования ферментов , конкурентную форму антагонизма рецепторов , конкурентную форму антиметаболитной активности, и конкурентная форма отравления (которая может включать любой из перечисленных видов).

Тип ингибирования ферментов

При конкурентном ингибировании ферментативного катализа связывание ингибитора предотвращает связывание целевой молекулы фермента, также известной как субстрат. ^[1] Это достигается путем блокировки каким-либо образом сайта связывания субстрата – активного сайта. V _max указывает максимальную скорость реакции, а K _m представляет собой количество субстрата, необходимое для достижения половины V _max . K _m также играет роль в определении склонности субстрата связывать фермент. ^[2] Конкурентное ингибирование можно преодолеть, добавляя в реакцию больше субстрата, 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 ферментов, таких как график Михаэлиса-Ментен или график Лайнуивера-Бёрка . Как только ингибитор связывается с ферментом, наклон будет изменен, поскольку K _m либо увеличивается, либо уменьшается по сравнению с исходным K _m реакции. ^{[4] [5] [6]}

Большинство конкурентных ингибиторов действуют путем обратимого связывания с активным центром фермента. ^[1] В результате многие источники утверждают, что это определяющая особенность конкурентных ингибиторов. ^[7] Однако это ошибочное упрощение , поскольку существует множество возможных механизмов, с помощью которых фермент может связывать либо ингибитор, либо субстрат, но никогда то и другое одновременно. ^[1] Например, аллостерические ингибиторы могут проявлять конкурентное, неконкурентное или неконкурентное ингибирование. ^[1]

Механизм

Диаграмма, показывающая конкурентное ингибирование

При конкурентном ингибировании ингибитор, напоминающий нормальный субстрат, связывается с ферментом, обычно в активном центре , и предотвращает связывание субстрата. ^[8] В любой момент фермент может быть связан с ингибитором, субстратом или ни с тем, ни с другим, но он не может связываться с ними обоими одновременно. Во время конкурентного ингибирования ингибитор и субстрат конкурируют за активный центр. Активный центр — это область фермента, с которой может связываться определенный белок или субстрат. Таким образом, активный сайт позволит только одному из двух комплексов связываться с сайтом, либо позволяя протекать реакции, либо вызывая ее. При конкурентном ингибировании ингибитор напоминает субстрат, занимая его место и связываясь с активным центром фермента. Увеличение концентрации субстрата уменьшит «конкуренцию» за правильное связывание субстрата с активным центром и позволит протекать реакции. ^[3] Когда концентрация субстрата превышает концентрацию конкурентного ингибитора, более вероятно, что субстрат вступит в контакт с активным центром фермента, чем с ингибитором.

Конкурентные ингибиторы обычно используются для производства фармацевтических препаратов. ^[3] Например, метотрексат — химиотерапевтический препарат, который действует как конкурентный ингибитор. Он структурно похож на кофермент фолат , который связывается с ферментом дигидрофолатредуктазой . ^[3] Этот фермент участвует в синтезе ДНК и РНК, и когда метотрексат связывает фермент, 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: простагландин вырабатывается в больших количествах в ответ на боль и может вызвать воспаление. Незаменимые жирные кислоты образуют простагландины; когда это было обнаружено, оказалось, что на самом деле это очень хорошие ингибиторы простагландинов. Эти ингибиторы жирных кислот использовались в качестве лекарств для облегчения боли, поскольку они могут действовать как субстрат, связываться с ферментом и блокировать простагландины. ^[9]

Примером конкурентного подавления, не связанного с лекарствами, является предотвращение потемнения фруктов и овощей. Например, тирозиназа , фермент грибов, обычно связывается с субстратом, монофенолами , и образует коричневые о-хиноны. ^[10] Конкурентные субстраты, такие как 4-замещенные бензальдегиды грибов, конкурируют с субстратом, снижая количество связывающихся монофенолов. Эти ингибирующие соединения, добавляемые в продукт, сохраняют его свежесть в течение более длительного периода времени, уменьшая связывание монофенолов, вызывающих потемнение. ^[10] Это позволяет повысить качество продукции, а также срок ее хранения.

Конкурентное ингибирование может быть обратимым и необратимым. Если это обратимое ингибирование , то действие ингибитора можно преодолеть за счет увеличения концентрации субстрата. ^[8] Если это необратимо, единственный способ преодолеть это — производить больше мишени (и, как правило, разрушать и/или выводить из организма необратимо ингибированную мишень).

