Jump to content

Конкурентное ингибирование

Этанол ( C
2

5
OH ) служит конкурентным ингибитором метанола ( CH
3
OH ) и этиленгликоль ( (CH 2 OH) 2 ) для фермента алкогольдегидрогеназы в печени , когда он присутствует в больших количествах. По этой причине этанол иногда используется в качестве средства 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 . любую метаболическую или химическую информационную Этот принцип потенциально может повлиять на систему, но в биохимии и медицине особенно важны несколько классов конкурентного ингибирования , включая конкурентную форму ингибирования ферментов , конкурентную форму антагонизма рецепторов , конкурентную форму антиметаболитной активности, и конкурентная форма отравления (которая может включать любой из перечисленных видов).

Тип ингибирования ферментов

[ редактировать ]

При конкурентном ингибировании ферментативного катализа связывание ингибитора предотвращает связывание целевой молекулы фермента, также известной как субстрат. [1] Это достигается путем блокирования каким-либо образом сайта связывания субстрата – активного сайта. V max указывает максимальную скорость реакции, а K m представляет собой количество субстрата, необходимое для достижения половины V max . K m также играет роль в определении склонности субстрата связывать фермент. [2] Конкурентное ингибирование можно преодолеть, добавляя в реакцию больше субстрата, что увеличивает вероятность связывания фермента и субстрата. В результате конкурентное ингибирование изменяет только K m , оставляя V max прежним. [3] Это можно продемонстрировать с помощью графиков кинетики ферментов, таких как график Михаэлиса-Ментен или график Лайнуивера-Бёрка . Как только ингибитор связывается с ферментом, наклон будет изменен, поскольку K m либо увеличивается, либо уменьшается по сравнению с исходным K m реакции. [4] [5] [6]

Большинство конкурентных ингибиторов действуют путем обратимого связывания с активным центром фермента. [1] В результате многие источники утверждают, что это определяющая особенность конкурентных ингибиторов. [7] Однако это ошибочное упрощение , поскольку существует множество возможных механизмов, с помощью которых фермент может связывать либо ингибитор, либо субстрат, но никогда то и другое одновременно. [1] Например, аллостерические ингибиторы могут проявлять конкурентное, неконкурентное или неконкурентное ингибирование. [1]

Механизм

[ редактировать ]
Диаграмма, показывающая конкурентное ингибирование

При конкурентном ингибировании ингибитор, напоминающий нормальный субстрат, связывается с ферментом, обычно в активном центре , и предотвращает связывание субстрата. [8] В любой момент фермент может быть связан с ингибитором, субстратом или ни с тем, ни с другим, но он не может связываться с ними обоими одновременно. Во время конкурентного ингибирования ингибитор и субстрат конкурируют за активный центр. Активный центр — это область фермента, с которой может связываться определенный белок или субстрат. Таким образом, активный сайт позволит только одному из двух комплексов связываться с сайтом, либо позволяя протекать реакции, либо вызывая ее. При конкурентном ингибировании ингибитор напоминает субстрат, занимая его место и связываясь с активным центром фермента. Увеличение концентрации субстрата уменьшит «конкуренцию» за правильное связывание субстрата с активным центром и позволит протекать реакции. [3] Когда концентрация субстрата превышает концентрацию конкурентного ингибитора, более вероятно, что субстрат вступит в контакт с активным центром фермента, чем с ингибитором.

Конкурентные ингибиторы обычно используются для производства фармацевтических препаратов. [3] Например, метотрексат — химиотерапевтический препарат, действующий как конкурентный ингибитор. Он структурно подобен коферменту фолату , который связывается с ферментом дигидрофолатредуктазой . [3] Этот фермент участвует в синтезе 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 вырабатывается в больших количествах в ответ на боль и может вызвать воспаление. Незаменимые жирные кислоты образуют простагландины; когда это было обнаружено, оказалось, что на самом деле это 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. [9]

Примером конкурентного подавления, не связанного с лекарствами, является предотвращение потемнения фруктов и овощей. Например, тирозиназа , фермент грибов, обычно связывается с субстратом, монофенолами , и образует коричневые о-хиноны. [10] Конкурентные субстраты, такие как 4-замещенные бензальдегиды грибов, конкурируют с субстратом, снижая количество связывающихся монофенолов. Эти ингибирующие соединения, добавленные в продукт, сохраняют его свежесть в течение более длительного периода времени, уменьшая связывание монофенолов, вызывающих потемнение. [10] Это позволяет повысить качество продукции и увеличить срок ее хранения.

Конкурентное ингибирование может быть обратимым и необратимым. Если это обратимое ингибирование , то действие ингибитора можно преодолеть за счет увеличения концентрации субстрата. [8] Если оно необратимо, единственный способ преодолеть его — это производить больше мишени (и, как правило, разрушать и/или выводить из организма необратимо ингибированную мишень).

