WikiDer > Ингибитор фермента - Википедия

Рисунок, на котором сравниваются три типа ингибиторов ферментов и то, как они работают в отношении сайтов связывания субстрата и сайтов связывания ингибиторов.

Сайт связывания фермента, который обычно связывает субстрат, может альтернативно связывать конкурентный ингибитор, предотвращая доступ к субстрату. Дигидрофолатредуктаза подавляется метотрексат что препятствует связыванию его субстрата, фолиевая кислота. Сайт связывания выделен синим, ингибитор - зеленым, а субстрат - черным. (PDB: 4QI9​)

An ингибитор фермента это молекула это связано с фермент и снижает его Мероприятия. Связываясь с активными центрами ферментов, ингибиторы снижают совместимость субстрата и фермента, и это приводит к ингибированию образования комплексов фермент-субстрат, предотвращая катализацию реакций и уменьшая (иногда до нуля) количество продукта, продуцируемого ферментом. реакция. Можно сказать, что по мере увеличения концентрации ингибиторов ферментов скорость активности ферментов снижается, и, таким образом, количество продуцируемого продукта обратно пропорционально концентрации молекул ингибитора. Поскольку блокирование активности фермента может убить возбудитель или исправить метаболический нарушение баланса, многие препараты являются ингибиторами ферментов. Они также используются в пестициды. Не все молекулы, связывающиеся с ферментами, являются ингибиторами; активаторы ферментов связываются с ферментами и увеличивают их ферментативная активность, в то время как субстраты фермента связываются и превращаются в продукты нормального каталитического цикла фермента.

Связывание ингибитора может остановить субстрат от попадания в фермент активный сайт и / или препятствовать ферменту от катализирующий его реакция. Связывание ингибитора либо обратимый или необратимо. Необратимые ингибиторы обычно реагируют с ферментом и изменяют его химически (например, через Ковалентная связь формирование). Эти ингибиторы изменяют ключ аминокислота остатки, необходимые для ферментативной активности. Напротив, обратимые ингибиторы связывают нековалентно и различные типы ингибирования производятся в зависимости от того, связываются ли эти ингибиторы с ферменткомплекс фермент-субстрат или оба.

Много молекулы лекарства являются ингибиторами ферментов, поэтому их открытие и улучшение являются активной областью исследований в биохимия и фармакология.^[1] О лекарственном ингибиторе фермента часто судят по его специфичность (отсутствие связывания с другими белками) и его эффективность (его константа диссоциации, что указывает на концентрацию, необходимую для ингибирования фермента). Высокая специфичность и эффективность гарантируют, что у лекарства будет мало побочные эффекты и поэтому низкий токсичность.

Ингибиторы ферментов также встречаются в природе и участвуют в регуляции метаболизм. Например, ферменты в метаболический путь может подавляться последующими продуктами. Этот тип негативный отзыв замедляет производственную линию, когда продукты начинают накапливаться, и является важным способом поддержания гомеостаз в клетка. Другие ингибиторы клеточных ферментов: белки которые специфически связываются и ингибируют фермент-мишень. Это может помочь контролировать ферменты, которые могут повредить клетку, например протеазы или же нуклеазы. Ярким примером этого является ингибитор рибонуклеазы, который привязан к рибонуклеазы в одном из самых известных белок-белковые взаимодействия.^[2] Природные ингибиторы ферментов также могут быть ядами и используются в качестве защиты от хищников или как средства убийства добычи.

Обратимые ингибиторы

Типы обратимых ингибиторов

Обратимые ингибиторы прикрепляются к ферментам с нековалентные взаимодействия Такие как водородные связи, гидрофобные взаимодействия и ионные связи. Множественные слабые связи между ингибитором и активным центром в совокупности обеспечивают прочное и специфическое связывание. В отличие от субстраты и необратимые ингибиторы, обратимые ингибиторы, как правило, не вступают в химические реакции при связывании с ферментом и могут быть легко удалены путем разбавления или диализ.

