В биохимии и фармакологии , то уравнение Хиллы относится к двум тесно связанным уравнениям , которые отражают связывание лигандов с макромолекулами, в зависимости от лиганда концентрации . Лиганд - это «вещество, которое образует комплекс с биомолекулой для выполнения биологической цели» ( определение лиганда ), а макромолекула - это очень большая молекула, такая как белок, со сложной структурой компонентов ( определение макромолекулы ). Связывание белок-лиганд обычно изменяет структуру целевого белка, тем самым изменяя его функцию в клетке.
Разница между двумя уравнениями Хилла заключается в том, измеряют ли они занятость или реакцию . Уравнение Хилла – Ленгмюра отражает степень заполнения макромолекул: долю, которая насыщена или связана лигандом . [1] [2] [nb 1] Это уравнение формально эквивалентно изотерме Ленгмюра . [3] И наоборот, собственно уравнение Хилла отражает клеточную или тканевую реакцию на лиганд: физиологический результат системы, такой как сокращение мышц.
Уравнение Хилла-Ленгмюра было первоначально сформулировано Арчибальдом Хиллом в 1910 году для описания сигмоидальной кривой связывания O 2 гемоглобина . [4]
Связывание лиганда с макромолекулой часто усиливается, если на той же макромолекуле уже присутствуют другие лиганды (это называется кооперативным связыванием ). Уравнение Хилла-Ленгмюра полезно для определения степени кооперативности связывания лиганда (ов) с ферментом или рецептором. Коэффициент Хилла позволяет количественно оценить степень взаимодействия между сайтами связывания лиганда. [5]
Уравнение Хилла (для ответа) важно при построении кривых доза-ответ .
Доля рецепторов, связанных с лигандом [ править ]
Уравнение Хилла – Ленгмюра является частным случаем прямоугольной гиперболы и обычно выражается следующими способами. [2] [7] [8]
- ,
куда:
- - это доля концентрации рецепторного белка , связанная лигандом ,
- - концентрация свободного несвязанного лиганда ,
- - кажущаяся константа диссоциации, полученная из закона действия масс ,
- - концентрация лиганда, вызывающая половину заполнения,
- - коэффициент Хилла.
Константы [ править ]
В фармакологии часто пишут как , где - лиганд, эквивалентный L, а - рецептор. могут быть выражены в терминах общего количества рецептора и концентрации рецептора лиганда-межи: . равна отношению скорости диссоциации комплекса лиганд-рецептор к скорости его ассоциации ( ). [8] Kd - константа равновесия диссоциации. определяется так, что это также известно как микроскопическая константа диссоциации и представляет собой концентрацию лиганда, занимающую половину сайтов связывания. В недавней литературе эту константу иногда называют . [8]
Уравнение Гадда [ править ]
Уравнение Гаддама - это дальнейшее обобщение уравнения Хилла, учитывающее наличие обратимого конкурентного антагониста. [1] Уравнение Гадда выводится аналогично уравнению Хилла, но с двумя равновесиями: лиганд с рецептором и антагонист с рецептором. Следовательно, уравнение Гадда имеет 2 константы: константу равновесия лиганда и константу антагониста.
Заговор на холме [ править ]
График Хилла представляет собой преобразование уравнения Хилла – Ленгмюра в прямую линию.
Принимая взаимными обеих сторон уравнения Хилла-Ленгмюра, перестраивая и снова переворачивая выходы: . Логарифмирование обеих частей уравнения приводит к альтернативной формулировке уравнения Хилла-Ленгмюра:
- .
Эта последняя форма уравнения Хилла – Ленгмюра выгодна, потому что график зависимости дает линейный график , который называется графиком Хилла. [7] [8] Поскольку наклон графика Хилла равен коэффициенту Хилла для биохимического взаимодействия, наклон обозначается как . Наклон больше единицы, таким образом, указывает на положительно кооперативное связывание между рецептором и лигандом, тогда как наклон меньше единицы указывает на отрицательное кооперативное связывание.