Практически в каждом случае конкурентные ингибиторы связываются в том же 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, если он не связывается с аллостерическим сайтом при связывании субстрата. Например, стрихнин действует как аллостерический ингибитор глициновых рецепторов 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 глицинового рецептора к глицину, что приводит к судорогам из-за уменьшения ингибирования глицином. [11]

При конкурентном торможении максимальная скорость ( ) реакции не изменяется, тогда как кажущееся сродство субстрата к месту связывания снижается ( константа диссоциации, по-видимому, увеличивается). Изменение ( константа Михаэлиса-Ментен ) параллельна изменению , поскольку одно увеличивается, другое должно уменьшаться. Когда конкурентный ингибитор связывается с ферментом, увеличивается. Это означает, что аффинность связывания фермента снижается, но ее можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата. [12] Любую данную концентрацию конкурентного ингибитора можно преодолеть за счет увеличения концентрации субстрата. В этом случае субстрат уменьшит доступность ингибитора для связывания и, таким образом, вытеснит ингибитор в связывании с ферментом. [12]

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

Биологические примеры

[ редактировать ]

После случайного приема загрязненного опиоидного препарата десметилпродина нейротоксический МФТП эффект 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина ( ) был обнаружен . МФТП способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и проникать в кислые лизосомы . [13] МФТП биологически активируется МАО-В, изоферментом моноаминоксидазы (МАО), который в основном концентрируется при неврологических расстройствах и заболеваниях. [14] Позже было обнаружено, что МФТП вызывает симптомы, схожие с симптомами болезни Паркинсона . Клетки центральной нервной системы (астроциты) содержат МАО-В, который окисляет МФТП до 1-метил-4-фенилпиридиния (МФП+), который является токсичным. [13] MPP+ в конечном итоге попадает во внеклеточную жидкость с помощью переносчика дофамина , что в конечном итоге вызывает симптомы болезни Паркинсона. Однако конкурентное ингибирование фермента МАО-В или переносчика дофамина защищает от окисления MPTP до MPP+. Несколько соединений были протестированы на способность ингибировать окисление MPTP до MPP+, включая метиленовый синий , 5-нитроиндазол , норхарман , 9-метилнорхарман и менадион . [14] Они продемонстрировали снижение нейротоксичности, вызываемой MPTP.

График Михаэлиса-Ментен зависимости скорости реакции (v) от концентрации субстрата [S] при 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, обратная скорость (1/V) по сравнению с обратной концентрацией субстрата (1/[S]) нормальной активности фермента (синий) по сравнению с активностью фермента при конкурентный ингибитор (красный). Добавление конкурентного ингибитора к ферментативной реакции увеличивает K m реакции, но V max остается прежним.

Сульфамидные препараты также действуют как конкурентные ингибиторы. Например, сульфаниламид конкурентно связывается с ферментом в активном центре дигидроптероатсинтазы (DHPS), имитируя субстрат парааминобензойную кислоту (ПАБА). [15] Это предотвращает связывание самого субстрата, что останавливает выработку фолиевой кислоты, важного питательного вещества. Бактерии должны синтезировать фолиевую кислоту, поскольку у них нет ее переносчика. Без фолиевой кислоты бактерии не могут расти и делиться. Таким образом, благодаря конкурентному ингибированию сульфаниламидных препаратов они являются отличными антибактериальными средствами.Пример конкурентного ингибирования был продемонстрирован экспериментально для фермента сукцинатдегидрогеназы, катализирующего окисление сукцината до фумарата в цикле Кребса . Малонат является конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы. Связывание сукцинатдегидрогеназы 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 сукцинатдегидрогеназы, а сукцинат не может. Таким образом, он подавляет реакцию. [16]

Другой возможный механизм аллостерического конкурентного ингибирования.

Уравнение

[ редактировать ]

Модель Михаэлиса-Ментен может стать 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 фермент-субстратный комплекс). [4]

Конкурентное ингибирование увеличивает кажущееся значение константы Михаэлиса-Ментен , , такой, что начальная скорость реакции, , определяется

где , - константа диссоциации ингибитора и – концентрация ингибитора.

остается прежним, поскольку присутствие ингибитора можно преодолеть за счет более высоких концентраций субстрата. , концентрация субстрата, необходимая для достижения , увеличивается при наличии конкурентного ингибитора. Это связано с тем, что концентрация субстрата, необходимая для достижения с ингибитором превышает концентрацию субстрата, необходимую для достижения без ингибитора.

В простейшем случае односубстратного фермента, подчиняющегося кинетике Михаэлиса–Ментен, типичная схема

модифицируется для включения связывания ингибитора со свободным ферментом:

Обратите внимание, что ингибитор не связывается с комплексом ES, а субстрат не связывается с комплексом EI. Обычно предполагается, что такое 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 стационарном состоянии, т. е. концентрация каждого вида ферментов не меняется.

Кроме того, известная общая концентрация фермента равна , а скорость измеряется в условиях, когда концентрации субстрата и ингибитора существенно не изменяются и накопилось незначительное количество продукта.

