Конкурентное ингибирование — это прерывание химического пути из-за того, что одно химическое вещество подавляет 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).
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]
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, добавленные 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 в связывании с ферментом. [12]
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 в 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.
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 этого сделать. Таким образом, он подавляет реакцию. [16]
Модель Михаэлиса-Ментен может стать бесценным инструментом для понимания кинетики ферментов. Согласно этой модели, график скорости реакции (V 0 ), связанной с концентрацией [S] субстрата, может затем использоваться 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
где , – константа диссоциации ингибитора, – концентрация ингибитора.
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.
В простейшем случае односубстратного фермента, подчиняющегося кинетике Михаэлиса–Ментен, типичная схема
модифицируется для включения связывания ингибитора со свободным ферментом:
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.
Кроме того, известна общая концентрация фермента , а скорость измеряется в условиях, когда концентрации субстрата и ингибитора существенно не изменяются и накапливается незначительное количество продукта.
Таким образом, мы можем составить систему уравнений:
откуда и известны. Начальная скорость определяется как , поэтому нам нужно определить неизвестное через известные и .
Из уравнения ( 3 ) мы можем определить E через ES , переставив его в
Деление на дает
Как и при выводе уравнения Михаэлиса-Ментен, этот член можно заменить макроскопической константой скорости :
Подставив уравнение ( 5 ) в уравнение ( 4 ), получим
Переставляя, мы находим, что
На этом этапе мы можем определить константу диссоциации ингибитора как , что дает
На этом этапе подставьте уравнение ( 5 ) и уравнение ( 6 ) в уравнение ( 1 ):
Переставляя решение для ES, находим
Возвращаясь к нашему выражению для , мы теперь имеем:
Поскольку скорость максимальна, когда весь фермент связан в виде фермент-субстратного комплекса, . Замена и объединение терминов в конечном итоге дает традиционную форму:
Чтобы вычислить концентрацию конкурентного ингибитора , которая дает долю скорости, где :
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)