Неконкурентное ингибирование

Неконкурентное торможение (которое Лейдлер и Бантинг предпочитали называть антиконкурентным торможением ). ^[1] но этот термин не получил широкого распространения) — тип торможения, при котором кажущиеся значения параметров Михаэлиса–Ментен $V$ и $K_{\mathrm {m} }$ уменьшаются в той же пропорции.

Его можно распознать по двум наблюдениям: во-первых, его нельзя обратить вспять, увеличивая концентрацию субстрата. $a$ и, во-вторых, линейные графики показывают влияние на $V$ и $K_{\mathrm {m} }$ , что видно, например, на графике Лайнуивера-Бёрка как параллельные, а не пересекающиеся линии. Иногда это объясняют предположением, что ингибитор может связываться с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом. Этот тип механизма довольно редок, ^[2] на практике неконкурентное ингибирование встречается главным образом как предельный случай ингибирования в двухсубстратных реакциях, в которых концентрация одного субстрата варьируется, а концентрация другого поддерживается постоянной на уровне насыщения. ^[3]^[4]

Математическое определение

При неконкурентном ингибировании при концентрации ингибитора $i$ уравнение Михаэлиса–Ментен принимает следующий вид: ^[4]

v={\frac {Va}{K_{\mathrm {m} }+a(1+i/K_{\mathrm {iu} })}}

в котором $v$ скорость при концентрациях $a$ субстрата и $i$ ингибитора, для ограничения скорости $V$ , они состоят из Михаэлиса $K_{\mathrm {m} }$ и константа неконкурентного ингибирования $K_{\mathrm {iu} }$ .

Оно имеет в точности форму уравнения Михаэлиса-Ментен, в чем можно убедиться, записав его через кажущиеся кинетические константы:

v={\frac {V^{\mathrm {app} }a}{K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }+a}}

в котором $V^{\mathrm {app} }={\frac {V}{1+i/K_{\mathrm {iu} }}}{\text{ and }}K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }={\frac {K_{\mathrm {m} }}{1+i/K_{\mathrm {iu} }}}$

Важно отметить, что $V^{\mathrm {app} }$ и $K_{\mathrm {m} }^{\mathrm {app} }$ уменьшаются в тех же пропорциях в результате торможения.

Это становится очевидным при просмотре графика Лайнуивера-Бёрка неконкурентного ингибирования ферментов: соотношение между V и K _m остается неизменным как с присутствием ингибитора, так и без него.

Это можно увидеть в любом из распространенных способов построения данных Михаэлиса-Ментен, таких как график Лайнуивера-Бёрка , для которого при неконкурентном ингибировании образуется линия, параллельная исходному графику фермент-субстрат, но с более высоким отрезком на ординате. : ^[5]^[6]

{\frac {1}{v}}={\frac {K_{\mathrm {m} }}{Va}}+{\frac {1+i/K_{\mathrm {iu} }}{V}}

Последствия и использование в биологических системах

Уникальные особенности неконкурентного ингибирования приводят к множеству последствий для эффектов ингибирования в биологических и биохимических системах. Неконкурентное ингибирование присутствует в биологических системах по-разному. Фактически, часто становится ясно, что свойства торможения, специфичные для неконкурентных ингибиторов, такие как их склонность действовать наилучшим образом при высоких концентрациях субстрата, необходимы для правильного функционирования некоторых важных функций организма. ^[7]

Участие в механизмах рака

Неконкурентные механизмы задействованы при некоторых типах рака. Было обнаружено, что некоторые человеческие щелочные фосфатазы сверхэкспрессируются при определенных типах рака, и эти фосфатазы часто действуют посредством неконкурентного ингибирования. Также было обнаружено, что ряд генов, кодирующих щелочные фосфатазы человека, неконкурентно ингибируются такими аминокислотами, как лейцин и фенилаланин . ^[8] Исследования задействованных аминокислотных остатков были предприняты в попытках регулировать активность щелочной фосфатазы и узнать больше о значении этой активности для рака. ^[9]

Кроме того, неконкурентное ингибирование работает вместе с белком 53, связанным с трансформацией , помогая подавлять активность раковых клеток и предотвращать онкогенез при определенных формах заболевания, поскольку оно ингибирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу (фермент пентозофосфатного пути ). Одна из побочных ролей, за которые отвечает этот фермент, заключается в регулировании уровня активного кислорода, поскольку активные формы кислорода должны поддерживаться на соответствующих уровнях, чтобы клетки могли выжить. Когда концентрация глюкозо-6-фосфата , субстрата фермента, высока, неконкурентное ингибирование фермента становится гораздо более эффективным. ^[10] Эта чрезвычайная чувствительность к концентрации субстрата в механизме рака предполагает неконкурентное ингибирование, а не смешанное ингибирование, которое демонстрирует аналогичные черты, но часто менее чувствительно к концентрации субстрата из-за того, что некоторые ингибиторы связываются со свободными ферментами независимо от присутствия субстрата. ^[7] Таким образом, чрезвычайная сила неконкурентных ингибиторов при высоких концентрациях субстрата и общая чувствительность к количеству субстрата указывают на то, что только неконкурентное ингибирование может сделать этот тип процесса возможным.