Существует четыре типа обратимых ингибиторов ферментов. Они классифицируются по влиянию изменения концентрации субстрата фермента на ингибитор.^[3][4][5]

Типы торможения. Эта классификация была введена W.W. Cleland.^[6]

• В конкурентное торможение, субстрат и ингибитор не могут связываться с ферментом одновременно, как показано на рисунке справа. Обычно это происходит из-за того, что ингибитор имеет сродство к активный сайт фермента, с которым также связывается субстрат; субстрат и ингибитор конкурировать для доступа к активному центру фермента. Этот тип ингибирования можно преодолеть с помощью достаточно высоких концентраций субстрата (V_{Максимум} остается постоянным), т. е. конкурируя с ингибитором. Однако очевидное K_м будет увеличиваться, так как требуется более высокая концентрация субстрата для достижения K_м точка или половина V_{Максимум}. Конкурентные ингибиторы часто похожи по структуре на реальный субстрат (см. Примеры ниже).
• В неконкурентное торможение, ингибитор связывается только с комплексом субстрат-фермент. Этот тип торможения вызывает V_{Максимум} уменьшаться (максимальная скорость уменьшается в результате удаления активированного комплекса) и K_м для уменьшения (из-за лучшей эффективности связывания в результате принципа Ле Шателье и эффективного устранения комплекса ES, тем самым уменьшая K_м что указывает на более высокую аффинность связывания).
• В неконкурентное торможениесвязывание ингибитора с ферментом снижает его Мероприятия но не влияет на связывание субстрата. В результате степень ингибирования зависит только от концентрации ингибитора. V_{Максимум} уменьшится из-за неспособности реакции протекать так же эффективно, но K_м останется таким же, как и фактическое связывание субстрата, по определению, по-прежнему будет функционировать должным образом.
• В смешанное торможение, ингибитор может связываться с ферментом одновременно с субстратом фермента. Однако связывание ингибитора влияет на связывание субстрата, и наоборот. Этот тип ингибирования можно уменьшить, но не преодолеть путем увеличения концентрации субстрата. Хотя ингибиторы смешанного типа могут связываться с активным центром, этот тип ингибирования обычно является результатом аллостерический эффект, когда ингибитор связывается с другим участком фермента. Ингибитор привязки к этому аллостерический сайт меняет конформация (т.е. третичная структура или трехмерная форма) фермента, так что сродство субстрата к активному центру снижается.

Количественное описание обратимого торможения

Обратимое ингибирование можно количественно описать с точки зрения ингибитора. привязка к ферменту и к комплексу фермент-субстрат, и его влияние на кинетические константы фермента. В классике Схема Михаэлиса-Ментен ниже фермент (E) связывается со своим субстратом (S) с образованием фермент-субстратного комплекса ES. После катализа этот комплекс распадается с высвобождением продукта P и свободного фермента. Ингибитор (I) может связываться с E или ES с константы диссоциации K_я или же K_я', соответственно.

Конкурентные ингибиторы могут связываться с E, но не с ES. Возрастает конкурентное торможение Kм (т.е. ингибитор препятствует связыванию субстрата), но не влияет VМаксимум (ингибитор не препятствует катализу ES, поскольку не может связываться с ES). Неконкурентные ингибиторы связываются с ES. Неконкурентное торможение снижает как Kм'и' VМаксимум. Ингибитор влияет на связывание субстрата, увеличивая сродство фермента к субстрату (уменьшая Kм), а также препятствует катализу (снижает VМаксимум). Неконкурентные ингибиторы имеют идентичное сродство к E и ES (Kя = Kя'). Неконкурентное торможение не меняется Kм (т.е. не влияет на связывание субстрата), но снижает VМаксимум (т.е. связывание ингибитора затрудняет катализ). Ингибиторы смешанного типа связываются как с E, так и с ES, но их сродство к этим двум формам фермента различно (Kя ≠ Kя'). Таким образом, ингибиторы смешанного типа препятствуют связыванию субстрата (увеличивают Kм) и затрудняют катализ в комплексе ЭС (уменьшают VМаксимум).