Преобразования уравнений в линейные формы, подобные этой, были очень полезны до широкого использования компьютеров, поскольку позволяли исследователям определять параметры путем подгонки линий к данным. Однако эти преобразования влияют на распространение ошибок, и это может привести к чрезмерному весу ошибки в точках данных около 0 или 1. [nb 2] Это влияет на параметры линий линейной регрессии, подогнанных к данным. Кроме того, использование компьютеров позволяет проводить более надежный анализ с использованием нелинейной регрессии .
Тканевый ответ [ править ]
Следует различать количественную оценку связывания лекарств с рецепторами и лекарств, вызывающих реакции. Между двумя значениями не обязательно может быть линейная зависимость. В отличие от предыдущего определения уравнения Хилла-Ленгмюра в этой статье, IUPHAR определяет уравнение Хилла в терминах реакции ткани , как
[1]
где - концентрация лекарства, а - концентрация лекарства, обеспечивающая 50% максимальный ответ. Константы диссоциации (в предыдущем разделе) относятся к связыванию лиганда, а отражают тканевый ответ. EC 50 {\displaystyle {\text{EC}}_{50}}
Эта форма уравнения может отражать реакцию ткани / клетки / популяции на лекарства и может использоваться для построения кривых зависимости реакции от дозы . Взаимосвязь между и EC50 может быть довольно сложной, поскольку биологический ответ будет суммой множества факторов; лекарство будет иметь другой биологический эффект, если присутствует больше рецепторов, независимо от его сродства.
Модель Del-Castillo Katz используется для связи уравнения Хилла-Ленгмюра с активацией рецептора путем включения второго равновесия рецептора, связанного с лигандом, с активированной формой рецептора, связанного с лигандом.
Статистический анализ реакции как функции стимула может быть выполнен с помощью методов регрессии, таких как пробит-модель или логит-модель , или другими методами, такими как метод Спирмена-Карбера . [9] Эмпирические модели, основанные на нелинейной регрессии, обычно предпочтительнее использования некоторого преобразования данных, которое линеаризует зависимость доза-реакция. [10]
Коэффициент Хилла [ править ]
Коэффициент Хилла является мерой сверхчувствительности (т.е. насколько крутой является кривая отклика).
Коэффициент Хилла или может описывать кооперативность (или, возможно, другие биохимические свойства, в зависимости от контекста, в котором используется уравнение Хилла – Ленгмюра). При необходимости [ требуется пояснение ] значение коэффициента Хилла описывает кооперативность связывания лиганда следующим образом:
- . Положительно кооперативное связывание : как только одна молекула лиганда связывается с ферментом, ее сродство к другим молекулам лиганда увеличивается. Например, коэффициент связывания кислорода с гемоглобином (пример положительной кооперативности) находится в диапазоне 1,7–3,2. [5]
- . Отрицательно кооперативное связывание : как только одна молекула лиганда связывается с ферментом, ее сродство к другим молекулам лиганда уменьшается.
- . Некооперативное (полностью независимое) связывание : сродство фермента к молекуле лиганда не зависит от того, связаны ли уже другие молекулы лиганда. При п = 1, мы получаем модель , которая может быть смоделирована с помощью кинетики Михаэлиса-Ментно , [11] , в котором , то константе Михаэлис-Ментно .
Коэффициент Хилла можно рассчитать с точки зрения эффективности как:
- . [12]
где и - входные значения, необходимые для получения 10% и 90% максимального отклика соответственно. [13]
Вывод из кинетики массового действия [ править ]
Уравнение Хилла-Ленгмюра выводится аналогично уравнению Михаэлиса Ментен, но включает коэффициент Хилла. Рассмотрим белок ( ), такой как гемоглобин или рецептор белка, с сайтами связывания лигандов ( ). Связывание лигандов с белком можно представить выражением химического равновесия:
- ,
где (прямая скорость или скорость ассоциации комплекса белок-лиганд) и (обратная скорость или скорость диссоциации комплекса) - константы скорости реакции для ассоциации лигандов с белком и их диссоциации от белка, соответственно. [8] Из закона действия масс , который, в свою очередь, может быть выведен из принципов теории столкновений , кажущаяся константа диссоциации, константа равновесия, определяется как:
- .
В то же время отношение концентрации занятого рецептора к общей концентрации рецептора определяется следующим образом:
- .