Практически в каждом случае конкурентные ингибиторы связываются в том же сайте связывания (активном сайте), что и субстрат, но связывание в том же сайте не является обязательным. Конкурентный ингибитор может связываться с аллостерическим сайтом свободного фермента и предотвращать связывание субстрата, если он не связывается с аллостерическим сайтом при связывании субстрата. Например, стрихнин действует как аллостерический ингибитор глициновых рецепторов в спинном мозге и стволе головного мозга млекопитающих. Глицин является основным постсинаптическим тормозным нейромедиатором со специфическим рецепторным участком. Стрихнин связывается с альтернативным сайтом, который снижает сродство глицинового рецептора к глицину, что приводит к судорогам из-за уменьшения ингибирования глицином. ^[11]

При конкурентном ингибировании максимальная скорость ( ) реакции не изменяется, а кажущееся сродство субстрата к месту связывания снижается ( константа диссоциации, по-видимому, увеличивается). Изменение ( константы Михаэлиса-Ментен ) параллельно изменению , поскольку одно увеличивается, другое должно уменьшаться. Когда конкурентный ингибитор связывается с ферментом, этот показатель увеличивается. Это означает, что аффинность связывания фермента снижается, но ее можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата. ^[12] Любую данную концентрацию конкурентного ингибитора можно преодолеть за счет увеличения концентрации субстрата. В этом случае субстрат уменьшит доступность ингибитора для связывания и, таким образом, вытеснит ингибитор при 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 загрязненного опиоидного препарата десметилпродина был обнаружен нейротоксический эффект 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина ( МФТП ) . МФТП способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и проникать в кислые лизосомы . ^[13] МФТП биологически активируется МАО-В, изоферментом моноаминоксидазы (МАО), который в основном концентрируется при неврологических расстройствах и заболеваниях. ^[14] Позже было обнаружено, что MPTP вызывает симптомы, сходные с симптомами болезни Паркинсона . Клетки центральной нервной системы (астроциты) содержат МАО-В, который окисляет МФТП до 1-метил-4-фенилпиридиния (МФП+), который является токсичным. ^[13] MPP+ в конечном итоге попадает во внеклеточную жидкость с помощью переносчика дофамина , что в конечном итоге вызывает симптомы болезни Паркинсона. Однако конкурентное ингибирование фермента МАО-В или переносчика дофамина защищает от окисления MPTP до MPP+. Несколько соединений были протестированы на способность ингибировать окисление MPTP до MPP+, включая метиленовый синий , 5-нитроиндазол, норхарман , 9-метилнорхарман и менадион . ^[14] Они продемонстрировали снижение нейротоксичности, вызываемой MPTP.

График Михаэлиса-Ментен зависимости скорости реакции (v) от концентрации субстрата [S] при 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 характеристика графика Михаэлиса-Ментен, обратная скорость (1/V) по сравнению с обратной величиной концентрации субстрата (1/[S]) нормальной активности фермента (синий) по сравнению с активностью фермента при конкурентный ингибитор (красный). Добавление конкурентного ингибитора к ферментативной реакции увеличивает K _m реакции, но V _max остается прежним.

Сульфамидные препараты также действуют как конкурентные ингибиторы. 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, важного питательного вещества. Бактерии должны синтезировать фолиевую кислоту, поскольку у них нет ее переносчика. Без фолиевой кислоты бактерии не могут расти и делиться. Таким образом, благодаря конкурентному ингибированию сульфаниламидных препаратов они являются отличными антибактериальными средствами. Пример конкурентного ингибирования был продемонстрирован экспериментально для фермента сукцинатдегидрогеназы, катализирующего окисление сукцината до фумарата в цикле Кребса . Малонат является конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы. Связывание сукцинатдегидрогеназы с субстратом сукцинатом конкурентно ингибируется. Это происходит потому, что по химическому составу малонат похож на сукцинат. Способность малоната ингибировать связывание фермента и субстрата основана на соотношении малоната и сукцината. Малонат связывается с активным центром сукцинатдегидрогеназы, а сукцинат не может. Таким образом, он подавляет реакцию. ^[16]

Другой возможный механизм аллостерического конкурентного ингибирования.

