Неконкурентоспособный ингибитор - Uncompetitive inhibitor

Общее представление о неконкурентном торможении

Неконкурентное ингибирование , также известное как антиконкурентное ингибирование , имеет место, когда ингибитор фермента связывается только с комплексом, образованным между ферментом и субстратом (комплекс ES). Неконкурентное ингибирование обычно происходит в реакциях с двумя или более субстратами или продуктами.

В то время как неконкурентное ингибирование требует образования комплекса фермент-субстрат, неконкурентное ингибирование 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, график Лайнуивера-Берка дает параллельные, а не пересекающиеся линии. Такое поведение обнаруживается при ингибировании ацетилхолинэстеразы третичными аминами (R ₃ N). Такие соединения связываются с ферментом в его различных формах, но комплекс ацил-промежуточный амин-амин не может распадаться на фермент плюс продукт.

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 (V _max ), так как субстрату или продукту требуется больше времени, чтобы покинуть активный центр . Снижение K _m - концентрации субстрата, при которой фермент может работать на половине своей максимальной скорости, часто используемой для приближения сродства фермента к субстрату, - также может быть связано 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. K _m уменьшается по мере увеличения сродства к субстрату, хотя это не идеальный предиктор сродства, поскольку он учитывает также другие факторы; независимо от этого, это увеличение аффинности будет сопровождаться уменьшением K _m .

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

Математическое определение

График Лайнуивера – Берка неконкурентного ингибирования ферментов.

Уравнение Лайнуивера – Берка утверждает, что:

${\ displaystyle \ {\ frac {1} {v}} = {\ frac {K_ {m}} {V_ {max} [S]}} + {1 \ over V _ {\ max}}}$

Где v - начальная скорость реакции , K _m - постоянная Михаэлиса – Ментен , V _max - максимальная скорость реакции, а [ S ] - концентрация субстрата.

График Лайнуивера – Берка для неконкурентоспособного ингибитора дает линию, параллельную исходному графику фермент-субстрат, но с более высоким пересечением по оси Y из- за наличия члена ингибирования : ${\ displaystyle \ {\ frac {[I]} {K_ {i}}}}$

${\ displaystyle \ {\ frac {1} {v}} = {\ frac {K_ {m}} {V_ {max} [S]}} + {\ frac {1 + {\ frac {[I]} { K_ {i}}}} {V_ {max}}}}$

Где [ I ] - концентрация ингибитора, а K _i - постоянная ингибирующая характеристика ингибитора.

Уравнение Михаэлиса-Ментен изменяется на:

${\ displaystyle \ {V_ {0}} = {\ frac {V_ {max} [S]} {K_ {m} + \ alpha '[S]}}}$

куда

${\ displaystyle \ \ alpha '= 1 + {\ frac {[I]} {K' _ {I}}}}$ а также ${\ displaystyle \ K '_ {I} = {\ frac {[ES] [I]} {[ESI]}}}$

Как описано вышеприведенным уравнением, при высоких концентрациях субстрата V ₀ приближается к V _max / α '. Таким образом, неконкурентоспособный ингибитор снижает измеренное значение V _max . Кажущееся K _m также уменьшается, поскольку [S], необходимое для достижения половины V _max, уменьшается в α 'раз. Важно отметить, что под действием ингибитора V _max и K _m уменьшаются с одинаковой скоростью. Это становится очевидным при просмотре графика неконкурентного ингибирования ферментов Лайнуивера-Берка: соотношение между V и K _m 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 ингибирование 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.

Участие в механизмах рака

Неконкурентные механизмы связаны с некоторыми типами рака. Человеческой щелочной фосфатазы , такие как КГПБ было установлено, что чрезмерно выражены в определенных типах рака, и эти phosphotases часто работают с помощью неконкурентоспособной торможения. Также было обнаружено, что ряд генов, кодирующих щелочные фосфатазы человека (TSAP), неконкурентоспособно ингибируются такими аминокислотами, как лейцин и фенилаланин . Исследования вовлеченных аминокислотных остатков были предприняты в попытках регулировать активность щелочной фосфатазы и узнать больше о значении указанной активности для рака.

Кроме того, неконкурентное ингибирование работает вместе с TP53, чтобы помочь подавить активность раковых клеток и предотвратить онкогенез при определенных формах заболевания, поскольку он ингибирует G6PD (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу, фермент, в первую очередь участвующий в определенных метаболических путях). Одна из побочных ролей, за которую G6PD отвечает за регулирование, - 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. 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 так, что чем выше концентрация субстрата в системе изначально, тем труднее достичь максимальной скорости реакции. При низких начальных 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. 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. 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 в мембранах 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. Как K _{M, так} и V _{Максимальное} уменьшение). В частности, в липидах митохондриальной мембраны удаление липидов снижает содержание альфа-спирали в митохондриях и приводит к изменениям АТФазы, напоминающим неконкурентное торможение.

