stringtranslate.com

Неконкурентное ингибирование

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

Ингибитор может связываться с ферментом независимо от того, был ли уже связан субстрат или нет, 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 ее друг Питер Рона построили компактную лабораторию в больнице, и в течение пяти лет Михаэлис успешно публиковался более 100 раз. Во время своих исследований в больнице он первым увидел различные типы торможения; в частности, используя фруктозу и глюкозу в качестве ингибиторов мальтазной активности. Мальтаза расщепляет мальтозу на две единицы глюкозы . Результаты этого эксперимента позволили выявить различия между неконкурентным и конкурентным ингибированием . Неконкурентное ингибирование влияет на значение kcat (но не на Km ) на любом данном графике; этот ингибитор связывается с участком, специфичным для определенной молекулы. Михаэлис определил, что когда ингибитор связывается, фермент инактивируется. [2]

Как и многие другие ученые своего времени, Леонор Михаэлис и Мод Ментен работали над реакцией, с помощью которой можно было изменить состав сахарозы и заставить ее лизироваться на два продукта – фруктозу и глюкозу. [2] Фермент, участвующий в этой реакции, называется инвертазой , и это фермент, кинетика которого, по мнению Михаэлиса и Ментен, является революционной для кинетики других ферментов. Выражая скорость изучаемой реакции, они вывели уравнение, которое описывало скорость таким образом, что предполагалось, 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 предвидел механизм, который сейчас принят для кинетики ферментов, но не имел количественных данных, чтобы сделать такое заявление. [4] Виктор Анри внес значительный вклад в кинетику ферментов во время своей докторской диссертации, однако он не заметил важности концентрации ионов водорода и мутаротации глюкозы. Целью диссертации Анри было сравнение его знаний о реакциях, катализируемых ферментами, с общепризнанными 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 торможения, используя шкалу pH, которой не существовало 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 используемый ими фермент имеет некоторое сродство к обоим продуктам этой реакции – фруктозе и глюкозе. [2] [3] Используя методы Анри, Михаэлис и Ментен почти усовершенствовали концепцию метода начальной скорости для стационарных экспериментов. Они изучали ингибирование, когда обнаружили, что неконкурентное (смешанное) ингибирование характеризуется влиянием на k cat (скорость катализатора), тогда как конкурентное характеризуется влиянием на скорость (V). [2] В экспериментах Михаэлиса и Ментена они уделяли особое внимание влиянию инвертазы на pH с использованием ионов водорода. [2] Инвертаза — это фермент, обнаруженный во внеклеточных дрожжах и катализирующий реакции путем гидролиза или превращения сахарозы (смесь сахарозы и фруктозы) в « инвертированный сахар ». Основная причина использования инвертазы заключалась в том, что ее можно было легко анализировать и эксперименты можно было проводить быстрее. Сахароза вращается в поляриметре как правовращающая-D, тогда как инвертный сахар — левовращающая-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 превращается в β-D-глюкозу . [4] Хотя оба они находятся в правовращающей форме, именно здесь они отметили, что глюкоза может изменяться спонтанно, также известное как мутаротация. Неспособность принять это во внимание была одной из главных причин неудачи экспериментов Анри. Используя инвертазу для катализа инверсии сахарозы, они смогли увидеть, насколько быстро фермент реагирует с помощью поляриметрии; поэтому было обнаружено, что неконкурентное ингибирование происходит в реакции, в которой сахароза инвертируется инвертазой. [2]

Терминология

Важно отметить, что хотя все неконкурентные ингибиторы связывают фермент в аллостерических сайтах (т.е. в местах, отличных от его активного центра ), не все ингибиторы, которые связываются в аллостерических сайтах, 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 формулируют определение аллостерического ингибирования как определение неконкурентного ингибирования.

Механизм

Иллюстрация возможного механизма неконкурентного или смешанного торможения.

Неконкурентное ингибирование моделирует систему, в которой ингибитор и субстрат могут быть связаны с ферментом в любой момент времени. Когда и субстрат, и ингибитор связаны, комплекс фермент-субстрат-ингибитор не может образовывать продукт и может только превращаться 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 фермент-субстратному комплексу.

Например, в ферментативно-катализируемых реакциях гликолиза накопление фосфоенола катализируется пируваткиназой с образованием пирувата . Аланин — это аминокислота, которая синтезируется из пирувата и ингибирует фермент пируваткиназу во время гликолиза. Аланин является неконкурентным ингибитором, поэтому он связывается с активным центром с субстратом, чтобы оставаться конечным продуктом. [6]

Другим примером неконкурентного ингибирования является ингибирование глюкозо-6-фосфатной гексокиназы в головном мозге. Углероды 2 и 4 глюкозо-6-фосфата содержат гидроксильные группы, которые вместе с фосфатом при углероде 6 присоединяются к комплексу фермент-ингибитор. Субстрат и фермент различаются по комбинациям групп, 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. Оно отличается от конкурентного ингибирования тем, что связывание ингибитора не предотвращает связывание субстрата и наоборот, а просто предотвращает образование продукта на ограниченное время.