Уравнение

Модель Михаэлиса-Ментена может стать бесценным инструментом для понимания кинетики ферментов. Согласно этой модели, график скорости реакции (V ₀ ), связанной с концентрацией [S] субстрата, затем можно использовать для определения таких значений, как V _max , начальная скорость и K _m (V _max /2 или сродство фермент-субстратный комплекс). ^[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 можно преодолеть за счет более высоких концентраций субстрата. , концентрация субстрата, необходимая для достижения , увеличивается с присутствием конкурентного ингибитора. Это связано с тем, что концентрация субстрата, которую необходимо достичь с помощью ингибитора, превышает концентрацию субстрата, которую необходимо достичь 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

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

модифицируется для включения связывания 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 сайте, но это не является строго необходимым. Как и при выводе уравнения Михаэлиса-Ментен, предположим, что система находится в стационарном состоянии, т. е. концентрация каждого вида ферментов не меняется.

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

Кроме того, известна общая концентрация фермента , а скорость измеряется в условиях, когда концентрации субстрата и ингибитора существенно не изменяются и накапливается незначительное количество продукта. ${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

Таким образом, мы можем составить систему уравнений:

откуда 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 : ${\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}}$ ${\displaystyle K_{m}}$

Подставив уравнение ( 5 ) в уравнение ( 4 ), получим

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

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 ингибитора как , что дает ${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}$

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

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

Переставляя решение для 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 , мы 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 фермент-субстратного комплекса, . Замена и объединение терминов в конечном итоге дает традиционную форму: ${\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}$

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

Примечания и ссылки

1. «Типы торможения». Центр трансляционной терапии НИЗ. Архивировано из оригинала 8 сентября 2011 года . Проверено 2 апреля 2012 г.
2. Лодиш Х., Берк А., Зипурски С.Л., Мацудайра П., Балтимор Д., Дарнелл Дж. (2000). «Функциональный дизайн белков». Молекулярно-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. Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Модель Михаэлиса-Ментен объясняет кинетические свойства многих ферментов». Биохимия (5-е изд.).
5. Иди С.Г. (1942). «Ингибирование холинэстеразы физостигмином и простигмином». Журнал биологической химии . 146 : 85–93. дои : 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 графиков двойной взаимности». Биохимия (5-е изд.).
7. Офардт К. «Виртуальная химическая книга». Элмхерстский колледж. Архивировано из оригинала 17 октября 2015 года . Проверено 1 сентября 2015 г.
8. «Карта: биохимия бесплатно и легко (Ахерн и Раджагопал)» . Свободные тексты по биологии . 24 декабря 2014 года . Проверено 2 ноября 2017 г.
9. Flower RJ (март 1974 г.). «Препараты, ингибирующие биосинтез простагландинов». Фармакологические обзоры . 26 (1): 33–67. ПМИД  4208101.
10. Хименес М., Часарра С., Эскрибано Дж., Кабанес Дж., Гарсиа-Кармона Ф. (август 2001 г.). «Конкурентное ингибирование грибной тирозиназы 4-замещенными бензальдегидами». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 49 (8): 4060–4063. дои : 10.1021/jf010194h. ПМИД  11513710.
11. Дик РМ (2011). «Глава 2. Фармакодинамика: изучение действия лекарств». В Уэллетте Р., Джойс Дж. А. (ред.). Фармакология для медсестры-анестезиолога . Джонс и Бартлетт Обучение. ISBN 978-0-7637-8607-6.
12. Voet D, Voet JG, Пратт CW (29 февраля 2016 г.). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (Пятое изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 9781118918401. ОКЛК  910538334.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
13. Сиан Дж, Юдим МБ, Ридерер П, Герлах М (1999). «Синдром Паркинсона, индуцированный MPTP». Базовая нейрохимия: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты. 6-е издание .
14. Херраис Т, Гильен Х (август 2011 г.). «Ингибирование биоактивации нейротоксина МФТП антиоксидантами, окислительно-восстановительными агентами и ингибиторами моноаминоксидазы». Пищевая и химическая токсикология . 49 (8): 1773–1781. дои : 10.1016/j.fct.2011.04.026. hdl : 10261/63126. ПМИД  21554916.
15. «Как действуют сульфамидные препараты». Национальные институты здравоохранения (NIH) . 15 мая 2015 года . Проверено 2 ноября 2017 г.
16. Поттер В.Р., Дюбуа К.П. (март 1943 г.). «Исследование механизма транспорта водорода в тканях животных». Журнал общей физиологии . 26 (4): 391–404. дои : 10.1085/jgp.26.4.391. ПМК 2142566 . ПМИД  19873352. 

Смотрите также

• Регрессия Шильда для ингибирования лигандных рецепторов
• Неконкурентное ингибирование