Уравнение Хилла (биохимия)

В биохимии и фармакологии уравнение Хилла относится к двум тесно связанным уравнениям, которые отражают связывание лигандов с макромолекулами в зависимости от концентрации лиганда . Лиганд — это «вещество, образующее комплекс с биомолекулой для достижения биологической цели» ( определение лиганда ), а макромолекула — это очень большая молекула, например белок, со сложной структурой компонентов ( определение макромолекулы ). Связывание белок-лиганд обычно меняет структуру белка-мишени, тем самым изменяя его функцию в клетке.
Разница между двумя уравнениями Хилла заключается в том, измеряют ли они занятость или реакцию . Уравнение Хилла отражает заселенность макромолекул: фракцию, насыщенную или связанную лигандом . [1] [2] [номер 1] Это уравнение формально эквивалентно изотерме Ленгмюра . [3] И наоборот, собственно уравнение Хилла отражает реакцию клеток или тканей на лиганд: физиологический результат системы, такой как сокращение мышц.
Уравнение Хилла было первоначально сформулировано Арчибальдом Хиллом в 1910 году для описания сигмоидальной O 2 кривой связывания гемоглобина . [4]
Связывание лиганда с макромолекулой часто усиливается, если в той же макромолекуле уже присутствуют другие лиганды (это известно как кооперативное связывание ). Уравнение Хилла полезно для определения степени кооперативности связывания лиганда(ов) с ферментом или рецептором. Коэффициент Хилла позволяет количественно оценить степень взаимодействия между сайтами связывания лигандов. [5]
Уравнение Хилла (для ответа) важно при построении кривых «доза-эффект» .
Доля лиганд-связанных рецепторов
[ редактировать ]
Уравнение Хилла обычно выражается следующим образом. [2] [7] [8]
- ,
где:
- представляет собой долю концентрации рецепторного белка , связанную лигандом ,
- – общая концентрация лигандов ,
- — кажущаяся константа диссоциации, выведенная из закона действия масс ,
- - концентрация лигандов, обеспечивающая половину занятости,
- – коэффициент Хилла.
Особый случай, когда является уравнением Моно .
Константы
[ редактировать ]В фармакологии, часто пишется как , где - лиганд, эквивалентный L, и является рецептором. может быть выражено через общее количество рецепторов и концентрации рецепторов, связанных с лигандами: . равна отношению скорости диссоциации лиганд-рецепторного комплекса 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 мест связывания. В современной литературе эту константу иногда называют . [8]
Уравнение Гаддума
[ редактировать ]Уравнение Гаддума представляет собой дальнейшее обобщение уравнения Хилла, включающее наличие обратимого конкурентного антагониста. [1] Уравнение Гаддума выводится аналогично уравнению Хилла, но с двумя состояниями равновесия: как лиганда с рецептором, так и антагониста с рецептором. Следовательно, уравнение Гаддума имеет две константы: константы равновесия лиганда и константы антагониста.
Участок холма
[ редактировать ]
График Хилла представляет собой преобразование уравнения Хилла в прямую линию.
Взяв обратное значение обеих частей уравнения Хилла, переставив и снова инвертировав, получим: . Логарифмирование обеих частей уравнения приводит к альтернативной формулировке уравнения Хилла-Лэнгмюра:
- .
Эта последняя форма уравнения Хилла предпочтительна, поскольку график против дает линейный график , который называется графиком Хилла. [7] [8] Поскольку наклон графика Хилла равен коэффициенту Хилла для биохимического взаимодействия, наклон обозначается как . Таким образом, наклон больше единицы указывает на положительное кооперативное связывание между рецептором и лигандом, тогда как наклон меньше единицы указывает на отрицательное кооперативное связывание.
