Неконкурентное ингибирование

Неконкурентное ингибирование (которое Лайдлер и Бантинг предпочитали называть антиконкурентным ингибированием [ ^1], но этот термин не получил широкого распространения) — это тип ингибирования, при котором кажущиеся значения параметров Михаэлиса–Ментен и уменьшаются в одинаковой пропорции. ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$

Его можно распознать по двум наблюдениям: во-первых, его нельзя обратить вспять, увеличив концентрацию субстрата , и, во-вторых, линейные графики показывают эффекты на и , которые можно увидеть, например, на графике Лайнуивера–Берка как параллельные, а не пересекающиеся линии. Иногда это объясняется предположением, что ингибитор может связываться с комплексом фермент-субстрат, но не со свободным ферментом. Этот тип механизма встречается довольно редко, ^[2] и на практике неконкурентное ингибирование в основном встречается как предельный случай ингибирования в двухсубстратных реакциях, в которых концентрация одного субстрата варьируется, а другого поддерживается постоянной на уровне насыщения. ^{[3] [4]} ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$

Математическое определение

График Лайнуивера–Берка неконкурентного ингибирования ферментов.

При неконкурентном ингибировании при концентрации ингибитора уравнение Михаэлиса–Ментен принимает следующий вид: ^[4] ${\displaystyle i}$

${\displaystyle v={\frac {Va}{K_{\mathrm {m} }+a(1+i/K_{\mathrm {iu} })}}}$

где — скорость при концентрациях субстрата и ингибитора, для предельной скорости — константа Михаэлиса и константа неконкурентного ингибирования . ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {iu} }}$

Это имеет в точности форму уравнения Михаэлиса–Ментен, как можно увидеть, записав его в терминах кажущихся кинетических констант:

${\displaystyle v={\frac {V^{\mathrm {app} }a}{K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }+a}}}$

в котором ${\displaystyle V^{\mathrm {app} }={\frac {V}{1+i/K_{\mathrm {iu} }}}{\text{ and }}K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }={\frac {K_{\mathrm {m} }}{1+i/K_{\mathrm {iu} }}}}$

Важно отметить, что и уменьшаются в тех же пропорциях в результате ингибирования. ${\displaystyle V^{\mathrm {app} }}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }}$

Это становится очевидным при просмотре графика Лайнуивера-Берка неконкурентного ингибирования фермента: соотношение между V и K _m остается неизменным как при наличии ингибитора, так и при его отсутствии.

Это можно увидеть в любом из распространенных способов построения графика данных Михаэлиса-Ментен, например, в графике Лайнуивера-Берка , где для неконкурентного ингибирования получается линия, параллельная исходному графику фермент-субстрат, но с более высоким пересечением на оси ординат : ^{[5] [6]}

${\displaystyle {\frac {1}{v}}={\frac {K_{\mathrm {m} }}{Va}}+{\frac {1+i/K_{\mathrm {iu} }}{V}}}$

Последствия и применение в биологических системах

Уникальные черты неконкурентного ингибирования приводят к различным последствиям для эффектов ингибирования в биологических и биохимических системах. Неконкурентное ингибирование присутствует в биологических системах несколькими способами. Фактически, часто становится ясно, что черты ингибирования, характерные для неконкурентных ингибиторов, такие как их тенденция действовать наилучшим образом при высоких концентрациях субстрата, необходимы для правильной работы некоторых важных функций организма. ^[7]

Участие в механизмах развития рака

Неконкурентные механизмы вовлечены в определенные типы рака. Было обнаружено, что некоторые человеческие щелочные фосфатазы сверхэкспрессируются в определенных типах рака, и эти фосфатазы часто действуют посредством неконкурентного ингибирования. Также было обнаружено, что ряд генов, кодирующих человеческие щелочные фосфатазы, неконкурентно ингибируются аминокислотами, такими как лейцин и фенилаланин . ^[8] Исследования вовлеченных аминокислотных остатков были предприняты в попытках регулировать активность щелочной фосфатазы и узнать больше о связи этой активности с раком. ^[9]

