Неконкурентоспособный ингибитор - Википедия - Uncompetitive inhibitor

Не путать с Неконкурентное торможение.
Общее представление о неконкурентном торможении

Неконкурентное торможение, также известный как антиконкурентное торможение, происходит, когда ингибитор фермента связывается только с комплексом, образованным между фермент и субстрат (комплекс E-S). Неконкурентное ингибирование обычно происходит в реакциях с двумя или более субстратами или продуктами.[1]

В то время как неконкурентное ингибирование требует образования комплекса фермент-субстрат, неконкурентное торможение может происходить с присутствующим субстратом или без него.

Неконкурентное торможение отличается от конкурентного торможения двумя наблюдениями: первое неконкурентное торможение не может быть отменено увеличением [S], а второе, как показано, Заговор Лайнуивера – Берка дает параллельные, а не пересекающиеся линии. Такое поведение обнаруживается в подавлении ацетилхолинэстераза третичными аминами (R3N). Такие соединения связываются с ферментом в его различных формах, но комплекс ацил-промежуточный амин-амин не может распадаться на фермент плюс продукт.[2]

Механизм

По мере связывания ингибитора количество комплекса ES уменьшается. Это снижение эффективной концентрации комплекса ES можно объяснить тем фактом, что наличие ингибитора, связанного с комплексом ES, по существу превращает его в комплекс ESI, который считается отдельным комплексом. Это уменьшение комплекса ES снижает максимальную активность фермента (VМаксимум), так как субстрат или продукт дольше покидают активный сайт. Уменьшение Kм - концентрация субстрата, при которой фермент может работать на половине своей максимальной скорости, часто используется для приближения сродства фермента к субстрату, - также может быть связана с уменьшением комплекса ES. Принцип Ле Шателье противостоит этому снижению и пытается восполнить потерю ES, поэтому больше свободного фермента превращается в форму ES, и количество ES увеличивается в целом. Увеличение ES обычно указывает на то, что фермент имеет высокую степень сродства к своему субстрату. Kм уменьшается по мере увеличения сродства к субстрату, хотя это не идеальный предиктор сродства, так как он учитывает и другие факторы; Тем не менее, это увеличение сродства будет сопровождаться уменьшением Kм.[3]

В целом неконкурентное ингибирование работает лучше всего при высокой концентрации субстрата. Неконкурентоспособный ингибитор не обязательно должен напоминать субстрат реакции, которую он ингибирует. При отсутствии концентрации субстрата активность фермента будет выше, когда присутствует неконкурентный ингибитор, но при низких концентрациях субстрата разница в активности фермента будет незначительной.[4].

Математическое определение

Заговор Лайнуивера – Берка неконкурентного ингибирования ферментов.

В Уравнение Лайнуивера – Берка утверждает, что:

Где v это начальный скорость реакции, Kм это Константа Михаэлиса-Ментен, VМаксимум - максимальная скорость реакции, а [S] это концентрация субстрата.[5]

График Лайнуивера-Берка для неконкурентоспособного ингибитора дает линию, параллельную исходному графику фермент-субстрат, но с более высоким y-перехват, в связи с наличием срока торможения :

Где [я] - концентрация ингибитора и Kя - постоянная ингибирующая характеристика ингибитора.[6][7]

Уравнение Михаэлиса-Ментен изменяется на:

куда

и

Как описано вышеприведенным уравнением, при высоких концентрациях субстрата V0 подходы VМаксимум/ α '. Таким образом, неконкурентоспособный ингибитор снижает измеряемую VМаксимум. Очевидный Kм также уменьшается, поскольку [S] требуется для достижения половины VМаксимум уменьшается в α 'раз.[8] Важно отметить, что VМаксимум и Kм уменьшаются с той же скоростью в результате действия ингибитора.[4] Это становится очевидным при просмотре графика Лайнуивера-Берка неконкурентного ингибирования ферментов: соотношение между V и Kм остается неизменным с присутствующим ингибитором или без него.

Значение и использование в биологических системах

Уникальные черты неконкурентного ингибирования приводят к различным последствиям для эффектов ингибирования в биологических и биохимических системах. Неконкурентное торможение присутствует в биологических системах несколькими способами. Фактически, часто становится ясно, что особенности ингибирования, характерные для неконкурентоспособных ингибиторов, такие как их склонность действовать наилучшим образом при высоких концентрациях субстрата, важны для некоторых важных функций организма, функционирующих должным образом.[9]