Таким образом, мы можем составить систему уравнений:

( 1 )
( 2 )
( 3 )
( 4 )

где и известны. Начальная скорость определяется как , поэтому нам нужно определить неизвестное с точки зрения известного и .

Из уравнения ( 3 ) мы можем определить E через ES , переставив его в

Деление на дает

Как и при выводе уравнения Михаэлиса–Ментен, член можно заменить макроскопической константой скорости :

( 5 )

Подставив уравнение ( 5 ) в уравнение ( 4 ), получим

Переставляя, мы находим, что

На этом этапе мы можем определить константу диссоциации ингибитора как , давая

( 6 )

На этом этапе подставьте уравнение ( 5 ) и уравнение ( 6 ) в уравнение ( 1 ):

Переставляя решение для ES, находим

( 7 )

Возвращаясь к нашему выражению для , теперь у нас есть:

Поскольку скорость максимальна, когда весь фермент связан в виде фермент-субстратного комплекса, .Замена и объединение терминов в конечном итоге дает традиционную форму:

( 8 )

Для расчета концентрации конкурентного ингибитора что дает дробь скорости где :

( 9 )

Примечания и ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д «Виды торможения» . Центр трансляционной терапии НИЗ. Архивировано из оригинала 8 сентября 2011 года . Проверено 2 апреля 2012 г.
  2. ^ Лодиш Х., Берк А., Зипурски С.Л., Мацудайра П., Балтимор Д., Дарнелл Дж. (2000). «Функциональный дизайн белков» . Молекулярно-клеточная биология (4-е изд.).
  3. ^ Jump up to: а б с д и Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Ферменты могут быть ингибированы определенными молекулами» . Биохимия (5-е изд.).
  4. ^ Jump up to: а б Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Модель Михаэлиса-Ментен объясняет кинетические свойства многих ферментов» . Биохимия (5-е изд.).
  5. ^ Иди С.Г. (1942). «Ингибирование холинэстеразы физостигмином и простигмином» . Журнал биологической химии . 146 : 85–93. дои : 10.1016/S0021-9258(18)72452-6 .
  6. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Приложение: Vmax и KM можно определить с помощью графиков двойной взаимности» . Биохимия (5-е изд.).
  7. ^ Офардт К. «Виртуальная химическая книга» . Элмхерстский колледж. Архивировано из оригинала 17 октября 2015 года . Проверено 1 сентября 2015 г.
  8. ^ Jump up to: а б «Карта: биохимия бесплатно и легко (Ахерн и Раджагопал)» . Свободные тексты по биологии . 24 декабря 2014 года . Проверено 2 ноября 2017 г.
  9. ^ Флауэр Р.Дж. (март 1974 г.). «Препараты, ингибирующие биосинтез простагландинов» . Фармакологические обзоры . 26 (1): 33–67. ПМИД   4208101 .
  10. ^ Jump up to: а б Хименес М., Часарра С., Эскрибано Х., Кабанес Х., Гарсия-Кармона Ф. (август 2001 г.). «Конкурентное ингибирование грибной тирозиназы 4-замещенными бензальдегидами». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 49 (8): 4060–4063. дои : 10.1021/jf010194h . ПМИД   11513710 .
  11. ^ Дик РМ (2011). «Глава 2. Фармакодинамика: изучение действия лекарств». В Уэллетте Р., Джойс Дж. А. (ред.). Фармакология для медсестры-анестезиолога . Джонс и Бартлетт Обучение. ISBN  978-0-7637-8607-6 .
  12. ^ Jump up to: а б Voet D, Voet JG, Пратт CW (29 февраля 2016 г.). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (Пятое изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN  9781118918401 . OCLC   910538334 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  13. ^ Jump up to: а б Сиан Дж., Юдим М.Б., Ридерер П., Герлах М. (1999). «Синдром Паркинсона, индуцированный MPTP» . Базовая нейрохимия: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты. 6-е издание .
  14. ^ Jump up to: а б Эрраис Т., Гильен Х. (август 2011 г.). «Ингибирование биоактивации нейротоксина МФТП антиоксидантами, окислительно-восстановительными агентами и ингибиторами моноаминоксидазы». Пищевая и химическая токсикология . 49 (8): 1773–1781. дои : 10.1016/j.fct.2011.04.026 . hdl : 10261/63126 . ПМИД   21554916 .
  15. ^ «Как действуют сульфамидные препараты» . Национальные институты здравоохранения (NIH) . 15 мая 2015 года . Проверено 2 ноября 2017 г.
  16. ^ Поттер В.Р., Дюбуа К.П. (март 1943 г.). «Исследование механизма транспорта водорода в тканях животных» . Журнал общей физиологии . 26 (4): 391–404. дои : 10.1085/jgp.26.4.391 . ПМК   2142566 . ПМИД   19873352 .

См. также

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e42535c69e91a568802e58fa8d9b97d4__1719466320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e4/d4/e42535c69e91a568802e58fa8d9b97d4.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Competitive inhibition - 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.)