Конкурентное торможение

Конкурентное ингибирование - это прерывание химического пути из-за того, что одно химическое вещество ингибирует действие другого, конкурируя с ним за связывание или связывание . Любая метаболическая или химическая система передачи потенциально может быть затронута этим принципом, но несколько классов конкурентного ингибирования особенно важны в биохимии и медицине , включая конкурентную форму ингибирования ферментов , конкурентную форму антагонизма рецепторов , конкурентную форму активности антиметаболита , и конкурентная формаотравление (которое может включать любой из вышеупомянутых типов).

Тип ингибирования ферментов [ править ]

При конкурентном ингибировании ферментного катализа связывание ингибитора предотвращает связывание целевой молекулы фермента, также известной как субстрат. ^[1] Это достигается путем блокирования сайта связывания субстрата - активного сайта - некоторыми способами. V _max указывает максимальную скорость реакции, а K _m - количество субстрата, необходимое для достижения половины V _max . K _m также играет роль в указании тенденции субстрата связывать фермент. ^[2]Конкурентное ингибирование можно преодолеть, добавив в реакцию больше субстрата, что увеличивает шансы связывания фермента и субстрата. В результате конкурентное торможение изменяет только K _m , оставляя V _max прежним. ^[3] Это можно продемонстрировать с помощью графиков кинетики ферментов, таких как график Михаэлиса-Ментен или Лайнуивера-Берка . Как только ингибитор связывается с ферментом, наклон будет изменен, так как K _m либо увеличивается, либо уменьшается по сравнению с исходным K _m реакции. ^{[4] [5] [6]}

Большинство конкурентных ингибиторов функционируют за счет обратимого связывания с активным центром фермента. ^[1] В результате, многие источники утверждают, что это определяющая особенность конкурентных ингибиторов. ^[7] Это, однако, вводящее в заблуждение упрощение , поскольку существует много возможных механизмов, с помощью которых фермент может связывать либо ингибитор, либо субстрат, но никогда оба одновременно. ^[1] Так , например, аллостерические ингибиторы могут отображать конкурентные, неконкурентного или неконкурентного ингибирования. ^[1]

Механизм [ править ]

Диаграмма, показывающая конкурентное торможение

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 одним из них, но он не может связываться с обоими одновременно. Во время конкурентного ингибирования ингибитор и субстрат конкурируют за активный центр. Активный центр - это область фермента, с которой может связываться конкретный белок или субстрат. Таким образом, активный сайт позволит только одному из двух комплексов связываться с сайтом, позволяя протекать реакции или вызывая ее. При конкурентном ингибировании ингибитор похож на субстрат, занимая его место и связываясь с активным центром фермента. Увеличение концентрации субстрата уменьшило бы «конкуренцию» за то, что субстрат должным образом связывается с активным сайтом, и позволит протекать реакции. ^[3]Когда субстрат имеет более высокую концентрацию, чем концентрация конкурентного ингибитора, более вероятно, что субстрат войдет в контакт с активным центром фермента, чем с ингибитором.

Конкурентные ингибиторы обычно используются для изготовления фармацевтических препаратов. ^[3] Например, метотрексат - это химиотерапевтический препарат, который действует как конкурентный ингибитор. Это структурно сходное с коэнзимом , фолиевой кислотой , который связывается с ферментом дигидрофолатредуктазы . ^[3] Этот фермент является частью синтеза 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: простагландинвырабатываются в больших количествах в ответ на боль и могут вызвать воспаление. Незаменимые жирные кислоты образуют простагландины; когда это было обнаружено, выяснилось, что это действительно очень хорошие ингибиторы простагландинов. Эти ингибиторы жирных кислот использовались в качестве лекарств для облегчения боли, потому что они могут действовать как субстрат, связываться с ферментом и блокировать простагландины. ^[9]

Примером конкурентного подавления, не связанного с лекарственными средствами, является предотвращение потемнения фруктов и овощей. Например, тирозиназа , фермент в грибах, обычно связывается с субстратом, монофенолами и образует коричневые о-хиноны. ^[10] Конкурентные субстраты, такие как 4-замещенные бензальдегиды для грибов, конкурируют с субстратом, снижая количество монофенолов, которые связываются. Эти ингибирующие соединения, добавленные к продукту, сохраняют его свежим в течение более длительных периодов времени, уменьшая связывание монофенолов, вызывающих потемнение. ^[10] Это позволяет повысить качество продукции, а также срок ее хранения.

