stringtranslate.com

Неконкурентное ингибирование

Неконкурентное ингибирование — это тип ингибирования фермента , при котором ингибитор снижает активность фермента и связывается с ферментом одинаково хорошо, независимо от того, связал ли он уже субстрат или нет. [1] Это отличается от конкурентного ингибирования , при котором сродство связывания субстрата с ферментом снижается в присутствии ингибитора.

Ингибитор может связываться с ферментом независимо от того, связан ли уже субстрат, но если он имеет более высокое сродство к связыванию фермента в том или ином состоянии, его называют смешанным ингибитором . [1]

История

За годы работы врачом Леонор Михаэлис и его друг Питер Рона построили в больнице компактную лабораторию, и в течение пяти лет Михаэлис успешно опубликовал более 100 работ. Во время своих исследований в больнице он первым рассмотрел различные типы ингибирования; в частности, используя фруктозу и глюкозу в качестве ингибиторов активности мальтазы . Мальтаза расщепляет мальтозу на две единицы глюкозы . Результаты этого эксперимента позволили разделить неконкурентное и конкурентное ингибирование . Неконкурентное ингибирование влияет на значение k cat (но не на K m ) на любом заданном графике; этот ингибитор связывается с сайтом, который имеет специфичность для определенной молекулы. Михаэлис определил, что при связывании ингибитора фермент становится инактивированным. [2]

Как и многие другие ученые своего времени, Леонор Михаэлис и Мод Ментен работали над реакцией, которая использовалась для изменения состава сахарозы и лизирования ее на два продукта – фруктозу и глюкозу. [2] Фермент, участвующий в этой реакции, называется инвертазой , и это фермент, кинетика которого была поддержана Михаэлисом и Ментен как революционная для кинетики других ферментов. Выражая скорость изучаемой реакции, они вывели уравнение, которое описывало скорость таким образом, что предполагало, что она в основном зависит от концентрации фермента, а также от присутствия субстрата, но только в определенной степени. [2] [3]

Адриан Джон Браун и Виктор Анри заложили основу для открытий в кинетике ферментов, которыми известны Михаэлис и Ментен. [4] Браун теоретически представил себе механизм, который сейчас принят для кинетики ферментов, но у него не было количественных данных, чтобы сделать заявление. [4] Виктор Анри внес значительный вклад в кинетику ферментов во время своей докторской диссертации, однако он не отметил важность концентрации ионов водорода и мутаротации глюкозы. Целью диссертации Анри было сравнить его знания о реакциях, катализируемых ферментами, с признанными законами физической химии. [2] Анри приписывают то, что он был первым, кто написал уравнение, которое теперь известно как уравнение Михаэлиса-Ментен. Используя глюкозу и фруктозу в каталитических реакциях, контролируемых мальтазой и инвертазой, Леонор Михаэлис была первым ученым, который различал различные типы ингибирования, используя шкалу pH, которая не существовала во времена Анри. [2]

В частности, во время работы над описанием скорости этой реакции они также проверили и экстраполировали идею другого ученого, Виктора Анри , о том, что фермент, который они использовали, имел некоторое сродство к обоим продуктам этой реакции — фруктозе и глюкозе. [2] [3] Используя методы Анри, Михаэлис и Ментен почти усовершенствовали эту концепцию метода начальной скорости для экспериментов в стационарном состоянии. Они изучали ингибирование, когда обнаружили, что неконкурентное (смешанное) ингибирование характеризуется его влиянием на k cat (скорость катализатора), тогда как конкурентное характеризуется его влиянием на скорость (V). [2] В экспериментах Михаэлиса и Ментен они в значительной степени сосредоточились на эффектах pH инвертазы с использованием ионов водорода. [2] Инвертаза — это фермент, обнаруженный во внеклеточных дрожжах и катализирующий реакции путем гидролиза или инвертирования сахарозы (смеси сахарозы и фруктозы) в « инвертный сахар ». Основной причиной использования инвертазы было то, что ее можно было легко анализировать, а эксперименты можно было проводить быстрее. Сахароза вращается в поляриметре как правовращающий-D, тогда как инвертный сахар является левовращающим-L . Это сделало отслеживание инверсии сахара относительно простым. Они также обнаружили, что α-D-глюкоза высвобождается в реакциях, катализируемых инвертазой, которая очень нестабильна и спонтанно изменяется в β-D-глюкозу . [4] Хотя они оба находятся в правовращающей форме, именно здесь они отметили, что глюкоза может изменяться спонтанно, что также известно как мутаротация. Непринятие этого во внимание было одной из главных причин, по которым эксперименты Анри не увенчались успехом. Используя инвертазу для катализа инверсии сахарозы, они могли видеть, как быстро реагирует фермент с помощью поляриметрии; поэтому было обнаружено, что неконкурентное ингибирование происходит в реакции, где сахароза инвертировалась инвертазой. [2]