Преобразования уравнений в линейные формы, подобные этому, были очень полезны до широкого использования компьютеров, поскольку они позволяли исследователям определять параметры, подгоняя линии к данным. Однако эти преобразования влияют на распространение ошибок, и это может привести к чрезмерному весу ошибки в точках данных вблизи 0 или 1. [номер 2] Это влияет на параметры линий линейной регрессии, соответствующих данным. Кроме того, использование компьютеров позволяет проводить более надежный анализ с использованием нелинейной регрессии .
Реакция тканей
[ редактировать ]
Следует проводить различие между количественной оценкой лекарств, связывающихся с рецепторами, и лекарств, вызывающих реакции. Между этими двумя значениями не обязательно может быть линейная связь. В отличие от предыдущего определения уравнения Хилла в этой статье, IUPHAR определяет уравнение Хилла с точки зрения реакции ткани. , как [1] где концентрация препарата, - коэффициент Хилла, а — это концентрация препарата, обеспечивающая максимальный ответ на 50%. Константы диссоциации (в предыдущем разделе) относятся к связыванию лиганда, а отражает реакцию тканей.
Эта форма уравнения может отражать реакцию тканей/клеток/популяции на лекарственные средства и может использоваться для построения кривых доза-эффект . Отношения между и EC50 может быть весьма сложным, поскольку биологический ответ будет представлять собой сумму множества факторов; лекарство будет иметь другой биологический эффект, если присутствует больше рецепторов, независимо от его сродства.
Модель Дель-Кастильо-Каца используется для связи уравнения Хилла с активацией рецептора путем включения второго равновесия рецептора, связанного с лигандом, к активированной форме рецептора, связанного с лигандом.
Статистический анализ реакции как функции стимула может выполняться с помощью методов регрессии, таких как пробит-модель или логит-модель , или других методов, таких как метод Спирмена-Кербера . [9] Эмпирические модели, основанные на нелинейной регрессии, обычно предпочтительнее использования некоторого преобразования данных, которое линеаризирует зависимость «доза-реакция». [10]
Коэффициент Хилла
[ редактировать ]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). Когда это уместно, [ нужны разъяснения ] значение коэффициента Хилла описывает кооперативность связывания лиганда следующим образом:
- . Положительное кооперативное связывание : как только одна молекула лиганда связывается с ферментом, ее сродство к другим молекулам лиганда увеличивается. Например, коэффициент Хилла связывания кислорода с гемоглобином (пример положительной кооперативности) находится в пределах 1,7–3,2. [5]
- . Отрицательное кооперативное связывание : как только одна молекула лиганда связывается с ферментом, ее сродство к другим молекулам лиганда снижается.
- . Некооперативное (полностью независимое) связывание : сродство фермента к молекуле лиганда не зависит от того, связаны ли уже другие молекулы лиганда. Когда n = 1, мы получаем модель, которую можно смоделировать кинетикой Михаэлиса – Ментен : [11] в котором , константа Михаэлиса-Ментен .
Коэффициент Хилла можно приблизительно рассчитать через индекс кооперативности Такеты и Погелла. [12] следующее: [13]
- .
где и — это входные значения, необходимые для получения 10% и 90% максимального ответа соответственно.
Двусторонняя форма
[ редактировать ]Наиболее распространенной формой уравнения Хилла является его необратимая форма. Однако при построении вычислительных моделей часто требуется обратимая форма для моделирования ингибирования продукта. По этой причине Хофмейр и Корниш-Боуден разработали обратимое уравнение Хилла . [14]
Связь с коэффициентами эластичности
[ редактировать ]Коэффициент Хилла также тесно связан с коэффициентом эластичности , где можно показать, что коэффициент Хилла равен:
где - дробное насыщение, , и коэффициент эластичности.
Это получается путем определения наклона уравнения Хилла:
и расширение наклона с использованием правила частного. Результат показывает, что эластичность никогда не может превышать поскольку приведенное выше уравнение можно преобразовать к:
Приложения
[ редактировать ]Уравнение Хилла широко используется в фармакологии для количественной оценки функциональных параметров лекарственного средства. [ нужна ссылка ] а также используются в других областях биохимии.