Торможение конкуренции может быть обратимым или необратимым. Если это обратимое ингибирование , то эффекты ингибитора можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата. ^[8] Если это необратимо, единственный способ преодолеть это - произвести больше мишени (и, как правило, разрушить и / или удалить необратимо заторможенную мишень).

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

При конкурентном ингибировании максимальная скорость ( ) реакции не изменяется, в то время как кажущееся сродство субстрата к сайту связывания уменьшается ( константа диссоциации, по-видимому, увеличивается). Изменение ( константа Михаэлиса-Ментен ) параллельно изменению , когда одно увеличивается, другое должно уменьшаться. Когда конкурентный ингибитор связан с ферментом, увеличивается. Это означает, что сродство связывания с ферментом снижается, но его можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата. ^[12]${\ Displaystyle V _ {\ max}}$${\ displaystyle K_ {d}}$${\ displaystyle K_ {m}}$${\ displaystyle K_ {d}}$${\ displaystyle K_ {m}}$Любую заданную концентрацию конкурентного ингибитора можно преодолеть, увеличивая концентрацию субстрата. В этом случае субстрат уменьшит доступность ингибитора для связывания и, таким образом, превзойдет ингибитор в связывании с ферментом. ^[12]

Биологические примеры [ править ]

После случайного проглатывания загрязненного опиоидного препарата десметилпродина был обнаружен нейротоксический эффект 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина ( МРТР ). МФТП способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и проникать в кислые лизосомы . ^[13] MPTP биологически активируется MAO-B, изоферментом моноаминоксидазы (MAO), который в основном концентрируется при неврологических расстройствах и заболеваниях. ^[14] Позже было обнаружено, что MPTP вызывает симптомы, похожие на болезнь Паркинсона . Клетки центральной нервной системы (астроциты) включают MAO-B, который окисляет MPTP до 1-метил-4-фенилпиридиния (MPP +), который является токсичным.^[13] MPP + в конечном итоге попадает во внеклеточную жидкость с помощью переносчика дофамина , что в конечном итоге вызывает симптомы Паркинсона. Однако конкурентное ингибирование фермента MAO-B или переносчика дофамина защищает от окисления MPTP до MPP +. Несколько соединений были протестированы на их способность ингибировать окисление МРТРА в МРР +том числе метиленового синего , 5-нитроиндазола , norharman , 9-methylnorharman и менадион . ^[14] Они продемонстрировали снижение нейротоксичности, вызванной MPTP.

Сульфатные препараты также действуют как конкурентные ингибиторы. Например, сульфаниламид конкурентно связывается с ферментом в активном центре дигидроптероатсинтазы (DHPS), имитируя субстрат парааминобензойной кислоты (PABA). ^[15] Это предотвращает связывание самого субстрата, что останавливает производство фолиевой кислоты, необходимого питательного вещества. Бактерии должны синтезировать фолиевую кислоту, потому что у них нет для нее переносчика. Без фолиевой кислоты бактерии не могут расти и делиться. Следовательно, из-за конкурентного ингибирования сульфамидных препаратов они являются отличными антибактериальными средствами. Пример конкурентного ингибирования был экспериментально продемонстрирован для фермента янтарной дегидрогеназы, который катализирует окислениесукцинат до фумарата в цикле Кребса . Малонат - конкурентный ингибитор янтарной дегидрогеназы. Связывание янтарной дегидрогеназы 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 янтарной дегидрогеназы, в отличие от сукцината. Таким образом, он тормозит реакцию. ^[16]