Терминология

Важно отметить, что хотя все неконкурентные ингибиторы связывают фермент в аллостерических участках (т.е. местах, отличных от его активного участка ), не все ингибиторы, которые связываются в аллостерических участках, являются неконкурентными ингибиторами. [1] Фактически, аллостерические ингибиторы могут действовать как конкурентные , неконкурентные или неконкурентные ингибиторы. [1]

Многие источники продолжают смешивать эти два термина [5] или выдают определение аллостерического ингибирования за определение неконкурентного ингибирования.

Механизм

Иллюстрация возможного механизма неконкурентного или смешанного ингибирования.

Неконкурентное ингибирование моделирует систему, в которой ингибитор и субстрат могут быть оба связаны с ферментом в любой момент времени. Когда и субстрат, и ингибитор связаны, комплекс фермент-субстрат-ингибитор не может образовывать продукт и может быть преобразован только обратно в комплекс фермент-субстрат или комплекс фермент-ингибитор. Неконкурентное ингибирование отличается от общего смешанного ингибирования тем, что ингибитор имеет одинаковое сродство к ферменту и комплексу фермент-субстрат.

Например, в ферментативно-катализируемых реакциях гликолиза накопление фосфоенола катализируется пируваткиназой в пируват . Аланин — это аминокислота, которая синтезируется из пирувата, также ингибирует фермент пируваткиназу во время гликолиза. Аланин — неконкурентный ингибитор, поэтому он связывается с субстратом вдали от активного центра, чтобы он все еще оставался конечным продуктом. [6]

Другой пример неконкурентного ингибирования — ингибирование гексокиназы глюкозо-6-фосфатом в мозге. Углероды 2 и 4 глюкозо-6-фосфата содержат гидроксильные группы, которые присоединяются вместе с фосфатом на углероде 6 к комплексу фермент-ингибитор. Субстрат и фермент различаются по своим групповым комбинациям, к которым присоединяется ингибитор. Способность глюкозо-6-фосфата связываться в разных местах одновременно делает его неконкурентным ингибитором. [7]

Наиболее распространенный механизм неконкурентного ингибирования включает обратимое связывание ингибитора с аллостерическим сайтом , но ингибитор может действовать и другими способами, включая прямое связывание с активным сайтом. Он отличается от конкурентного ингибирования тем, что связывание ингибитора не предотвращает связывание субстрата, и наоборот, а просто предотвращает образование продукта в течение ограниченного времени.

Этот тип ингибирования снижает максимальную скорость химической реакции , не изменяя кажущуюся связывающую способность катализатора для субстрата (K m app – см. кинетику Михаэлиса-Ментен ). При добавлении неконкурентного ингибитора изменяется V max, в то время как K m остается неизменным. Согласно графику Лайнуивера-Берка, V max уменьшается во время добавления неконкурентного ингибитора, что показано на графике изменением как наклона, так и y-пересечения при добавлении неконкурентного ингибитора. [8]

Основное различие между конкурентным и неконкурентным ингибированием заключается в том, что конкурентное ингибирование влияет на способность субстрата связываться, связывая ингибитор вместо субстрата, что снижает сродство фермента к субстрату. При неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с аллостерическим сайтом и не позволяет комплексу фермент-субстрат вступать в химическую реакцию. Это не влияет на Km (сродство) фермента (к субстрату). Неконкурентное ингибирование отличается от неконкурентного тем, что оно по-прежнему позволяет субстрату связываться с комплексом фермент-ингибитор и образовывать комплекс фермент-субстрат-ингибитор, в случае неконкурентного ингибирования это не так, оно не позволяет субстрату связываться с ингибитором фермента посредством конформационного изменения при аллостерическом связывании.