Этот тип ингибирования снижает максимальную скорость химической реакции без изменения кажущегося сродства связывания катализатора с субстратом (K m app - см. Кинетику Михаэлиса-Ментен ). При добавлении неконкурентного ингибитора Vmax изменяется, а Km остается неизменным. Согласно графику Лайнуивера-Берка, Vmax снижается во время добавления неконкурентного ингибитора, что показано на графике изменением как наклона, так и точки пересечения оси y при добавлении неконкурентного ингибитора. [8]

Основное различие между конкурентным и неконкурентным заключается в том, что конкурентное ингибирование влияет на способность субстрата связываться путем связывания ингибитора вместо субстрата, что снижает сродство фермента к субстрату. При неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с аллостерическим участком и предотвращает проведение химической реакции фермент-субстратным комплексом. Это не влияет на Km (сродство) фермента (к субстрату). Неконкурентное ингибирование отличается от неконкурентного ингибирования тем, что оно по-прежнему позволяет субстрату связываться с комплексом фермент-ингибитор и образовывать комплекс фермент-субстрат-ингибитор. Это неверно при неконкурентном ингибировании, оно предотвращает связывание субстрата с ферментом. ингибитор за счет конформационных изменений при аллостерическом связывании.

Уравнение

В присутствии неконкурентного ингибитора кажущееся сродство к ферменту эквивалентно фактическому сродству. С точки зрения кинетики Михаэлиса - Ментена Km app = Km . Это можно рассматривать как следствие принципа Ле Шателье, поскольку ингибитор одинаково связывается как с ферментом, так и с комплексом фермент-субстрат, так что равновесие сохраняется. Однако, поскольку некоторым ферментам всегда препятствуют превращению субстрата в продукт, эффективная концентрация фермента снижается.

Математически,

Пример: неконкурентные ингибиторы фермента CYP2C9.

Неконкурентные ингибиторы фермента CYP2C9 включают нифедипин , транилципромин , фенэтилизотиоцианат и 6-гидроксифлавон. Компьютерное моделирование стыковки и замена сконструированных мутантов показывают, что неконкурентный сайт связывания 6-гидроксифлавона является зарегистрированным аллостерическим сайтом связывания фермента CYP2C9 . [9]

Рекомендации

  1. ^ abcd Стрелоу Дж., Дью В., Иверсен П.В., Брукс Х.Б., Раддинг Дж.А., МакГи Дж., Вайднер Дж. (2004). «Анализ механизма действия ферментов». В Маркосян С., Гроссман А., Бримакомб К., Аркин М., Олд Д., Остин С.П. и др. (ред.). Руководство по проведению анализа. Eli Lilly & Company и Национальный центр развития трансляционных наук. ПМИД  22553872.
  2. ^ abcdefghi Корниш-Боуден А (01 марта 2015 г.). «Сто лет кинетики Михаэлиса – Ментен». Перспективы в науке . Материалы симпозиума Beilstein ESCEC - празднование 100-летия Михаэлиса Ментен-Кинетика. 4 (Приложение С): 3–9. дои : 10.1016/j.pisc.2014.12.002 .
  3. ^ аб Михаэлис Л., Ментен М.М. (сентябрь 2013 г.). «Кинетика действия инвертина. 1913 г.». Письма ФЭБС . 587 (17): 2712–2720. doi :10.1016/j.febslet.2013.07.015. PMID  23867202. S2CID  43226286.
  4. ^ abc Корниш-Боуден А (сентябрь 2013 г.). «Происхождение кинетики ферментов». Письма ФЭБС . Век Михаэлиса - Кинетика Ментена. 587 (17): 2725–2730. дои : 10.1016/j.febslet.2013.06.009 . PMID  23791665. S2CID  12573784.
  5. ^ «Неконкурентное ингибирование и аллостерическое ингибирование». Биология Интернет (форум). Архивировано из оригинала 25 апреля 2015 года . Проверено 2 апреля 2012 г.
  6. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Гликолитический путь жестко контролируется». Биохимия (5-е изд.).
  7. ^ Крейн РК, Солнца А (октябрь 1954 г.). «Неконкурентное ингибирование гексокиназы мозга глюкозо-6-фосфатом и родственными соединениями» (PDF) . Журнал биологической химии . 210 (2): 597–606. дои : 10.1016/S0021-9258(18)65385-2 . ПМИД  13211596.
  8. ^ Уолдроп Г.Л. (январь 2009 г.). «Качественный подход к ингибированию ферментов». Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 37 (1): 11–5. дои : 10.1002/bmb.20243. PMID  21567682. S2CID  205518237.
  9. ^ Си Д, Ван Ю, Чжоу Ю, Го Ю, Ван Дж, Чжоу Х и др. (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. дои : 10.1124/dmd.108.023416. PMID  19074529. S2CID  285706.