Участие в механизмах рака

Неконкурентные механизмы связаны с некоторыми типами рака. Человек щелочные фосфатазы такие как CGAP, как было обнаружено, чрезмерно экспрессируются при определенных типах рака, и эти фосфотазы часто действуют посредством неконкурентного ингибирования. Также было обнаружено, что ряд генов, кодирующих щелочные фосфатазы человека (TSAP), неконкурентно ингибируются такими аминокислотами, как лейцин и фенилаланин.[10] Исследования вовлеченных аминокислотных остатков были предприняты в попытках регулировать активность щелочной фосфатазы и узнать больше о значении указанной активности для рака.[11]

Кроме того, неконкурентное торможение работает вместе с TP53 чтобы помочь подавить активность раковых клеток и предотвратить онкогенез при определенных формах болезни, поскольку он подавляет G6PD (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, фермент, в первую очередь участвующий в определенных метаболических путях). Одна из побочных ролей, за которую отвечает G6PD, - это контроль уровней реактивного кислорода, поскольку активные формы кислорода должны поддерживаться на соответствующих уровнях, чтобы клетки могли выжить. Когда концентрация субстрата G6PD высока, неконкурентное ингибирование фермента становится гораздо более эффективным.[12] По мере увеличения концентрации субстрата количество комплекса ES также увеличивается, и с увеличением количества связанного комплекса ES неконкурентные ингибиторы становятся гораздо более активными. Это ингибирование работает таким образом, что чем выше концентрация субстрата в системе изначально, тем труднее достичь максимальной скорости реакции. При низких исходных концентрациях субстрата увеличения концентрации субстрата иногда бывает достаточно, чтобы полностью или даже полностью восстановить функцию фермента, но как только начальная концентрация превышает определенную точку, достижение максимальной скорости фермента практически невозможно.[13] Эта чрезвычайная чувствительность к концентрации субстрата в механизме рака подразумевает неконкурентное ингибирование, а не смешанное ингибирование, которое проявляет сходные черты, но часто менее чувствительно к концентрации субстрата из-за связывания некоторого ингибитора со свободными ферментами независимо от присутствия субстрата.[13] Таким образом, чрезвычайная сила неконкурентоспособных ингибиторов при высоких концентрациях субстрата и общая чувствительность к количеству субстрата указывает на то, что только неконкурентное ингибирование может сделать возможным этот тип процесса.

Значение для мембран клеток и органелл

Хотя эта форма торможения присутствует при различных заболеваниях в биологических системах, она 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 с клеточных мембран и повышение доступности активных центров за счет конформационных изменений вызывает элементы, напоминающие эффекты неконкурентного ингибирования (т. Е. Оба KM и VМаксимум снижаться). В частности, в липидах митохондриальной мембраны удаление липидов снижает содержание альфа-спирали в митохондриях и приводит к изменению АТФаза напоминающее неконкурентное торможение.[14]

Это присутствие неконкурентоспособных ферментов в мембранах также подтверждено рядом других исследований. Тип белка, называемый Протеин Arf участвуют в регуляции активности мембраны, и было обнаружено, что ингибитор, названный BFA, улавливает один из промежуточных продуктов Arf посредством неконкурентного ингибирования. Это ясно показало, что этот тип ингибирования существует в различных типах клеток и органелл, а не только в патологических клетках. Фактически, было обнаружено, что BFA связаны с активностью аппарата Гольджи и его ролью в регулировании движения через клеточную мембрану.[15]

Наличие в слое гранул мозжечка

Мемантин, ингибитор NMDA
Ингибированный рецептор NMDA. Субстрат связывается, а активный сайт блокируется (красным) ингибитором.

Неконкурентное торможение может играть роль и в других частях тела. Это часть механизма, с помощью которого NMDA (N-метил-D-аспартат) рецепторы глутамата тормозятся в мозгу, например. В частности, этот тип ингибирования воздействует на гранулярные клетки, составляющие слой мозжечка. Эти клетки имеют вышеупомянутые рецепторы NMDA, и активность указанных рецепторов обычно возрастает по мере потребления этанола. При удалении этанола это часто приводит к абстинентному синдрому. Различные неконкурентные блокаторы действуют как антагонисты рецепторов и модифицируют процесс, одним из примеров является ингибитор, называемый мемантин.[16] Фактически, в аналогичных случаях (включая чрезмерную экспрессию NMDA, хотя и не обязательно через этанол) было показано, что неконкурентное ингибирование помогает свести к нулю чрезмерную экспрессию 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 эффективному блокированию каналов NMDA, когда они чрезмерно открыты из-за огромного количества агонистов NMDA.[17]