Кроме того, неконкурентное ингибирование работает вместе с белком 53, связанным с трансформацией , чтобы помочь подавить активность раковых клеток и предотвратить возникновение опухолей при определенных формах заболевания, поскольку он ингибирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу , фермент пентозофосфатного пути ). Одна из побочных ролей, за которую отвечает этот фермент, заключается в помощи в регулировании - это контроль уровней реактивного кислорода, поскольку реактивные формы кислорода должны поддерживаться на надлежащих уровнях, чтобы позволить клеткам выживать. Когда концентрация глюкозо-6-фосфата , субстрата фермента, высока, неконкурентное ингибирование фермента становится гораздо более эффективным. ^[10] Эта чрезвычайная чувствительность к концентрации субстрата в механизме рака подразумевает неконкурентное ингибирование, а не смешанное ингибирование, которое демонстрирует схожие черты, но часто менее чувствительно к концентрации субстрата из-за связывания некоторого ингибитора со свободными ферментами независимо от присутствия субстрата. ^[7] Таким образом, чрезвычайная сила неконкурентных ингибиторов при высоких концентрациях субстрата и общая чувствительность к количеству субстрата указывают на то, что только неконкурентное ингибирование может сделать этот тип процесса возможным.

Значение в мембранах клеток и органелл

Хотя неконкурентное ингибирование присутствует при различных заболеваниях в биологических системах, оно не обязательно относится только к патологиям. Оно может быть вовлечено в типичные функции организма. Например, активные центры, способные к неконкурентному ингибированию, по-видимому, присутствуют в мембранах, поскольку удаление липидов из клеточных мембран и обеспечение большей доступности активных центров посредством конформационных изменений, как было показано, вызывает элементы, напоминающие эффекты неконкурентного ингибирования (то есть как и уменьшение). В частности, в липидах митохондриальной мембраны удаление липидов снижает содержание α-спирали в митохондриях и приводит к изменениям в АТФазе, напоминающим неконкурентное ингибирование. ^[11] ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {m} }}$

Это присутствие неконкурентных ферментов в мембранах также было подтверждено в ряде других исследований. Например, в исследованиях фактора рибозилирования белка АДФ , который участвует в регуляции активности мембраны, было обнаружено, что брефельдин А , лактонный противовирусный препарат, захватил один из промежуточных продуктов белка посредством неконкурентного ингибирования. Это прояснило, что этот тип ингибирования существует в различных типах клеток и органелл, а не только в патологических клетках. Фактически, было обнаружено, что брефельдин А связан с активностью аппарата Гольджи и его ролью в регуляции движения через клеточную мембрану. ^[12]

Наличие в мозжечковом зернистом слое

Мемантин

Ингибированный N -метил- D -аспартат глутаматный рецептор. Субстрат связан, а активный сайт блокирован (красным) ингибитором.

Неконкурентное торможение может играть роль и в других частях тела. Это часть механизма, посредством которого N -метил- D -аспартат глутамата рецепторы ингибируются в мозге, например. В частности, этот тип торможения влияет на гранулярные клетки, которые составляют слой мозжечка. Эти клетки имеют упомянутые рецепторы, и их активность обычно увеличивается по мере потребления этанола. Это часто приводит к симптомам отмены, если этанол удаляется. Различные неконкурентные блокаторы действуют как антагонисты на рецепторах и изменяют процесс, одним из примеров является ингибитор мемантин . ^[13] Фактически, в подобных случаях (включая сверхэкспрессию N -метил- D -аспартат глутамата рецепторов, хотя и не обязательно через этанол), неконкурентное торможение помогает свести на нет сверхэкспрессию из-за его особых свойств. Поскольку неконкурентные ингибиторы очень эффективно блокируют высокие концентрации субстратов, их свойства наряду с врожденными характеристиками самих рецепторов приводят к очень эффективному блокированию каналов N -метил- D -аспартат-глутамат, когда они чрезмерно открыты из-за огромного количества агонистов. ^[14]

Примеры неконкурентного ингибирования

Исследования ингибиторов HSD17B13 на основе фенола указывают на неконкурентный способ ингибирования NAD ⁺ . ^[15]