Это присутствие неконкурентоспособных ферментов в мембранах также подтверждено рядом других исследований. Изучался тип белка, называемый белком Arf, участвующий в регуляции активности мембраны, и было обнаружено, что ингибитор, называемый 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.

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 , например, в головном мозге ингибируются рецепторы глутамата NMDA (N-метил-D-аспартат) . В частности, этот тип ингибирования воздействует на гранулярные клетки, составляющие слой мозжечка. Эти клетки имеют вышеупомянутые рецепторы NMDA, и активность указанных рецепторов обычно увеличивается по мере потребления этанола. Если удалить этанол, это часто приводит к абстинентному синдрому. Различные неконкурентные блокаторы действуют как антагонисты рецепторов и модифицируют процесс, одним из примеров является ингибитор, называемый мемантин . Фактически, в аналогичных случаях (включая избыточную экспрессию NMDA, хотя и не обязательно через этанол) было показано, что неконкурентное ингибирование помогает свести к нулю избыточную 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 большого количества агонистов NMDA.

Вывод неконкурентоспособного уравнения Михаэлиса – Ментен.

Неконкурентное ингибирование можно описать с помощью следующего набора уравнений реакции:

$${\ displaystyle {\ begin {align} E + S & \ rightleftharpoons ES \\ ES & \ rightarrow E + P \\ ES + I & \ rightleftharpoons ESI \ end {align}}}$$

Скорость реакции первого правила, определенного выше, где [E] и [S] связываются с образованием комплекса [ES] и [ES] могут разделяться для преобразования продуктов, может быть записана как:

${\ displaystyle Rate_ {1} = k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES]}$

• ${\ displaystyle k_ {1}}$ - константа скорости второго порядка, представляющая скорость, с которой [E] и [S] связываются с образованием комплекса [ES] под действием кинетики массового действия.
• ${\ displaystyle k _ {- 1}}$ - константа скорости первого порядка, представляющая скорость [ES] отмены привязки к реформе [E] и [S]

Вторую скорость реакции, описывающую скорость комплекса [ES], создающего продукт из субстрата [S] и регенерирующего свободный фермент [E], можно описать следующей массовой скоростью действия:

${\ displaystyle Rate_ {2} = k_ {2} * [ES]}$

Где:

• ${\ displaystyle k_ {2}}$ представляет собой скорость реакции первого порядка комплекса [ES], образующего продукт [P] и свободный фермент [E]

При неконкурентном ингибировании комплекс фермент-субстрат может быть связан в комплекс фермент-субстрат-ингибитор со следующей скоростью:

${\ displaystyle Rate_ {3} = k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI]}$

Где:

• ${\ displaystyle k_ {3}}$ - константа скорости второго порядка, представляющая скорость, с которой [ES] и [I] связываются с образованием комплекса [ESI] под действием кинетики массового воздействия.
• ${\ displaystyle k _ {- 3}}$ - константа скорости первого порядка, представляющая скорость отмены привязки [ESI] к реформе [ES] и [I]

Помещение вышеуказанной информации в систему обыкновенных дифференциальных уравнений дает:

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {d [E]} {dt}} & = - k_ {1} * [E] [S] + k _ {- 1} [ES] + k_ {2} * [ES] \\ {\ frac {d [S]} {dt}} & = - k_ {1} * [E] [S] + k _ {- 1} [ES] + k_ {2} * [ES ] \\ {\ frac {d [P]} {dt}} & = k_ {2} * [ES] \\ {\ frac {d [ES]} {dt}} & = k_ {1} * [E ] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] -k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] \\ {\ frac { d [ESI]} {dt}} & = k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] \\ {\ frac {d [I]} {dt}} & = - k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] \ end {выровнено}}}$

Чтобы вывести модифицированное уравнение Михаэлиса-Ментен, необходимо сделать следующие предположения:

• Подложка не ограничивает
• Модельные виды [ES] и [ESI] комплексы находятся в мгновенном равновесии.

