Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Переходное состояние аналоги ( переходное состояние аналоги ), являются химическими соединениями с химической структурой , которая напоминает переходное состояние в виде молекулы субстрата в ферментативной химической реакции . Ферменты взаимодействуют с субстратом посредством деформации или искажений, перемещая субстрат в переходное состояние. [1] Аналоги переходного состояния можно использовать в качестве ингибиторов в реакциях, катализируемых ферментами, путем блокирования активного центра фермента. Теория предполагает, что ингибиторы ферментов, которые напоминают структуру переходного состояния, будут более прочно связываться с ферментом, чем реальный субстрат.[2] Примеры лекарств, которые являются аналоговыми ингибиторами переходного состояния, включают лекарства от гриппа, такие как ингибитор нейраминидазы осельтамивир и ингибиторы протеазы ВИЧ саквинавир, при лечении СПИДа.

Аналог переходного состояния [ править ]

Реакции, катализируемые ферментами, снижают общую энергию активации реакции.

Переходное состояние структуры может быть лучше всего описано в отношении статистической механики , где энергия связей , нарушающих и образующих имеет равную вероятность перехода от переходного состояния назад к реагентам или вперед к продукции. В реакциях, катализируемых ферментами, общая энергия активации реакции снижается, когда фермент стабилизирует высокоэнергетический промежуточный продукт переходного состояния. Аналоги переходного состояния имитируют это промежуточное соединение с высокой энергией, но не подвергаются каталитической химической реакции и поэтому могут гораздо сильнее связываться с ферментом, чем простые аналоги субстрата или продукта.

Разработка аналога переходного состояния [ править ]

Чтобы разработать аналог переходного состояния, ключевым этапом является определение структуры переходного состояния субстрата на конкретном интересующем ферменте с помощью экспериментального метода, например, кинетического изотопного эффекта . Кроме того, структура переходного состояния также может быть предсказана с помощью вычислительных подходов в качестве дополнения к KIE. Мы кратко объясним эти два метода.

Кинетический изотопный эффект [ править ]

Кинетический изотопный эффект (КИЕ) представляет собой измерение скорости реакции изотопных меченных реагентов против более общего природного субстрата. Значения кинетического изотопного эффекта представляют собой отношение числа оборотов и включают все стадии реакции. [3] Внутренние кинетические значения изотопов проистекают из разницы в колебательном окружении связи атома в реагентах в основном состоянии и в окружении переходного состояния атома. [3] Благодаря кинетическому изотопному эффекту можно многое понять относительно того, как выглядит переходное состояние в реакции, катализируемой ферментами, и направить разработку аналогов переходного состояния.

Вычислительное моделирование [ править ]

Вычислительные подходы считаются полезным инструментом для выяснения механизма действия ферментов. [4] Молекулярная механика сама по себе не может предсказать перенос электрона, который является основой органической реакции, но моделирование молекулярной динамики дает достаточно информации, учитывая гибкость белка во время каталитической реакции. Дополнительным методом может быть сочетание методов молекулярной механики / квантовой механики ( КМ / ММ ). [5] При таком подходе только атомы, ответственные за ферментативную реакцию в каталитической области, будут выращены с помощью квантовой механики, а остальные атомы будут обработаны с помощьюмолекулярная механика . [6]

Примеры аналогового дизайна переходного состояния [ править ]

После определения структур переходного состояния с использованием KIE или компьютерного моделирования, ингибитор может быть разработан в соответствии с определенными структурами переходного состояния или промежуточными звеньями. Следующие три примера иллюстрируют, как ингибиторы имитируют структуру переходного состояния, изменяя функциональные группы, соответствующие геометрии и электростатическому распределению структур переходного состояния.

Ингибитор метилтиоаденозинуклеозидазы [ править ]

Метилтиоаденозинуклеозидаза - это ферменты, которые катализируют реакцию гидролитического деаденилирования 5'-метилтиоаденозина и S-аденозилгомоцистеина. Он также считается важной мишенью для открытия антибактериальных препаратов, потому что он важен в метаболической системе бактерий и продуцируется только бактериями. [7] Учитывая различное расстояние между атомом азота аденина и аномерным углеродом рибозы (см. Диаграмму в этом разделе), структура переходного состояния может определяться ранней или поздней стадией диссоциации. Основываясь на обнаружении различных структур переходных состояний, Шрамм и его коллеги разработали два аналога переходного состояния, имитирующие раннее и позднее диссоциативное переходное состояние. Показан аналог состояния раннего и позднего переходасродство связывания (Kd) 360 и 140 пМ соответственно. [8]

Ингибитор термолизина [ править ]

Термолизин - это фермент, продуцируемый Bacillus thermoproteolyticus, который катализирует гидролиз пептидов, содержащих гидрофобные аминокислоты. [9] Следовательно, он также является мишенью для антибактериальных средств. Механизм ферментативной реакции начинается с небольшой молекулы пептида и замещает молекулу воды, связывающую цинк, на Glu143 термолизина. Затем молекула воды активируется как ионом цинка, так и остатком Glu143 и атакует карбонильный углерод с образованием тетраэдрического переходного состояния (см. Рисунок). Затем Холден с соавторами имитировали это тетраэдрическое переходное состояние для создания серии аналогов фосфонамидатного пептида. Среди синтезированных аналогов R = L- Leu обладает наиболее сильной ингибирующей активностью ( Ki = 9,1 нМ). [10]

Ингибитор аргиназы [ править ]