Уравнение Хилла можно использовать для описания зависимости «доза-эффект», например, ионного канала (P-открытия) в зависимости от концентрации лиганда. вероятности открытия [15]
Регуляция транскрипции генов
[ редактировать ]Уравнение Хилла можно применять для моделирования скорости, с которой вырабатывается генный продукт, когда его родительский ген регулируется факторами транскрипции (например, активаторами и/или репрессорами ). [11] Это целесообразно, когда ген регулируется несколькими сайтами связывания факторов транскрипции, и в этом случае факторы транскрипции могут связываться с ДНК кооперативным образом. [16]
Если выработка белка геном X регулируется ( активируется ) транскрипционным фактором Y , то скорость производства белка X можно смоделировать как дифференциальное уравнение с точки зрения концентрации активированного белка Y :
- ,
где k максимальная скорость транскрипции гена X. —
Аналогично, если производство белка геном Y подавляется ( подавляется ) транскрипционным фактором Z , то скорость производства белка Y можно смоделировать как дифференциальное уравнение с точки зрения концентрации активированного белка Z :
- ,
где k максимальная скорость транскрипции гена Y. —
Ограничения
[ редактировать ]Из-за предположения, что молекулы-лиганды связываются с рецептором одновременно, уравнение Хилла подверглось критике как физически нереалистичная модель. [5] Более того, коэффициент Хилла не следует рассматривать как надежное приближение числа 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 Хилла мало что дает для понимания основных физиологических механизмов взаимодействий белок-лиганд. Однако именно эта простота делает уравнение Хилла полезной эмпирической моделью, поскольку его использование не требует особых 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 Кооперативная привязка .
Мера глобальной чувствительности, такая как коэффициент Хилла, не характеризует локальное поведение s-образных кривых. Вместо этого эти характеристики хорошо фиксируются показателем коэффициента отклика. [18]
Существует связь между коэффициентом Хилла и коэффициентом отклика следующим образом. Альтшилер и др. (2017) показали, что эти показатели сверхчувствительности могут быть связаны между собой. [13]
См. также
[ редактировать ]- Коэффициент привязки
- Бьеррумский сюжет
- Кооперативная привязка
- Кривая Гомпертца
- Модель адсорбции Ленгмюра
- Логистическая функция
- Кинетика Михаэлиса – Ментен
- Уравнение Моно
Примечания
[ редактировать ]- ^ Для ясности в этой статье будет использоваться соглашение Международного союза фундаментальной и клинической фармакологии о разграничении уравнения Хилла-Лэнгмюра (для насыщения рецепторов) и уравнения Хилла (для реакции тканей).
- ^ См. Распространение неопределенности . Функция распространяет ошибки в как . Отсюда и ошибки в значениях около или придаются гораздо больший вес, чем для
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Нойбиг, Ричард Р. (2003). «Комитет Международного союза фармакологии по номенклатуре рецепторов и классификации лекарств. XXXVIII. Обновленная информация о терминах и символах в количественной фармакологии» (PDF) . Фармакологические обзоры . 55 (4): 597–606. дои : 10.1124/пр.55.4.4 . ПМИД 14657418 . S2CID 1729572 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Гестели, Рудольф; Жуга, Юдит; Кемени-Беке, Адам; Варга, Балаж; Юхас, Бела; Тосаки, Арпад (31 марта 2012 г.). «Уравнение Хилла и происхождение количественной фармакологии». Архив истории точных наук . 66 (4): 427–438. дои : 10.1007/s00407-012-0098-5 . ISSN 0003-9519 . S2CID 122929930 .
- ^ Ленгмюр, Ирвинг (1918). «Адсорбция газов на плоских поверхностях стекла, слюды и платины» . Журнал Американского химического общества . 40 (9): 1361–1403. дои : 10.1021/ja02242a004 .
