Jump to content

Уравнение Хилла (биохимия)

Кривые связывания, показывающие характерные сигмоидальные кривые, полученные с помощью уравнения Хилла для моделирования кооперативного связывания. Каждая кривая соответствует отдельному коэффициенту Хилла, помеченному справа от кривой. Вертикальная ось отображает долю общего числа рецепторов, связанных лигандом. Горизонтальная ось — концентрация лиганда. По мере увеличения коэффициента Хилла кривая насыщения становится более крутой.

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 ]
График зависимости % насыщения кислородом, связывающегося с гемоглобином, от количества присутствующего кислорода (выраженного как давление кислорода). Данные (красные кружки) и уравнение Хилла соответствуют (черная кривая) из оригинальной статьи Хилла 1910 года. [6]

Уравнение Хилла обычно выражается следующим образом. [2] [7] [8]

,

где:

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, где ось X представляет собой логарифм концентрации лиганда, а ось Y представляет собой преобразованную занятость рецептора. X представляет собой L, а Y представляет собой тэту.

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 ]
Три кривых доза-эффект

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 ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ 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).
  2. ^ См. Распространение неопределенности . Функция распространяет ошибки в как . Отсюда и ошибки в значениях около или придаются гораздо больший вес, чем для
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ Ленгмюр, Ирвинг (1918). «Адсорбция газов на плоских поверхностях стекла, слюды и платины» . Журнал Американского химического общества . 40 (9): 1361–1403. дои : 10.1021/ja02242a004 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ «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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ Бейтс, Дуглас М.; Уоттс, Дональд Г. (1988). Нелинейный регрессионный анализ и его приложения . Уайли . п. 365 . ISBN  9780471816430 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b1d1be1ea634b4d7f521f63e1fa468f4__1716447960
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b1/f4/b1d1be1ea634b4d7f521f63e1fa468f4.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hill equation (biochemistry) - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)