Конкурентное торможение - Competitive inhibition

Конкурентное торможение это прерывание химический путь благодаря одному химическая субстанция подавляя влияние другого, соревнуясь с ним за привязка или же связь. Любой метаболический или же химический посланник система потенциально может быть затронута этим принципом, но несколько классов конкурентного торможения особенно важны в биохимия и лекарство, включая конкурсную форму ингибирование ферментов, соревновательная форма рецепторный антагонизм, соревновательная форма антиметаболит деятельности, и соревновательная форма отравление (который может включать любой из вышеупомянутых типов).

Тип ингибирования ферментов

В конкурентном подавлении ферментативный катализ связывание ингибитора предотвращает связывание целевой молекулы фермента, также известной как субстрат.^[1] Это достигается за счет блокирования сайта связывания субстрата - активного сайта - некоторыми способами. V_{Максимум} указывает максимальную скорость реакции, а K_м количество субстрата, необходимое для достижения половины V_{Максимум}. K_м 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_м, оставив V_{Максимум} одинаковый.^[3] Это можно продемонстрировать с помощью графиков кинетики ферментов, таких как Михаэлис-Ментен или Заговор Лайнуивера-Берка. Как только ингибитор связывается с ферментом, наклон будет изменен, так как K_м либо увеличивается, либо уменьшается от исходного K_м 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 черта конкурентных ингибиторов.^[7] Однако это вводит в заблуждение чрезмерное упрощение, поскольку существует множество возможных механизмов, с помощью которых фермент может связывать либо ингибитор, либо субстрат, но никогда оба одновременно.^[1] Например, аллостерические ингибиторы могут быть конкурентоспособными, неконкурентоспособный, или же неконкурентоспособный торможение.^[1]

Механизм

Диаграмма, показывающая конкурентное торможение

При конкурентном ингибировании ингибитор, напоминающий нормальный субстрат, связывается с ферментом, обычно в активный сайт, 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 химиотерапевтический препарат, который действует как конкурентный ингибитор. Конструктивно похож на кофермент, фолиевая кислота, который связывается с ферментом дигидрофолатредуктаза.^[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: простагландин вырабатываются 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, монофенолы, и образует коричневые о-хиноны.^[10] Конкурентные субстраты, такие как 4-замещенные бензальдегиды для грибов, конкурируют с субстратом, снижая количество связывающихся монофенолов. 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 торможение, тогда эффекты ингибитора можно преодолеть, увеличивая концентрацию субстрата.^[8] Если это необратимо, единственный способ преодолеть это - произвести больше мишени (и, как правило, разрушить и / или выделить необратимо заторможенную мишень).

Практически во всех случаях конкурентные ингибиторы связываются одним и тем же сайт привязки (активный сайт) в качестве субстрата, но связывание с одним и тем же сайтом не является обязательным. Конкурентный ингибитор может связываться с аллостерический сайт свободного фермента и предотвращает 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 головного 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 соревновательном торможении максимальная скорость (${ Displaystyle V _ { max}}$) реакции не изменяется, в то время как кажущееся сродство субстрата к сайту связывания уменьшается ( ${ displaystyle K_ {d}}$ константа диссоциации, по-видимому, увеличена). Изменение в ${ displaystyle K_ {m}}$ (Михаэлис-Ментен константа) параллельно изменению ${ displaystyle K_ {d}}$, по мере того, как одно увеличивается, другое должно уменьшаться. Когда конкурентный ингибитор связан с ферментом, ${ displaystyle K_ {m}}$ увеличивается. Это означает, что сродство связывания с ферментом снижается, но его можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата.^[12] 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]

Конкурентное ингибирование также может быть аллостерическим до тех пор, пока ингибитор и субстрат не могут связывать фермент одновременно.

Биологические примеры

После случайного проглатывания зараженного опиоидного препарата десметилпродин, то нейротоксичный действие 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина (MPTP ) был открыт. MPTP способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и попадать в кислую среду. лизосомы.^[13] МФТП биологически активируется МАО-В, изоферментом моноаминоксидаза (МАО), который в основном сосредоточен при неврологических расстройствах и заболеваниях.^[14] Позже было обнаружено, что MPTP вызывает симптомы, похожие на симптомы 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 перемещается во внеклеточную жидкость посредством переносчик 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 MPTP до MPP +, включая метиленовый синий, 5-нитроиндазол, Norharman, 9-метилноргарман, и менадион.^[14] Это продемонстрировало снижение нейротоксичности, вызванной MPTP.

График Михаэлиса-Ментен зависимости скорости реакции (v) от концентрации субстрата [S] нормальной активности фермента (1) по сравнению с активностью фермента с конкурентным ингибитором (2). Добавление конкурентного ингибитора к ферментативной реакции увеличивает K_м реакции, но V_{Максимум} остается такой же.