Ссылки

1. Laidler, Keith J.; Bunting, Peter S. (1973). Химическая кинетика действия ферментов . Clarendon Press, Oxford.
2. Корниш-Боуден, А. (1986). «Почему неконкурентное ингибирование встречается так редко? Возможное объяснение, имеющее значение для разработки лекарств и пестицидов». FEBS Lett . 203 (1): 3–6. doi :10.1016/0014-5793(86)81424-7.
3. Cleland, WW "Кинетика ферментативно-катализируемых реакций с двумя или более субстратами или продуктами: II. Ингибирование: Номенклатура и теория". Biochim. Biophys. Acta . 67 (2): 173–187. doi :10.1016/0926-6569(63)90226-8.
4. Cornish-Bowden, Athel (2012). Основы кинетики ферментов (4-е изд.). Wiley-Blackwell, Weinheim. стр. 25–75. ISBN 978-3-527-33074-4.
5. Rhodes D. "Кинетика фермента - один субстрат, неконкурентное ингибирование, график Лайнуивера-Берка". Purdue University . Получено 31 августа 2013 г.
6. Корниш-Боуден А. (январь 1974 г.). «Простой графический метод определения констант ингибирования смешанных, неконкурентных и неконкурентных ингибиторов». Биохимический журнал . 137 (1): 143–4. doi :10.1042/bj1370143. PMC 1166095. PMID  4206907 . 
7. Nahorski SR, Ragan CI, Challiss RA (август 1991). «Литий и цикл фосфоинозитида: пример неконкурентного ингибирования и его фармакологические последствия». Trends in Pharmacological Sciences . 12 (8): 297–303. doi :10.1016/0165-6147(91)90581-C. PMID  1658998.
8. Millán JL (июль 1992 г.). «Щелочная фосфатаза как репортер раковой трансформации». Clinica Chimica Acta; Международный журнал клинической химии . 209 (1–2): 123–9. doi :10.1016/0009-8981(92)90343-O. PMID  1395034.
9. Millán JL, Fishman WH (1995). «Биология щелочных фосфатаз человека с особым акцентом на рак». Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences . 32 (1): 1–39. doi :10.3109/10408369509084680. PMID  7748466.
10. Nyce JW (ноябрь 2018 г.). «Обнаружение нового, специфичного для приматов механизма подавления опухоли «kill switch», который может в корне контролировать риск рака у людей: неожиданный поворот в базовой биологии TP53». Эндокринный рак . 25 (11): R497–R517. doi :10.1530/ERC-18-0241. PMC 6106910. PMID  29941676 . 
11. Lenaz G, Curatola G, Mazzanti L, Parenti-Castelli G (ноябрь 1978 г.). «Биофизические исследования агентов, влияющих на состояние мембранных липидов: биохимические и фармакологические последствия». Молекулярная и клеточная биохимия . 22 (1): 3–32. doi :10.1007/bf00241467. PMID  154058. S2CID  28599836.
12. Zeghouf M, Guibert B, Zeeh JC, Cherfils J (декабрь 2005 г.). «Arf, Sec7 и Brefeldin A: модель терапевтического ингибирования факторов обмена гуаниновых нуклеотидов». Biochemical Society Transactions . 33 (Pt 6): 1265–8. doi :10.1042/BST20051265. PMID  16246094.
13. Tabakoff B, Hoffman PL (март 1993). «Этанол, седативные снотворные и функция рецепторов глутамата в мозге и культивируемых клетках». Behavior Genetics . 23 (2): 231–6. doi :10.1007/BF01067428. PMID  8390239. S2CID  12640658.
14. Nakamura T, Lipton SA (январь 2008 г.). «Возникающие роли S-нитрозилирования в неправильном сворачивании белков и нейродегенеративных заболеваниях». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 10 (1): 87–101. doi :10.1089/ars.2007.1858. PMID  17961071.
15. Тамм, Свен; Вильвахер, Марина К.; Аспнес, Гари Э.; Бретшнайдер, Том; Браун, Николас Ф.; Бушбом-Хельмке, Силке; Фокс, Томас; Гаргано, Эмануэле М.; Грабовски, Даниэль; Хенке, Кристоф; Матера, Дамиан; Мьюк, Катя; Петерс, Стефан; Рейндл, София; Ритер, Дорис (2023-02-23). ​​«Открытие нового мощного и селективного ингибитора HSD17B13, BI-3231, хорошо охарактеризованного химического зонда, доступного для открытой науки». Журнал медицинской химии . 66 (4): 2832–2850. doi :10.1021/acs.jmedchem.2c01884. ISSN  0022-2623. PMC 9969402. PMID  36727857 .