Кинетическая схема обратимых ингибиторов ферментов

Когда фермент имеет несколько субстратов, ингибиторы могут проявлять различные типы ингибирования в зависимости от того, какой субстрат рассматривается. Это является результатом того, что активный сайт содержит два разных сайта связывания внутри активного сайта, по одному для каждого субстрата. Например, ингибитор может конкурировать с субстратом A за первый сайт связывания, но быть неконкурентным ингибитором по отношению к субстрату B во втором сайте связывания.^[7]

Измерение констант диссоциации обратимого ингибитора

Как отмечалось выше, ингибитор фермента характеризуется двумя константы диссоциации, K_я и K_я', к ферменту и к комплексу фермент-субстрат соответственно. Константа фермента-ингибитора K_я можно измерить напрямую различными методами; один чрезвычайно точный метод калориметрия изотермического титрования, в котором ингибитор титруется в раствор фермента и измеряется выделяемое или поглощаемое тепло.^[8] Однако другая константа диссоциации K_я'трудно измерить напрямую, поскольку комплекс фермент-субстрат недолговечен и подвергается химической реакции с образованием продукта. Следовательно, K_я'обычно измеряется косвенно, наблюдая ферментная активность при различных концентрациях субстрата и ингибитора, и примерка данные^[9] измененному Уравнение Михаэлиса – Ментен

${ displaystyle V = { frac {V_ {max} [S]} { alpha K_ {m} + alpha ^ { prime} [S]}} = { frac {(1 / alpha ^ { prime}) V_ {max} [S]} {( alpha / alpha ^ { prime}) K_ {m} + [S]}}}$

где модифицирующие факторы α и α 'определяются концентрацией ингибитора и его двумя константами диссоциации

${ displaystyle alpha = 1 + { frac {[I]} {K_ {i}}}}$

${ displaystyle alpha ^ { prime} = 1 + { frac {[I]} {K_ {i} ^ { prime}}}.}$

Таким образом, в присутствии ингибитора эффективный фермент K_м и V_{Максимум} стать (α / α ')K_м и (1 / α ')V_{Максимум}, соответственно. Однако модифицированное уравнение Михаэлиса-Ментен предполагает, что связывание ингибитора с ферментом достигло равновесия, что может быть очень медленным процессом для ингибиторов с суб-наномолярными константами диссоциации. В этих случаях обычно более практично рассматривать ингибитор сильного связывания как необратимый ингибитор (см. Ниже); тем не менее, все еще можно оценить K_якинетически, если K_я измеряется независимо.

Влияние различных типов обратимых ингибиторов ферментов на ферментативную активность можно визуализировать, используя графическое представление уравнения Михаэлиса-Ментен, например Lineweaver – Burk и Заговоры Иди-Хофсти. Например, на графиках Лайнуивера – Берка справа линии конкурентного торможения пересекаются на у-ось, демонстрирующая, что такие ингибиторы не влияют на V_{Максимум}. Точно так же линии неконкурентного торможения пересекаются на Иксось, показывающая, что эти ингибиторы не влияют на K_м. Однако может быть трудно оценить K_я и K_я'точно с таких сюжетов,^[10] поэтому рекомендуется оценивать эти константы с помощью более надежных нелинейная регрессия методы, как описано выше.

Обратимые ингибиторы

Традиционно обратимые ингибиторы ферментов классифицируются как конкурентные, неконкурентоспособные и неконкурентные в зависимости от их воздействия на K_м и V_{Максимум}. Эти различные эффекты являются результатом связывания ингибитора с ферментом E, с комплексом фермент-субстрат ES или с обоими, соответственно. Разделение этих классов возникает из-за проблемы их происхождения и приводит к необходимости использовать две разные константы привязки для одного события привязки. Связывание ингибитора и его влияние на ферментативную активность - две совершенно разные вещи, это еще одна проблема, которую традиционные уравнения не могут признать. При неконкурентном ингибировании связывание ингибитора приводит только к 100% -ному ингибированию фермента и не учитывает возможность чего-либо промежуточного.^[11] Распространенная форма термина ингибитора также скрывает взаимосвязь между связыванием ингибитора с ферментом и его отношением к любому другому члену связывания, будь то уравнение Михаэлиса-Ментен или кривая доза-ответ, связанная со связыванием лигандного рецептора. Чтобы продемонстрировать взаимосвязь, можно сделать следующую перестановку:

${ Displaystyle { begin {align} { cfrac {V _ { max}} {1 + { cfrac { ce {[I]}} {K_ {i}}}}} & = {V _ { max }} left ({ cfrac {K_ {i}} {K_ {i} + [{ ce {I}}]}} right) && { text {умножить на}} { cfrac {K_ {i }} {K_ {i}}} = 1 & = {V _ { max}} left ({ cfrac {K_ {i} + [{ ce {I}}] - [{ ce {I} }}]} {K_ {i} + [{ ce {I}}]}} right) && { text {add}} [{ ce {I}}] - [{ ce {I}} ] = 0 { text {в числитель}} & = {V _ { max}} left (1 - { cfrac {[{ ce {I}}]} {K_ {i} + [{ ce {I}}]}} right) && { text {simpleify}} { cfrac {K_ {i} + [{ ce {I}}]} {K_ {i} + [{ ce {I }}]}} = 1 & = V _ { max} -V _ { max} { cfrac { ce {[I]}} {K_ {i} + [{ ce {I}}]} } && { text {умножить на}} V _ { max} end {align}}}$

Эта перегруппировка демонстрирует, что, как и в уравнении Михаэлиса-Ментен, максимальная скорость реакции зависит от доли популяции фермента, взаимодействующей с его субстратом.

доля популяции ферментов, связанная субстратом

${ Displaystyle { cfrac { ce {[S]}} {[{ ce {S}}] + K_ {m}}}}$

фракция популяции фермента, связанная ингибитором

${ displaystyle { cfrac { ce {[I]}} {[{ ce {I}}] + K_ {i}}}}$

Эффект ингибитора является результатом процента популяции фермента, взаимодействующего с ингибитором. Единственная проблема с этим уравнением в его нынешней форме состоит в том, что оно предполагает абсолютное ингибирование фермента связыванием ингибитора, хотя на самом деле может иметь место широкий диапазон эффектов от 100% ингибирования перехода субстрата до всего> 0%. Чтобы учесть это, уравнение можно легко изменить, чтобы учесть различные степени ингибирования, добавив дельта V_{Максимум} срок.

${ displaystyle V _ { max} - Delta V _ { max} { cfrac { ce {[I]}} {[{ ce {I}}] + K_ {i}}}}$

или же

${ displaystyle V _ { max 1} - (V _ { max 1} -V _ { max 2}) { cfrac { ce {[I]}} {[{ ce {I}}] + K_ { я}}}}$

Этот термин может затем определять остаточную ферментативную активность, присутствующую, когда ингибитор взаимодействует с отдельными ферментами в популяции. Однако включение этого термина имеет дополнительную ценность, поскольку дает возможность активации, если вторичный V_{Максимум} срок оказывается выше первоначального. Чтобы также учесть возможность активации, обозначение можно затем переписать, заменив ингибитор «I» на термин-модификатор, обозначенный здесь как «X».

${ displaystyle V _ { max 1} - (V _ { max 1} -V _ { max 2}) { cfrac { ce {[X]}} {[{ ce {X}}] + K_ { Икс}}}}$

Хотя эта терминология упрощает рассмотрение кинетических эффектов, связанных с максимальной скоростью уравнения Михаэлиса-Ментен, она подчеркивает потенциальные проблемы с термином, используемым для описания эффектов, связанных с K_м. В K_м относящиеся к сродству фермента к субстрату, в большинстве случаев должны относиться к потенциальным изменениям в сайте связывания фермента, которые могут быть непосредственно результатом взаимодействий с ингибиторами фермента. Таким образом, термин, аналогичный предложенному выше для модуляции V_{Максимум} подойдет в большинстве ситуаций:^[12]

