Конкурентное торможение - Competitive inhibition

Этанол ( C
₂ЧАС
₅OH ) служит конкурентным ингибитором метанола и этиленгликоля для фермента алкогольдегидрогеназы в печени, когда присутствует в больших количествах. По этой причине этанол иногда используется как средство для лечения или предотвращения токсичности после случайного проглатывания этих химикатов.

Конкурентное ингибирование - это прерывание химического пути из-за того, что одно химическое вещество подавляет 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 антиметаболитов , и соревновательная форма отравления (которая может включать любой из вышеупомянутых типов).

Тип ингибирования ферментов

При конкурентном ингибировании ферментного катализа связывание ингибитора предотвращает связывание целевой молекулы фермента, также известной как субстрат. Это достигается за счет 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. Конкурентное ингибирование можно преодолеть путем добавления в реакцию большего количества субстрата, что увеличивает шансы связывания фермента и субстрата. В результате конкурентное торможение изменяет только K _m , оставляя V _max прежним. 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.

Большинство конкурентных ингибиторов функционируют путем обратимого связывания с активным центром фермента. В результате, многие источники утверждают, что это определяющая черта конкурентных ингибиторов. Это, однако, ошибочное упрощение , поскольку существует множество возможных механизмов, с помощью которых фермент может связывать либо ингибитор, либо субстрат, но никогда оба одновременно. Например, аллостерические ингибиторы могут отображать конкурентные, неконкурентного или неконкурентного ингибирования.

Механизм

Диаграмма, показывающая конкурентное торможение

При конкурентном ингибировании ингибитор, который похож на нормальный субстрат, связывается с ферментом, обычно в активном центре , и предотвращает связывание субстрата. 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 приводя к ней. При конкурентном ингибировании ингибитор напоминает субстрат, занимая его место и связываясь с активным центром фермента. Увеличение концентрации субстрата уменьшит «конкуренцию» за то, что субстрат должным образом связывается с активным сайтом, и позволит протекать реакции. 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. Например, метотрексат - это химиотерапевтический препарат, который действует как конкурентный ингибитор. Это структурно сходное с коэнзимом , фолиевой кислотой , который связывается с ферментом дигидрофолатредуктазы . 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. Таким образом, раковые клетки не могут расти и делиться. Другой пример: простагландины вырабатываются в больших количествах в ответ на боль и могут вызывать 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, поскольку они могут действовать как субстрат, связываться с ферментом и блокировать простагландины.

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. 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. 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 путем увеличения концентрации субстрата. Если это необратимо, единственный способ преодолеть это - произвести больше мишени (и обычно разрушать и / или выводить необратимо заторможенную мишень).

Практически в каждом случае конкурентные ингибиторы связываются в том же самом 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, 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 сайтом, который снижает сродство рецептора глицина к глицину, что приводит к судорогам из-за уменьшения ингибирования глицином.

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

Конкурентное ингибирование также может быть аллостерическим, если ингибитор и субстрат не могут связывать фермент одновременно.

Биологические примеры

После случайного проглатывания загрязненного опиоидного препарата десметилпродина был обнаружен нейротоксический эффект 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина ( МРТР ). MPTP способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и проникать в кислые лизосомы . МФТП биологически активируется МАО-В, изоферментом моноаминоксидазы (МАО), который в основном сконцентрирован при неврологических расстройствах и заболеваниях. 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. MPP + в конечном итоге перемещается 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 + в том числе метиленового синего , 5-нитроиндазола , norharman , 9-methylnorharman и менадион . 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 _m реакции, но V _max остается прежним.

График Лайнуивера-Берка, обратный графику Михаэлиса-Ментен, обратной величины скорости (1 / V) по сравнению с концентрацией субстрата (1 / [S]) нормальной активности фермента (синий) по сравнению с активностью фермента с конкурентный ингибитор (красный). Добавление конкурентного ингибитора к ферментативной реакции увеличивает K _m реакции, но V _max остается прежним.

Сульфатные препараты также действуют как конкурентные ингибиторы. Например, сульфаниламид конкурентно связывается с ферментом в активном центре дигидроптероатсинтазы (DHPS), имитируя субстрат парааминобензойной кислоты (PABA). 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 продемонстрирован экспериментально для фермента янтарной дегидрогеназы, который катализирует окисление сукцината до фумарата в цикле Кребса . Малонат является конкурентным ингибитором янтарной дегидрогеназы. Связывание янтарной дегидрогеназы с субстратом, сукцинатом, конкурентно ингибируется. Это происходит потому, что химический состав малоната аналогичен сукцинату. 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.

Другой возможный механизм аллостерического конкурентного торможения.

Уравнение

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).

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. , необходимая для достижения концентрация субстрата 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. ${\ Displaystyle К_ {м} ^ {\ текст {приложение}}}$ ${\ Displaystyle V _ {\ max} / 2}$ ${\ displaystyle V _ {\ max}}$ ${\ displaystyle V _ {\ max}}$

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 такое поведение свидетельствует о связывании 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 : ${\ Displaystyle (к _ {- 1} + к_ {2}) / к_ {1}}$ ${\ displaystyle K_ {m}}$

{\ 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}}] {\ 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 , 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 : ${\ displaystyle {\ ce {[I]}}}$ ${\ displaystyle f_ {V {_ {0}}}}$ ${\ displaystyle V_ {0}}$ ${\ displaystyle 0 <f_ {V {_ {0}}} <1}$