Используя полученное ранее выражение для константы диссоциации, мы можем заменить на, чтобы получить упрощенное выражение для :
- ,
что является общей формулировкой уравнения Хилла. [7] [14] [8]
Предполагая, что рецептор белка изначально был полностью свободным (несвязанным) при определенной концентрации , затем в любое время и . Следовательно, уравнение Хилла – Ленгмюра также обычно записывается как выражение для концентрации связанного белка:
- . [2]
Все эти составы предполагают, что белок имеет участки, с которыми могут связываться лиганды. Однако на практике коэффициент Хилла редко обеспечивает точное приближение количества сайтов связывания лиганда на белке. [5] [7] Следовательно, было замечено, что коэффициент Хилла вместо этого следует интерпретировать как «коэффициент взаимодействия», описывающий кооперативность между сайтами связывания лиганда. [5]
Приложения [ править ]
Уравнения Хилла и Хилла – Ленгмюра широко используются в фармакологии для количественной оценки функциональных параметров лекарственного средства [ необходима цитата ], а также используются в других областях биохимии.
Уравнение Хилла можно использовать для описания зависимостей "доза-реакция", например, зависимости вероятности открытия ионного канала (P-open) от концентрации лиганда. [15]
Регулирование транскрипции генов [ править ]
Уравнение Хилла-Ленгмюра можно применять для моделирования скорости, с которой продуцируется генный продукт, когда его родительский ген регулируется факторами транскрипции (например, активаторами и / или репрессорами ). [11] Это уместно, когда ген регулируется множеством сайтов связывания для факторов транскрипции, и в этом случае факторы транскрипции могут связывать ДНК кооперативным образом. [16]
Если производство белка из гена X регулируется ( активируется ) фактором транскрипции Y , то скорость производства белка X может быть смоделирована как дифференциальное уравнение с точки зрения концентрации активированного белка Y :
- ,
где K является максимальная скорость транскрипции гена X .
Аналогичным образом, если продукция белка из гена Y подавляется ( подавляется ) фактором транскрипции Z , то скорость продукции белка Y может быть смоделирована как дифференциальное уравнение с точки зрения концентрации активированного белка Z :
- ,
где K является максимальная скорость транскрипции гена Y .
Ограничения [ править ]
Из-за предположения, что молекулы лиганда связываются с рецептором одновременно, уравнение Хилла – Ленгмюра подвергалось критике как физически нереалистичная модель. [5] Более того, коэффициент Хилла не следует рассматривать как надежное приближение количества кооперативных сайтов связывания лигандов на рецепторе [5] [17], за исключением случаев, когда связывание первого и последующих лигандов приводит к чрезвычайно положительной кооперативности. [5]
В отличие от более сложных моделей, относительно простое уравнение Hill-Langmuir дает мало информации о лежащих в основе физиологических механизмах взаимодействий белок-лиганд. Эта простота, однако, и делает уравнение Хилла – Ленгмюра полезной эмпирической моделью, поскольку для его использования требуется мало априорных знаний о свойствах изучаемого белка или лиганда. [2] Тем не менее были предложены другие, более сложные модели кооперативного связывания. [7] Дополнительные сведения и примеры таких моделей см. В разделе Совместное связывание .
Показатели глобальной чувствительности, такие как коэффициент Хилла, не характеризуют локальное поведение s-образных кривых. Вместо этого эти особенности хорошо отражаются с помощью меры коэффициента отклика. [18]
Существует следующая связь между коэффициентом Хилла и коэффициентом отклика. Altszyler et al. (2017) показали, что эти меры сверхчувствительности могут быть связаны. [12]
См. Также [ править ]
- Бьеррам сюжет
- Кооперативная привязка
- Логистическая функция
- Кривая Гомперца
Заметки [ править ]
- ^ Для ясности в этой статье будет использоватьсясоглашение Международного союза фундаментальной и клинической фармакологии о различении уравнения Хилла-Ленгмюра (для насыщения рецепторов) и уравнения Хилла (для ответа ткани).