- ^ Хилл, А.В. (22 января 1910 г.). «Возможное влияние агрегации молекул гемоглобина на кривые его диссоциации» . Дж. Физиол. 40 (Приложение): iv – vii. дои : 10.1113/jphysicalol.1910.sp001386 . S2CID 222195613 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Вайс, Дж. Н. (1 сентября 1997 г.). «Возвращение к уравнению Хилла: использование и неправильное использование» . Журнал ФАСЭБ . 11 (11): 835–841. дои : 10.1096/fasebj.11.11.9285481 . ISSN 0892-6638 . ПМИД 9285481 . S2CID 827335 .
- ^ «Труды Физиологического общества: 22 января 1910 г.». Журнал физиологии . 40 (приложение): i – vii. 1910. doi : 10.1113/jphysicalol.1910.sp001386 . ISSN 1469-7793 . S2CID 222195613 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Стефан, Мелани И.; Новер, Николя Ле (27 июня 2013 г.). «Кооперативный переплет» . PLOS Вычислительная биология . 9 (6): e1003106. Бибкод : 2013PLSCB...9E3106S . дои : 10.1371/journal.pcbi.1003106 . ISSN 1553-7358 . ПМЦ 3699289 . ПМИД 23843752 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2013). Ленингерские принципы биохимии (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 158–162. ISBN 978-1429234146 .
- ^ Гамильтон, Массачусетс; Руссо, RC; Терстон, Р.В. (1977). «Урезанный метод Спирмена-Карбера для оценки медианных летальных концентраций в биоанализах токсичности». Экологические науки и технологии . 11 (7): 714–9. Бибкод : 1977EnST...11..714H . дои : 10.1021/es60130a004 .
- ^ Бейтс, Дуглас М.; Уоттс, Дональд Г. (1988). Нелинейный регрессионный анализ и его приложения . Уайли . п. 365 . ISBN 9780471816430 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Алон, Ури (2007). Введение в системную биологию: принципы проектирования биологических цепей (изд. [Nachdr.]). Бока-Ратон, Флорида: Чепмен и Холл. ISBN 978-1-58488-642-6 .
- ^ Такета, К.; Погель, Б.М. (1965). «Аллостерическое ингибирование фруктозо-1,6-дифосфатазы печени крысы аденозин-5'-монофосфатом» . Ж. Биол. Хим . 240 (2): 651–662. дои : 10.1016/S0021-9258(17)45224-0 . ПМИД 14275118 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Альтшилер, Э; Вентура, AC; Колман-Лернер, А.; Черноморец, А. (2017). «Возврат к сверхчувствительности в сигнальных каскадах: объединение оценок локальной и глобальной сверхчувствительности» . ПЛОС ОДИН . 12 (6): e0180083. arXiv : 1608.08007 . Бибкод : 2017PLoSO..1280083A . дои : 10.1371/journal.pone.0180083 . ПМЦ 5491127 . ПМИД 28662096 .
- ^ Хофмейр, Ян-Хендрик С.; Корниш-Боуден, Атель (1997). «Обратимое уравнение Хилла: как включить кооперативные ферменты в метаболические модели» . Биоинформатика . 13 (4): 377–385. дои : 10.1093/биоинформатика/13.4.377 . ПМИД 9283752 .
- ^ Дин, С; Сакс, Ф (1999). «Одноканальные свойства пуринорецепторов P2X2» . Дж. Генерал Физиол . 113 (5). Издательство Рокфеллеровского университета: 695–720. дои : 10.1085/jgp.113.5.695 . ПМК 2222910 . ПМИД 10228183 .
- ^ Чу, Доминик; Забет, Николае Раду; Митавский, Борис (07 апреля 2009 г.). «Модели связывания факторов транскрипции: чувствительность функций активации к предположениям модели» (PDF) . Журнал теоретической биологии . 257 (3): 419–429. Бибкод : 2009JThBi.257..419C . дои : 10.1016/j.jtbi.2008.11.026 . ПМИД 19121637 .