Аргиназа - это двухъядерный металлопротеин марганца, который катализирует гидролиз L- аргинина до L- орнитина и мочевины . Он также считается мишенью для лечения астмы . [11] Механизм гидролиза L-аргинина осуществляется посредством нуклеофильной атаки на гуанидиногруппу водой с образованием тетраэдрического промежуточного соединения. Исследования показали, что фрагмент бороновой кислоты принимает тетраэдрическую конфигурацию и служит ингибитором. Кроме того, функциональная группа сульфонамида также может имитировать структуру переходного состояния. [12]Доказательства имитации бороновой кислоты в качестве аналоговых ингибиторов человеческой аргиназы I в переходном состоянии были выявлены с помощью рентгеновских кристаллических структур. [13]

См. Также [ править ]

  • Фермент
  • Структурный аналог , соединения со схожей химической структурой
  • Ингибитор ферментов
  • Аналог субстрата
  • Ингибитор суицида
  • Субстрат

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сильверман, Ричард Б. (2004). Органическая химия дизайна лекарств и действия лекарств . Сан-Диего, Калифорния: Elsevier Academic Press. ISBN 0-12-643732-7.
  2. ^ Коупленд, РА; Дэвис, JP; Каин, Джорджия; Питтс, Вирджиния; Магольда, Р.Л. (1996). «Иммунодепрессивный метаболит лефлуномида является мощным ингибитором дигидрооротатдегидрогеназы человека». Биохимия . 35 (4): 1270–3. DOI : 10.1021 / bi952168g . PMID 8573583 . 
  3. ^ а б Шрамм, Верн L (2011). «Ферментативные переходные состояния, аналоги переходного состояния, динамика, термодинамика и время жизни» . Анну. Rev. Biochem . 80 (1): 703–732. DOI : 10.1146 / annurev-biochem-061809-100742 . PMC 5502542 . PMID 21675920 .  
  4. ^ Питер, Коллман; Kuhn, B .; Peräkylä, M. (2002). «Вычислительные исследования реакций, катализируемых ферментами: где мы находимся в механизмах прогнозирования и в понимании природы ферментативного катализа?». J. Phys. Chem. B . 106 (7): 1537–1542. DOI : 10.1021 / jp012017p .
  5. ^ Хоу, G; Hou, G .; Цуй, К. (2011). «Анализ QM / MM предполагает, что щелочная фосфатаза (AP) и нуклеотидпирофосфатаза / фосфодиэстераза слегка сужают переходное состояние для гидролиза фосфатного диэфира относительно раствора: влияние на каталитическую неразборчивость в суперсемействе AP» . Варенье. Chem. Soc . 134 (1): 229–246. DOI : 10.1021 / ja205226d . PMC 3257412 . PMID 22097879 .  
  6. ^ Шварц, S; Saen-oon, S .; Quaytman-Machleder, S .; Schramm, VL; Шварц, SD (2008). «Атомные детали химического превращения в переходном состоянии ферментативной реакции» . PNAS . 105 (43): 16543–16545. Bibcode : 2008PNAS..10516543S . DOI : 10.1073 / pnas.0808413105 . PMC 2575456 . PMID 18946041 .  
  7. ^ Сингх, Випендер; Singh V; Lee JE; Núñez S; Howell PL; Schramm VL. (2005). «Структура переходного состояния 5'-метилтиоаденозин / S-аденозилгомоцистеиннуклеозидазы из Escherichia coli и ее сходство с аналогами переходного состояния». Биохимия . 44 (35): 11647–11659. DOI : 10.1021 / bi050863a . PMID 16128565 . 
  8. ^ Гутьеррес, Джеми; Луо, М .; Singh, V .; Li, L .; Браун, Р.Л .; Норрис, GE (2007). «Пикомолярные ингибиторы в качестве зондов переходного состояния 5'-метилтиоаденозинуклеозидаз». ACS Химическая биология . 2 (11): 725–734. DOI : 10.1021 / cb700166z . PMID 18030989 . 
  9. ^ S, Эндо (1962). «Исследования протеаз, продуцируемых термофильными бактериями». J. Ferment. Technol . 40 : 346–353.
  10. ^ Холден, Хейзел; Tronrud, DE; Монзинго, AF; Уивер, LH (1987). «Ингибиторы медленного и быстрого связывания термолизина демонстрируют различные способы связывания: кристаллографический анализ аналогов расширенного фосфорамидатного переходного состояния». Биохимия . 26 (26): 8542–8553. DOI : 10.1021 / bi00400a008 . PMID 3442675 . 
  11. ^ Маарсингх, Харм; Йохан Заагсма; Герман Мерс (октябрь 2009 г.). «Аргиназа: ключевой фермент в патофизиологии аллергической астмы, открывающий новые терапевтические перспективы» . Br J Pharmacol . 158 (3): 652–664. DOI : 10.1111 / j.1476-5381.2009.00374.x . PMC 2765587 . PMID 19703164 .  
  12. ^ E, Cama; Шин H; Christianson DW. (2003). «Дизайн аминокислотных сульфонамидов в качестве аналоговых ингибиторов аргиназы в переходном состоянии». J Am Chem Soc . 125 (43): 13052–7. DOI : 10.1021 / ja036365b . PMID 14570477 . 
  13. ^ Шишова, Екатерина; Луиджи ди Костанцо; Дэвид Э. Кейн; Дэвид В. Кристиансон (2009). «Исследование детерминант специфичности распознавания аминокислот аргиназой» . Биохимия . 48 (1): 121–131. DOI : 10.1021 / bi801911v . PMC 2665027 . PMID 19093830 .