- ^ См. Распространение неопределенности . Функцияраспространяет ошибки вas. Следовательно, ошибкам в значениях,близких кзначениюили, придается гораздо больший вес, чемошибкамдля
Ссылки [ править ]
- ^ a b c Нойбиг, Ричард Р. (2003). «Комитет Международного союза фармакологии по номенклатуре рецепторов и классификации лекарственных средств. XXXVIII. Обновление терминов и символов в количественной фармакологии» (PDF) . Фармакологические обзоры .
- ^ a b c d Гестей, Рудольф; Жсуга, Юдит; Кемены-Беке, Адам; Варга, Балаш; Юхас, Бела; Тосаки, Арпад (31 марта 2012 г.). «Уравнение Хилла и происхождение количественной фармакологии». Архив истории точных наук . 66 (4): 427–438. DOI : 10.1007 / s00407-012-0098-5 . ISSN 0003-9519 . S2CID 122929930 .
- ^ Ленгмюр, Ирвинг (1918). «Адсорбция газов на плоских поверхностях из стекла, слюды и платины» . Журнал Американского химического общества . 40 (9): 1361–1403. DOI : 10.1021 / ja02242a004 .
- ^ Hill, AV (1910-01-22). «Возможные эффекты агрегации молекул гемоглобина на его кривые диссоциации» . J. Physiol. 40 (Дополнение): iv – vii. DOI : 10.1113 / jphysiol.1910.sp001386 .
- ^ a b c d e f g Вайс, Дж. Н. (1 сентября 1997 г.). «Уравнение Хилла пересмотрено: использование и злоупотребления» . Журнал FASEB . 11 (11): 835–841. DOI : 10.1096 / fasebj.11.11.9285481 . ISSN 0892-6638 . PMID 9285481 .
- ^ «Труды физиологического общества: 22 января 1910 г.». Журнал физиологии . 40 (доп.): I – vii. 1910. DOI : 10.1113 / jphysiol.1910.sp001386 . ISSN 1469-7793 .
- ^ a b c d e Стефан, Мелани I .; Новер, Николя Ле (27 июня 2013 г.). «Кооперативное связывание» . PLOS Вычислительная биология . 9 (6): e1003106. Bibcode : 2013PLSCB ... 9E3106S . DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1003106 . ISSN 1553-7358 . PMC 3699289 . PMID 23843752 .
- ^ a b c d e f Нельсон, Дэвид Л .; Кокс, Майкл М. (2013). Принципы биохимии Ленингера (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. С. 158–162. ISBN 978-1429234146.
- ^ Гамильтон, Массачусетс; Руссо, RC; Терстон, Р.В. (1977). «Метод усеченного Спирмена-Карбера для оценки средних летальных концентраций в биотестах токсичности». Наука об окружающей среде и технологии . 11 (7): 714–9. Bibcode : 1977EnST ... 11..714H . DOI : 10.1021 / es60130a004 .
- ^ Бейтс, Дуглас М .; Уоттс, Дональд Г. (1988). Нелинейный регрессионный анализ и его приложения . Вайли . п. 365 . ISBN 9780471816430.
- ^ a b Алон, Ури (2007). Введение в системную биологию: принципы построения биологических цепей ([Nachdr.] Ed.). Бока-Ратон, Флорида: Чепмен и Холл. ISBN 978-1-58488-642-6.
- ^ a b Altszyler, E; Вентура, AC; Colman-Lerner, A .; Черноморец, А. (2017). «Пересмотр сверхчувствительности в сигнальных каскадах: увязка локальных и глобальных оценок сверхчувствительности» . PLOS ONE . 12 (6): e0180083. arXiv : 1608.08007 . Bibcode : 2017PLoSO..1280083A . DOI : 10.1371 / journal.pone.0180083 . PMC 5491127 . PMID 28662096 .
- ^ Srinivasan, Бхарат (2020-10-08). «Явное лечение не Михаэлиса-Ментен и атипичной кинетики в раннем открытии лекарств» . dx.doi.org . Проверено 9 ноября 2020 .
- ^ Форман, Джон (2003). Учебник рецепторной фармакологии, второе издание . п. 14 .