Уравнение

В присутствии неконкурентного ингибитора кажущееся сродство фермента эквивалентно фактическому сродству. В терминах кинетики Михаэлиса-Ментен , K m app = K m . Это можно рассматривать как следствие принципа Ле Шателье , поскольку ингибитор связывается как с ферментом, так и с комплексом фермент-субстрат в равной степени, так что равновесие сохраняется. Однако, поскольку какой-то фермент всегда ингибируется от превращения субстрата в продукт, эффективная концентрация фермента снижается.

Математически,

Пример: неконкурентные ингибиторы фермента CYP2C9

Неконкурентные ингибиторы фермента CYP2C9 включают нифедипин , транилципромин , фенетилизотиоцианат и 6-гидроксифлавон. Компьютерное моделирование стыковки и сконструированные мутанты с заменой указывают на то, что неконкурентный сайт связывания 6-гидроксифлавона является сообщенным аллостерическим сайтом связывания фермента CYP2C9 . [9]

Ссылки

  1. ^ abcd Strelow J, Dewe W, Iversen PW, Brooks HB, Radding JA, McGee J, Weidner J (2004). «Механизмы действия анализов для ферментов». В Markossian S, Grossman A, Brimacombe K, Arkin M, Auld D, Austin CP, et al. (ред.). Руководство по анализу. Eli Lilly & Company и Национальный центр развития трансляционных наук. PMID  22553872.
  2. ^ abcdefghi Корниш-Боуден А (2015-03-01). "Сто лет кинетики Михаэлиса–Ментен". Перспективы в науке . Труды симпозиума Beilstein ESCEC — празднование 100-летия кинетики Михаэлиса–Ментен. 4 (Приложение C): 3–9. doi : 10.1016/j.pisc.2014.12.002 .
  3. ^ ab Michaelis L, Menten MM (сентябрь 2013 г.). «Кинетика действия инвертина. 1913». FEBS Letters . 587 (17): 2712–2720. doi :10.1016/j.febslet.2013.07.015. PMID  23867202. S2CID  43226286.
  4. ^ abc Cornish-Bowden A (сентябрь 2013 г.). «Истоки ферментативной кинетики». FEBS Letters . Столетие кинетики Михаэлиса-Ментен. 587 (17): 2725–2730. doi : 10.1016/j.febslet.2013.06.009 . PMID  23791665. S2CID  12573784.
  5. ^ "Неконкурентное ингибирование и аллостерическое ингибирование". Biology Online (форум). Архивировано из оригинала 25 апреля 2015 г. Получено 2 апреля 2012 г.
  6. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Гликолитический путь строго контролируется». Биохимия (5-е изд.).
  7. ^ Crane RK, Sols A (октябрь 1954 г.). «Неконкурентное ингибирование мозговой гексокиназы глюкозо-6-фосфатом и родственными соединениями» (PDF) . Журнал биологической химии . 210 (2): 597–606. doi : 10.1016/S0021-9258(18)65385-2 . PMID  13211596.
  8. ^ Waldrop GL (январь 2009). «Качественный подход к ингибированию ферментов». Biochemistry and Molecular Biology Education . 37 (1): 11–5. doi :10.1002/bmb.20243. PMID  21567682. S2CID  205518237.
  9. ^ Si D, Wang Y, Zhou YH, Guo Y, Wang J, Zhou H, et al. (март 2009 г.). «Механизм ингибирования CYP2C9 флавонами и флавонолами» (PDF) . Метаболизм и распределение лекарств . 37 (3). Американское общество фармакологии и экспериментальной терапии (ASPET): 629–634. doi :10.1124/dmd.108.023416. PMID  19074529. S2CID  285706.