Основываясь на втором предположении, изложенном выше, приведенные выше уравнения ОДУ можно установить равными нулю, поскольку значения не меняются: ${\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {d [ES]} {dt}} & = k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] -k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI] = 0 \\ {\ frac {d [ESI]} {dt}} & = k_ {3} * [ ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] = 0 \\\ конец {выровнено}}}$

Поскольку мы знаем, что следующее выражение равно нулю:

${\ Displaystyle {\ begin {выровнено} k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] & = 0 \\\ конец {выровнено}}}$

Мы можем вычеркнуть следующую часть в уравнении ставки [ES]:

${\ displaystyle {\ begin {align} k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] {\ cancelto {0} {- k_ {3} * [ES] * [I] + k _ {- 3} [ESI]}} = 0 \\\\ k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] = 0 \\\ конец {выровнено}}}$

Чтобы вывести уравнение Михаэлиса-Ментен, мы должны переписать [ES] в терминах только [S]. Для начала изменим приведенное выше уравнение, чтобы выделить [ES]:

${\ displaystyle {\ begin {align} k_ {1} * [E] [S] -k _ {- 1} [ES] -k_ {2} * [ES] & = 0 \\ k_ {1} * [E ] [S] - (k_ {2} + k _ {- 1}) [ES] & = 0 \\ k_ {1} * [E] [S] & = (k_ {2} + k _ {- 1}) [ES] \\ {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [ES] \\\ конец {выровнено}}}$

Решение для [ESI] в приведенном выше уравнении дает, где мы можем вставить выражение, найденное для [ES]:

${\ displaystyle {\ begin {align} k_ {3} * [ES] * [I] -k _ {- 3} [ESI] & = 0 \\ k_ {3} * [ES] * [I] & = k_ {-3} [ESI] \\ {\ frac {k_ {3} * [ES] * [I]} {k _ {- 3}}} & = [ESI] \\ {\ frac {k_ {3} * {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} * [I]} {k _ {- 3}}} & = [ESI] \ \ {\ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [ESI ] \\\ конец {выровнен}}}$

Общая концентрация фермента зависит от количества свободного фермента [E], фермента, связанного с комплексом [ES], и комплекса фермент-субстрат-ингибитор [ESI]. Подстановка выражений для [ESI] и [ES] даст:

${\ displaystyle {\ begin {align} [] [E] _ {Total} & = [E] + [ES] + [ESI] \\ [] [E] _ {Total} - [ES] - [ESI] " & = [E] \\ [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} - { \ frac {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} & = [E] \ \ [] [E] _ {Total} - {\ bigg (} {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} + {\ гидроразрыв {k_ {3} * k_ {1} * [E] [S] [I]} {k _ {- 3} * (k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg)} & = [E] \\ [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg ( } 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} & = [E] \\\ конец {выровнено}}}$

Изолировано [E], чтобы отображаться только на одной стороне приведенного выше уравнения:

${\ displaystyle {\ begin {align} [] [E] _ {Total} - {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} & = [E] \\ [] [E] _ {Total} & = [E] + {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3}) [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} \\ [] [E] _ {Total} & = [E] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [ S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)} \\ {\ frac {[E] _ {Total}} {{\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} & = [E] \ \\ конец {выровнен}}}$

Из приведенного выше вывода [ES] мы можем дополнительно изменить уравнение, заменив [E] уравнением непосредственно выше:

${\ Displaystyle {\ begin {align} [] [ES] & = {\ frac {k_ {1} * [E] [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} \\ & = {\ frac {k_ {1} * {\ frac {[E] _ {Total}} {{\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} [S] } {(k_ {2} + k _ {- 1})}} \\ & = {\ frac {k_ {1} * [E] _ {Total} [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1}) * {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac { k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {{\ гидроразрыв {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}} * {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {1} * [S]} {(k_ {2} + k _ {- 1})}} {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {{\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}} + [S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\\ конец {выровнено}}}$

${\ displaystyle {\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1})} {k_ {1}}}}$ известна как константа Михаэлиса и обычно записывается как:

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {M} = {\ frac {k_ {cat} + k_ {r}} {k_ {f}}} = {\ frac {(k_ {2} + k _ {- 1) })} {k_ {1}}} \ end {align}}}$

\ textbf {Примечание:} , и${\ displaystyle k_ {cat} = k_ {2}}$${\ displaystyle k_ {r} = k _ {- 1}}$${\ displaystyle k_ {f} = k_ {1}}$

Наконец, чтобы получить уравнение Михаэлиса-Ментона для неконкурентного торможения:

${\ displaystyle {\ begin {align} v & = k_ {2} * [ES] \\ & = k_ {2} * {\ frac {[E] _ {Total} [S]} {K_ {m} + [ S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)}}} \\ & = {\ frac {V_ {max}} {K_ {m} + [S] {\ bigg (} 1 + {\ frac {k_ {3} [I]} {k _ {- 3}}} {\ bigg)} {\ bigg)} }} \\\ конец {выровнен}}}$

Где:

${\ displaystyle {\ begin {align} V_ {max} = k_ {2} * [E] _ {Total} [S] \ end {align}}}$

использованная литература