Значение в мембранах клеток и органелл.

Хотя неконкурентное торможение присутствует при различных заболеваниях биологических систем, оно не обязательно относится только к патологиям. Он может участвовать в типичных функциях организма. Например, активные центры, способные к неконкурентному ингибированию, по-видимому, присутствуют в мембранах, поскольку было показано, что удаление липидов из клеточных мембран и повышение доступности активных центров за счет конформационных изменений вызывают элементы, напоминающие эффекты неконкурентного ингибирования (т.е. $V$ и $K_{\mathrm {m} }$ снижаться). В частности, в липидах митохондриальных мембран удаление липидов уменьшает содержание α-спиралей в митохондриях и приводит к изменениям в АТФазе, напоминающим неконкурентное ингибирование. ^[11]

Наличие неконкурентных ферментов в мембранах также было подтверждено в ряде других исследований. Например, в исследованиях фактора рибозилирования белка ADP , который участвует в регуляции мембранной активности, было обнаружено, что брефелдин А , лактонный противовирусный препарат, захватывает один из промежуточных продуктов белка посредством неконкурентного ингибирования. Это дало понять, что этот тип торможения существует в различных типах клеток и органелл, а не только в патологических клетках. Фактически было обнаружено, что брефелдин А связан с активностью аппарата Гольджи и его ролью в регуляции движения через клеточную мембрану. ^[12]

Наличие в зернистом слое мозжечка

Неконкурентное торможение может играть роль и в других частях тела. Это часть механизма, посредством которого N -метил- D -аспартат-глутаматные рецепторы , например, в мозге ингибируются . В частности, этот тип торможения влияет на гранулярные клетки, составляющие слой мозжечка. Эти клетки имеют упомянутые рецепторы, и их активность обычно увеличивается по мере потребления этанола. Это часто приводит к абстинентному синдрому при отмене этанола. Различные неконкурентные блокаторы действуют как антагонисты рецепторов и модифицируют процесс, одним из примеров является ингибитор мемантин . ^[13] Фактически, в подобных случаях (включающих сверхэкспрессию рецепторов N -метил- D -аспартата глутамата, хотя и не обязательно через этанол), неконкурентное ингибирование помогает свести на нет сверхэкспрессию из-за его особых свойств. Поскольку неконкурентные ингибиторы очень эффективно блокируют высокие концентрации субстратов, их свойства наряду с врожденными характеристиками самих рецепторов приводят к очень эффективной блокировке N -метил- D -аспартат-глутаматных каналов, когда они чрезмерно открыты из-за огромного количества агонистов. ^[14]

Примеры неконкурентного ингибирования

Исследования ингибиторов HSD17B13 на основе фенола указывают на неконкурентный способ ингибирования НАД. ⁺. ^[15]