Уравнение [ править ]

Модель Михаэлиса – Ментен может быть 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 фермента в субстратный комплекс). ^[4]

Конкурентное торможение увеличивает кажущееся значение константы Михаэлиса-Ментен , так что начальная скорость реакции определяется выражением${\ Displaystyle К_ {м} ^ {\ текст {приложение}}}$${\ displaystyle V_ {0}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max }\,[S]}{K_{m}^{\text{app}}+[S]}}}$

где , является константа диссоциации ингибитора и концентрация ингибитора.${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})}$${\displaystyle K_{i}}$${\displaystyle [I]}$

${\displaystyle V_{\max }}$остается неизменным, поскольку присутствие ингибитора можно преодолеть за счет более высоких концентраций субстрата. концентрация субстрата, необходимая для достижения , увеличивается в присутствии конкурентного ингибитора. Это связано с тем, что концентрация субстрата, необходимая для достижения с ингибитором, больше, чем концентрация субстрата, необходимая для достижения без ингибитора.${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$${\displaystyle V_{\max }/2}$${\displaystyle V_{\max }}$${\displaystyle V_{\max }}$

Вывод [ править ]

В простейшем случае односубстратного фермента, подчиняющегося кинетике Михаэлиса – Ментен, типичная схема

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

модифицирован 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 это 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, то есть концентрация каждого из видов ферментов не изменяется.

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

Кроме того, известная общая концентрация фермента равна , и скорость измеряется в условиях, в которых 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:

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

( 1 )

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}=0=-k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]+k_{-1}[{\ce {ES}}]+k_{2}[{\ce {ES}}]-k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}]+k_{-3}[{\ce {EI}}]}$

( 2 )

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}=0=k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]-k_{-1}[{\ce {ES}}]-k_{2}[{\ce {ES}}]}$

( 3 )

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {EI}}]}{dt}}=0=k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}]-k_{-3}[EI]}$

( 4 )

где и известны. Начальная скорость определяется как , поэтому нам нужно определить неизвестное в терминах известных 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 в терминах ES , преобразовав 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 на макроскопическую константу скорости :${\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}}$${\displaystyle K_{m}}$

${\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}}$

( 5 )

Подставляя уравнение ( 5 ) в уравнение ( 4 ), имеем

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

Переставляя, мы обнаруживаем, 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 , давая${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}$

${\displaystyle [{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

( 6 )

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

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {ES}}]\left({\frac {K_{m}}{\ce {[S]}}}+1+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}\right)=[{\ce {ES}}]{\frac {K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

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

( 7 )

Возвращаясь к нашему выражению для , теперь у нас есть:${\displaystyle V_{0}}$

${\displaystyle V_{0}=k_{2}[{\ce {ES}}]={\frac {k_{2}K_{i}[{\ce {S}}][{\ce {E}}]_{0}}{K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {k_{2}[{\ce {E}}]_{0}[{\ce {S}}]}{K_{m}+[{\ce {S}}]+K_{m}{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}}}}$

Так как скорость максимальна , когда все фермент связан , как фермент-субстратный комплекс, . Замена и объединение терминов в конечном итоге дает обычную форму:${\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max }[{\ce {S}}]}{K_{m}\left(1+{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}\right)+[{\ce {S}}]}}}$

( 8 )

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}$

${\displaystyle [{\ce {I}}]=\left({\frac {1}{f_{V{_{0}}}}}-1\right)K_{i}\left(1+{\frac {[{\ce {S}}]}{K_{m}}}\right)}$

( 9 )

Примечания и ссылки [ править ]

См. Также [ править ]

• Регрессия Шильда для ингибирования рецептора лиганда
• Неконкурентное торможение