График Лайнуивера-Берка, обратный графику Михаэлиса-Ментен, обратной величины скорости (1 / V) против обратной концентрации субстрата (1 / [S]) нормальной активности фермента (синий) по сравнению с активностью фермента с конкурентный ингибитор (красный). Добавление конкурентного ингибитора к ферментативной реакции увеличивает K_м реакции, но V_{Максимум} остается такой же.

Сульфаниламидные препараты также действуют как конкурентные ингибиторы. Например, сульфаниламид конкурентно связывается с ферментом в дигидроптероатсинтаза (DHPS) активный сайт, имитируя субстрат парааминобензойная кислота (ПАБА).^[15] Это предотвращает связывание самого субстрата, что останавливает производство фолиевой кислоты, важного 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 окисление сукцинат к фумарат в Цикл Кребса. Малонат является конкурентным ингибитором 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, а сукцинат - нет. Таким образом, он тормозит реакцию.^[16]

Другой возможный механизм аллостерического конкурентного торможения.

Уравнение

Модель Михаэлиса – Ментен может быть бесценным инструментом для понимания кинетики ферментов. Согласно этой модели, график скорости реакции (V₀), связанный с концентрацией [S] субстрата, можно затем использовать для определения таких значений, как V_{Максимум}, начальная скорость и K_м (V_{Максимум}/ 2 или сродство фермента к субстратному комплексу).^[4]

Конкурентное торможение увеличивает кажущуюся ценность Михаэлис-Ментен постоянный, ${ Displaystyle К_ {м} ^ { текст {приложение}}}$, такая, что начальная скорость реакции ${ displaystyle V_ {0}}$, дан кем-то

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

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

${ Displaystyle V _ { max}}$ остается неизменным, поскольку присутствие ингибитора можно преодолеть за счет более высоких концентраций субстрата. ${ Displaystyle К_ {м} ^ { текст {приложение}}}$, концентрация субстрата, необходимая для достижения ${ Displaystyle V _ { max} / 2}$, увеличивается при наличии конкурентного ингибитора. Это связано с тем, что концентрация субстрата, необходимая для достижения ${ Displaystyle V _ { max}}$ с ингибитором больше, чем концентрация субстрата, необходимая для достижения ${ Displaystyle V _ { max}}$ без ингибитора.

Вывод

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 установившемся 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 ферментов равна ${ displaystyle [{ ce {E}}] _ {0} = [{ ce {E}}] + [{ ce {ES}}] + [{ ce {EI}}]}$, и скорость измеряется в условиях, в которых концентрации субстрата и ингибитора существенно не меняются и накопилось незначительное количество продукта.

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)

куда ${ Displaystyle { ce {[S], [I]}}}$ и ${ displaystyle { ce {[E] _0}}}$ известны. Начальная скорость определяется как ${ displaystyle V_ {0} = d [{ ce {P}}] / dt = k_ {2} [{ ce {ES}}]}$, поэтому нам нужно определить неизвестное ${ displaystyle { ce {[ES]}}}$ с точки зрения знаний ${ Displaystyle { ce {[S], [I]}}}$ и ${ displaystyle { ce {[E] _0}}}$.

Из уравнения (3) можно определить E с точки зрения ES переставив на

${ displaystyle k_ {1} [{ ce {E}}] [{ ce {S}}] = (k _ {- 1} + k_ {2}) [{ ce {ES}}]}$

Деление на ${ displaystyle k_ {1} [{ ce {S}}]}$ дает

${ displaystyle [{ ce {E}}] = { frac {(k _ {- 1} + k_ {2}) [{ ce {ES}}]} {k_ {1} [{ ce {S }}]}}}$

Как и при выводе уравнения Михаэлиса – Ментен, член ${ Displaystyle (к _ {- 1} + к_ {2}) / к_ {1}}$ можно заменить на макроскопическую константу скорости ${ displaystyle K_ {m}}$:

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

(5)

Подставляя уравнение (5) в уравнение (4), у нас есть

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

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 ${ displaystyle K_ {i} = k _ {- 3} / k_ {3}}$, давая

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

(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

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

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

(7)

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

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

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

Поскольку скорость максимальна, когда весь фермент связан как фермент-субстратный комплекс, ${ displaystyle V _ { max} = k_ {2} [{ ce {E}}] _ {0}}$Замена и объединение терминов в итоге дает обычную форму:

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

(8)

Для вычисления концентрации конкурентного ингибитора ${ displaystyle { ce {[I]}}}$ что дает дробь ${ displaystyle f_ {V {_ {0}}}}$ скорости ${ displaystyle V_ {0}}$ куда ${ displaystyle 0$:

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

(9)

Примечания и ссылки

Смотрите также

• Регресс Шильда для ингибирования рецептора лиганда
• Неконкурентное торможение