Ссылки

^ Лейдлер, Кейт Дж.; Бантинг, Питер С. (1973). Химическая кинетика действия ферментов . Кларендон Пресс, Оксфорд.
^ Корниш-Боуден, А. (1986). «Почему неконкурентное ингибирование так редко? Возможное объяснение, имеющее последствия для разработки лекарств и пестицидов». ФЭБС Летт . 203 (1): 3–6. дои : 10.1016/0014-5793(86)81424-7 .
^ Клеланд, В.В. «Кинетика ферментативно-катализируемых реакций с двумя или более субстратами или продуктами: II. Ингибирование: номенклатура и теория». Биохим. Биофиз. Акта . 67 (2): 173–187. дои : 10.1016/0926-6569(63)90226-8 .
^ Jump up to: ^а ^б Корниш-Боуден, Атель (2012). Основы кинетики ферментов (4-е изд.). Уайли-Блэквелл, Вайнхайм. стр. 25–75. ISBN 978-3-527-33074-4 .
^ Роудс Д. «Кинетика ферментов - одиночный субстрат, неконкурентное ингибирование, график Лайнуивера-Берка» . Университет Пердью . Проверено 31 августа 2013 г.
^ Корниш-Боуден А (январь 1974 г.). «Простой графический метод определения констант ингибирования смешанных, неконкурентных и неконкурентных ингибиторов» . Биохимический журнал . 137 (1): 143–4. дои : 10.1042/bj1370143 . ПМК 1166095 . ПМИД 4206907 .
^ Jump up to: ^а ^б Нагорский С.Р., Раган К.И., Чаллисс Р.А. (август 1991 г.). «Литий и цикл фосфоинозитидов: пример неконкурентного ингибирования и его фармакологические последствия». Тенденции в фармакологических науках . 12 (8): 297–303. дои : 10.1016/0165-6147(91)90581-C . ПМИД 1658998 .
^ Миллан Х.Л. (июль 1992 г.). «Щелочная фосфатаза как репортер раковой трансформации». Клиника Химика Акта; Международный журнал клинической химии . 209 (1–2): 123–9. дои : 10.1016/0009-8981(92)90343-O . ПМИД 1395034 .
^ Миллан Х.Л., Фишман В.Х. (1995). «Биология щелочных фосфатаз человека с особым упором на рак». Критические обзоры клинических лабораторных наук . 32 (1): 1–39. дои : 10.3109/10408369509084680 . ПМИД 7748466 .
^ Найс Дж.В. (ноябрь 2018 г.). «Обнаружение нового, специфичного для приматов механизма подавления опухоли, который может фундаментально контролировать риск развития рака у людей: неожиданный поворот в базовой биологии TP53» . Эндокринный рак . 25 (11): 497–517 р. дои : 10.1530/ERC-18-0241 . ПМК 6106910 . ПМИД 29941676 .
^ Леназ Дж., Куратола Дж., Маццанти Л., Паренти-Кастелли Дж. (ноябрь 1978 г.). «Биофизические исследования агентов, влияющих на состояние мембранных липидов: биохимические и фармакологические последствия». Молекулярная и клеточная биохимия . 22 (1): 3–32. дои : 10.1007/bf00241467 . ПМИД 154058 . S2CID 28599836 .
^ Зегуф М., Гиберт Б., Зих Дж.К., Черфилс Дж. (декабрь 2005 г.). «Arf, Sec7 и Брефельдин А: модель терапевтического ингибирования факторов обмена гуаниновых нуклеотидов». Труды Биохимического общества . 33 (Часть 6): 1265–8. дои : 10.1042/BST20051265 . ПМИД 16246094 .
^ Табаков Б., Хоффман П.Л. (март 1993 г.). «Этанол, седативные снотворные средства и функции рецепторов глутамата в мозге и культивируемых клетках». Генетика поведения . 23 (2): 231–6. дои : 10.1007/BF01067428 . ПМИД 8390239 . S2CID 12640658 .
^ Накамура Т., Lipton SA (январь 2008 г.). «Новая роль S-нитрозилирования в неправильном сворачивании белков и нейродегенеративных заболеваниях». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 10 (1): 87–101. дои : 10.1089/ars.2007.1858 . ПМИД 17961071 .
^ Тамм, Свен; Вильвахер, Марина К.; Аспнес, Гэри Э.; Бретшнайдер, Том; Браун, Николас Ф.; Бушбом-Хельмке, Силке; Фокс, Томас; Гаргано, Эмануэле М.; Грабовский, Дэниел; Хенке, Кристоф; Матера, Дамиан; Муек, Катя; Петерс, Стефан; Рейндл, София; Ритер, Дорис (23 февраля 2023 г.). «Открытие нового мощного и селективного ингибитора HSD17B13, BI-3231, хорошо изученного химического зонда, доступного для открытой науки» . Журнал медицинской химии . 66 (4): 2832–2850. doi : 10.1021/acs.jmedchem.2c01884 . ISSN 0022-2623 . ПМЦ 9969402 . ПМИД 36727857 .

[1] Лейдлер, Кейт Дж.; Бантинг, Питер С. (1973). Химическая кинетика действия ферментов . Кларендон Пресс, Оксфорд.

[2] Корниш-Боуден, А. (1986). «Почему неконкурентное ингибирование так редко? Возможное объяснение, имеющее последствия для разработки лекарств и пестицидов». ФЭБС Летт . 203 (1): 3–6. дои : 10.1016/0014-5793(86)81424-7 .

[3] Клеланд, В.В. «Кинетика ферментативно-катализируемых реакций с двумя или более субстратами или продуктами: II. Ингибирование: номенклатура и теория». Биохим. Биофиз. Акта . 67 (2): 173–187. дои : 10.1016/0926-6569(63)90226-8 .