Рекомендации

  1. ^ Владимир Л (2004). Комплексная кинетика ферментов. Kluwer Academic Publishers. ISBN  978-0306467127. OCLC  517776240.
  2. ^ Мэтьюз К. К., ван Холде К. Э., Апплинг Д. Р., Энтони-Кэхилл С. Дж. (26 февраля 2012 г.). Биохимия (4-е изд.). Пирсон. ISBN  978-0138004644.
  3. ^ Ахерн К., Раджагопал И., Тан Т. (2017). Биохимия Бесплатно для всех Версия 1.2. Северная Каролина: Creative Commons. С. 367–368.
  4. ^ а б Атель С (2014). Принципы ферментной кинетики. Elsevier Science. ISBN  978-1483164670. OCLC  897021733.
  5. ^ Клеланд WW (февраль 1963 г.). «Кинетика катализируемых ферментами реакций с двумя или более субстратами или продуктами. II. Ингибирование: номенклатура и теория». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Специализированная секция по энзимологическим вопросам. 67: 173–87. Дои:10.1016/0926-6569(63)90226-8. PMID  14021668.
  6. ^ Родс Д. «Кинетика ферментов - отдельный субстрат, неконкурентное ингибирование, график Лайнуивера-Берка». Университет Пердью. Получено 31 августа 2013.
  7. ^ Корниш-Боуден А (Январь 1974 г.). «Простой графический метод определения констант ингибирования смешанных, неконкурентоспособных и неконкурентных ингибиторов». Биохимический журнал. 137 (1): 143–4. Дои:10.1042 / bj1370143. ЧВК  1166095. PMID  4206907.
  8. ^ Нельсон Д.Л., Кокс М.М. (21 ноября 2012 г.). Принципы биохимии Ленингера (6 изд.). W.H. Фримен. ISBN  978-1429234146.
  9. ^ Нахорски С.Р., Раган С.И., Чаллисс Р.А. (август 1991 г.). «Литий и фосфоинозитидный цикл: пример неконкурентного торможения и его фармакологические последствия». Тенденции в фармакологических науках. 12 (8): 297–303. Дои:10.1016 / 0165-6147 (91) 90581-C. PMID  1658998.
  10. ^ Миллан JL (июль 1992 г.). «Щелочная фосфатаза как репортер раковой трансформации». Clinica Chimica Acta; Международный журнал клинической химии. 209 (1–2): 123–9. Дои:10.1016 / 0009-8981 (92) 90343-О. PMID  1395034.
  11. ^ Миллан JL, Фишман WH (1995). «Биология щелочных фосфатаз человека с особым акцентом на рак». Критические обзоры в клинических лабораторных науках. 32 (1): 1–39. Дои:10.3109/10408369509084680. PMID  7748466.
  12. ^ Найс Дж. У. (ноябрь 2018 г.). «Обнаружение нового, специфичного для приматов механизма подавления опухоли« выключателя убийства », который может фундаментально контролировать риск рака у людей: неожиданный поворот в базовой биологии TP53». Эндокринный рак. 25 (11): R497 – R517. Дои:10.1530 / ERC-18-0241. ЧВК  6106910. PMID  29941676.
  13. ^ а б Нахорски С.Р., Раган С.И., Чаллисс Р.А. (август 1991 г.). «Литий и фосфоинозитидный цикл: пример неконкурентного торможения и его фармакологические последствия». Тенденции в фармакологических науках. 12 (8): 297–303. Дои:10.1016 / 0165-6147 (91) 90581-К. PMID  1658998.
  14. ^ Леназ Дж., Куратола Дж., Маззанти Л., Паренти-Кастелли Дж. (Ноябрь 1978 г.). «Биофизические исследования агентов, влияющих на состояние липидов мембран: биохимические и фармакологические последствия». Молекулярная и клеточная биохимия. 22 (1): 3–32. Дои:10.1007 / bf00241467. PMID  154058.
  15. ^ Зегуф М., Гвиберт Б., Зее Дж. К., Черфилс Дж. (Декабрь 2005 г.). «Arf, Sec7 и Brefeldin A: модель терапевтического ингибирования факторов обмена гуаниновых нуклеотидов». Сделки Биохимического Общества. 33 (Pt 6): 1265–8. Дои:10.1042 / BST20051265. PMID  16246094.
  16. ^ Табакофф Б., Хоффман П.Л. (март 1993 г.). «Этанол, седативные снотворные и функция рецептора глутамата в мозге и культивируемых клетках». Поведенческая генетика. 23 (2): 231–6. Дои:10.1007 / BF01067428. PMID  8390239.
  17. ^ Накамура Т., Липтон С.А. (январь 2008 г.). «Новые роли S-нитрозилирования в неправильном свертывании белков и нейродегенеративных заболеваниях». Антиоксиданты и редокс-сигналы. 10 (1): 87–101. Дои:10.1089 / ars.2007.1858. PMID  17961071.