- ^ Дин, S; Сакс, Ф (1999). «Одноканальные свойства пуриноцепторов P2X2» . J. Gen. Physiol . Издательство Рокфеллерского университета. 113 (5): 695–720. DOI : 10,1085 / jgp.113.5.695 . PMC 2222910 . PMID 10228183 .
- ^ Чу, Доминик; Забет, Николае Раду; Митавский, Борис (07.04.2009). «Модели связывания факторов транскрипции: чувствительность функций активации к допущениям модели» (PDF) . Журнал теоретической биологии . 257 (3): 419–429. DOI : 10.1016 / j.jtbi.2008.11.026 . PMID 19121637 .
- ^ Моно, Жак; Вайман, Джеффрис; Changeux, Жан-Пьер (1 мая 1965 г.). «О природе аллостерических переходов: правдоподобная модель». Журнал молекулярной биологии . 12 (1): 88–118. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (65) 80285-6 . PMID 14343300 .
- ^ Холоденко, Борис Н .; и другие. (1997). «Количественная оценка передачи информации через клеточные пути передачи сигнала» . Письма FEBS . 414 (2): 430–434. DOI : 10.1016 / S0014-5793 (97) 01018-1 . PMID 9315734 . S2CID 19466336 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Иллюстрированный медицинский словарь Дорланда
- Коваль, М.Л. (декабрь 1970 г.). «Анализ коэффициентов взаимодействия Хилла и несостоятельность уравнения Квона и Брауна» . J. Biol. Chem. 245 (23): 6335–6. PMID 5484812 .
- d'A Heck, Генри (1971). «Статистическая теория кооперативного связывания с белками. Уравнение Хилла и потенциал связывания». Варенье. Chem. Soc . 93 (1): 23–29. DOI : 10.1021 / ja00730a004 . PMID 5538860 .
- Аткинс, Гордон Л. (1973). «Простая цифровая компьютерная программа для оценки параметра уравнения Хилла» . Евро. J. Biochem . 33 (1): 175–180. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1973.tb02667.x . PMID 4691349 .
- Эндреньи, Ласло; Квонг, ФХФ; Файси, Чаба (1975). «Оценка уклонов Хилла и коэффициентов Хилла, когда привязка насыщения или скорость неизвестны» . Евро. J. Biochem . 51 (2): 317–328. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1975.tb03931.x . PMID 1149734 .
- Воет, Дональд; Воет, Джудит Г. Биохимия .
- Вайс, Дж. Н. (1997). «Уравнение Хилла пересмотрено: использование и злоупотребления» . Журнал FASEB . 11 (11): 835–841. DOI : 10.1096 / fasebj.11.11.9285481 . PMID 9285481 .
- Курганов Б.И.; Лобанов, А.В. (2001). «Критерий справедливости уравнения Хилла для описания калибровочных кривых биосенсора». Анальный. Чим. Acta . 427 (1): 11–19. DOI : 10.1016 / S0003-2670 (00) 01167-3 .
- Гутель, Сильвен; Маурин, Мишель; Ружье, Флоран; Барбо, Ксавье; Бургиньон, Лоран; Дюшер, Мишель; Мэр, Паскаль (2008). «Уравнение Хилла: обзор его возможностей в фармакологическом моделировании». Фонд. Клиника. Pharmac . 22 (6): 633–648. DOI : 10.1111 / j.1472-8206.2008.00633.x . PMID 19049668 .
- Gesztelyi R; Zsuga J; Кемены-Беке А; Варга Б; Юхас Б; Тосаки А (2012). «Уравнение Хилла и происхождение количественной фармакологии». Архив истории точных наук . 66 (4): 427–38. DOI : 10.1007 / s00407-012-0098-5 . S2CID 122929930 .
- Колкухун Д. (2006). «Количественный анализ лекарственного взаимодействия с рецептором: краткая история». Trends Pharmacol Sci . 27 (3): 149–57. DOI : 10.1016 / j.tips.2006.01.008 . PMID 16483674 .
- Позвонил в HP (2006). «Рецепторная концепция: большая идея фармакологии» . Br J Pharmacol . 147 : S9–16. DOI : 10.1038 / sj.bjp.0706457 . PMC 1760743 . PMID 16402126 .
Внешние ссылки [ править ]
- Калькулятор уравнения Хилла