[fek-4] Jump up to: ^а ^б Корниш-Боуден, Атель (2012). Основы кинетики ферментов (4-е изд.). Уайли-Блэквелл, Вайнхайм. стр. 25–75. ISBN 978-3-527-33074-4 .

[5] Роудс Д. «Кинетика ферментов - одиночный субстрат, неконкурентное ингибирование, график Лайнуивера-Берка» . Университет Пердью . Проверено 31 августа 2013 г.

[Cornish-Bowden_1974-6] Корниш-Боуден А (январь 1974 г.). «Простой графический метод определения констант ингибирования смешанных, неконкурентных и неконкурентных ингибиторов» . Биохимический журнал . 137 (1): 143–4. дои : 10.1042/bj1370143 . ПМК 1166095 . ПМИД 4206907 .

[:32-7] Jump up to: ^а ^б Нагорский С.Р., Раган К.И., Чаллисс Р.А. (август 1991 г.). «Литий и цикл фосфоинозитидов: пример неконкурентного ингибирования и его фармакологические последствия». Тенденции в фармакологических науках . 12 (8): 297–303. дои : 10.1016/0165-6147(91)90581-C . ПМИД 1658998 .

[8] Миллан Х.Л. (июль 1992 г.). «Щелочная фосфатаза как репортер раковой трансформации». Клиника Химика Акта; Международный журнал клинической химии . 209 (1–2): 123–9. дои : 10.1016/0009-8981(92)90343-O . ПМИД 1395034 .

[:1-9] Миллан Х.Л., Фишман В.Х. (1995). «Биология щелочных фосфатаз человека с особым упором на рак». Критические обзоры клинических лабораторных наук . 32 (1): 1–39. дои : 10.3109/10408369509084680 . ПМИД 7748466 .

[:2-10] Найс Дж.В. (ноябрь 2018 г.). «Обнаружение нового, специфичного для приматов механизма подавления опухоли, который может фундаментально контролировать риск развития рака у людей: неожиданный поворот в базовой биологии TP53» . Эндокринный рак . 25 (11): 497–517 р. дои : 10.1530/ERC-18-0241 . ПМК 6106910 . ПМИД 29941676 .

[:4-11] Леназ Дж., Куратола Дж., Маццанти Л., Паренти-Кастелли Дж. (ноябрь 1978 г.). «Биофизические исследования агентов, влияющих на состояние мембранных липидов: биохимические и фармакологические последствия». Молекулярная и клеточная биохимия . 22 (1): 3–32. дои : 10.1007/bf00241467 . ПМИД 154058 . S2CID 28599836 .

[12] Зегуф М., Гиберт Б., Зих Дж.К., Черфилс Дж. (декабрь 2005 г.). «Arf, Sec7 и Брефельдин А: модель терапевтического ингибирования факторов обмена гуаниновых нуклеотидов». Труды Биохимического общества . 33 (Часть 6): 1265–8. дои : 10.1042/BST20051265 . ПМИД 16246094 .

[13] Табаков Б., Хоффман П.Л. (март 1993 г.). «Этанол, седативные снотворные средства и функции рецепторов глутамата в мозге и культивируемых клетках». Генетика поведения . 23 (2): 231–6. дои : 10.1007/BF01067428 . ПМИД 8390239 . S2CID 12640658 .

[14] Накамура Т., Lipton SA (январь 2008 г.). «Новая роль S-нитрозилирования в неправильном сворачивании белков и нейродегенеративных заболеваниях». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 10 (1): 87–101. дои : 10.1089/ars.2007.1858 . ПМИД 17961071 .

[15] Тамм, Свен; Вильвахер, Марина К.; Аспнес, Гэри Э.; Бретшнайдер, Том; Браун, Николас Ф.; Бушбом-Хельмке, Силке; Фокс, Томас; Гаргано, Эмануэле М.; Грабовский, Дэниел; Хенке, Кристоф; Матера, Дамиан; Муек, Катя; Петерс, Стефан; Рейндл, София; Ритер, Дорис (23 февраля 2023 г.). «Открытие нового мощного и селективного ингибитора HSD17B13, BI-3231, хорошо изученного химического зонда, доступного для открытой науки» . Журнал медицинской химии . 66 (4): 2832–2850. doi : 10.1021/acs.jmedchem.2c01884 . ISSN 0022-2623 . ПМЦ 9969402 . ПМИД 36727857 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]