- ^ Моно, Жак; Вайман, Джеффрис; Шанжё, Жан-Пьер (1 мая 1965 г.). «О природе аллостерических переходов: правдоподобная модель». Журнал молекулярной биологии . 12 (1): 88–118. дои : 10.1016/S0022-2836(65)80285-6 . ПМИД 14343300 .
- ^ Холоденко Борис Н.; и др. (1997). «Количественная оценка передачи информации через клеточные пути передачи сигналов» . Письма ФЭБС . 414 (2): 430–434. Бибкод : 1997FEBSL.414..430K . дои : 10.1016/S0014-5793(97)01018-1 . ПМИД 9315734 . S2CID 19466336 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Иллюстрированный медицинский словарь Дорланда
- Коваль, ML (декабрь 1970 г.). «Анализ коэффициентов взаимодействия Хилла и недействительность уравнения Квона и Брауна» . Ж. Биол. хим. 245 (23): 6335–6. дои : 10.1016/S0021-9258(18)62614-6 . ПМИД 5484812 .
- д'А Хек, Генри (1971). «Статистическая теория кооперативного связывания с белками. Уравнение Хилла и потенциал связывания». Дж. Ам. хим. Соц . 93 (1): 23–29. дои : 10.1021/ja00730a004 . ПМИД 5538860 .
- Аткинс, Гордон Л. (1973). «Простая цифровая компьютерная программа для оценки параметра уравнения Хилла» . Евро. Дж. Биохим . 33 (1): 175–180. дои : 10.1111/j.1432-1033.1973.tb02667.x . ПМИД 4691349 .
- Эндреньи, Ласло; Квонг, ФХФ; Файси, Чаба (1975). «Оценка наклонов Хилла и коэффициентов Хилла, когда привязка насыщения или скорость неизвестны» . Евро. Дж. Биохим . 51 (2): 317–328. дои : 10.1111/j.1432-1033.1975.tb03931.x . ПМИД 1149734 .
- Фут, Дональд; Воэт, Джудит Г. (2004). Биохимия .
- Вайс, Дж. Н. (1997). «Возвращение к уравнению Хилла: использование и неправильное использование» . Журнал ФАСЭБ . 11 (11): 835–841. дои : 10.1096/fasebj.11.11.9285481 . ПМИД 9285481 . S2CID 827335 .
- Курганов Б.И.; Лобанов, А.В. (2001). «Критерий достоверности уравнения Хилла для описания калибровочных кривых биосенсоров». Анальный. Хим. Акта . 427 (1): 11–19. Бибкод : 2001AcAC..427...11K . дои : 10.1016/S0003-2670(00)01167-3 .
- Гутель, Сильвен; Морен, Мишель; Ружье, Флоран; Барбо, Ксавье; Бургиньон, Лоран; Дюшер, Мишель; Мэр, Паскаль (2008). «Уравнение Хилла: обзор его возможностей в фармакологическом моделировании». Фундаментальная и клиническая фармакология . 22 (6): 633–648. дои : 10.1111/j.1472-8206.2008.00633.x . ПМИД 19049668 . S2CID 4979109 .
- Гестели Р; Жуга Дж; Кемени-Беке А; Варга Б; Юхас Б; Тосаки А (2012). «Уравнение Хилла и происхождение количественной фармакологии». Архив истории точных наук . 66 (4): 427–38. дои : 10.1007/s00407-012-0098-5 . S2CID 122929930 .
- Колкухун Д. (2006). «Количественный анализ взаимодействий лекарственного средства и рецептора: краткая история». Тенденции Pharmacol Sci . 27 (3): 149–57. дои : 10.1016/j.tips.2006.01.008 . ПМИД 16483674 .
- Позвонил HP (2006). «Концепция рецептора: большая идея фармакологии» . Бр Джей Фармакол . 147 (Приложение 1): С9–16. дои : 10.1038/sj.bjp.0706457 . ПМК 1760743 . ПМИД 16402126 .