${ displaystyle K_ {m1} - (K_ {m1} -K_ {m2}) { cfrac { ce {[X]}} {[{ ce {X}}] + K_ {x}}}}$

Особые случаи

• Механизм частичное конкурентное торможение аналогичен неконкурентному, за исключением того, что комплекс EIS обладает каталитической активностью, которая может быть ниже или даже выше (частично конкурентная активация), чем у комплекса фермент-субстрат (ES). Это торможение обычно проявляется в более низком V_{Максимум}, но незатронутый K_м ценить.^[13]
• Неконкурентное торможение возникает, когда ингибитор связывается только с комплексом фермент-субстрат, а не со свободным ферментом; комплекс EIS каталитически неактивен. Этот режим торможения встречается редко и вызывает снижение как V_{Максимум} и K_м ценить.^[13]
• Подавление субстрата и продукта где либо субстрат, либо продукт ферментативной реакции подавляют активность фермента. Это торможение может следовать конкурентным, неконкурентным или смешанным моделям. При ингибировании субстратом наблюдается прогрессирующее снижение активности при высоких концентрациях субстрата. Это может указывать на наличие двух сайтов связывания субстрата в ферменте.^[14] При низком уровне субстрата сайт с высоким сродством занят и нормальный кинетика следят. Однако при более высоких концентрациях второй сайт ингибирования становится занятым, ингибируя фермент.^[15] Ингибирование продукта часто является нормативной характеристикой в метаболизм и может быть формой негативный отзыв.
• Медленное торможение происходит, когда исходный комплекс фермент-ингибитор EI подвергается изомеризации во второй, более прочно удерживаемый комплекс, EI *, но общий процесс ингибирования обратим. Это проявляется в медленно увеличивающемся ингибировании ферментов. В этих условиях традиционная кинетика Михаэлиса – Ментен дает ложное значение для K_я, который зависит от времени.^[16] Истинная ценность K_я можно получить путем более сложного анализаk_на) и выключено (k_{выключенный}) константы скорости ассоциации ингибитора. Видеть необратимое торможение ниже для получения дополнительной информации.

TGDDF / GDDF MAI, где синий цвет обозначает аналог тетрагидрофолатного кофактора, черный GAR или тиогар, а красный - соединяющие атомы.

Ингибитор протеазы ВИЧ-1 на основе пептидов ритонавир

Непептидный ингибитор протеазы ВИЧ-1 типранавир

• Би-субстратные аналоги ингибиторов представляют собой ингибиторы с высоким сродством и селективностью, которые можно получить для ферментов, которые катализируют бимолекулярные реакции, улавливая энергию связывания каждого субстрата в одну молекулу.^[17][18] Например, в реакциях переноса формила при биосинтезе пурина мощный мультисубстратный ингибитор аддукта (MAI) к GAR TFase получали синтетически путем связывания аналогов субстрата глицинамид рибонуклеотида (GAR) и кофактора N-10-формилтетрагидрофолата вместе с продуцировать тиоглицинамид рибонуклеотиддидеазафолат (TGDDF),^[19] или ферментативно из природного субстрата GAR с образованием GDDF.^[20] Здесь субнаномолярная константа диссоциации (KD) TGDDF была больше, чем предполагалось, предположительно из-за полученных энтропийных преимуществ и / или положительных взаимодействий, приобретенных через атомы, связывающие компоненты. Также было обнаружено, что MAI продуцируются в клетках в результате реакций пролекарств, таких как изониазид ^[21] или лиганды ингибиторов ферментов (например, PTC124) ^[22] с клеточными кофакторами, такими как НАДН и АТФ соответственно.

Примеры обратимых ингибиторов

Поскольку ферменты эволюционировали, чтобы прочно связывать свои субстраты, а большинство обратимых ингибиторов связываются в активном центре ферментов, неудивительно, что некоторые из этих ингибиторов поразительно похожи по структуре на субстраты своих мишеней. Яркими примерами являются ингибиторы DHFR. Другим примером этих имитаторов субстрата являются ингибиторы протеазы, очень успешный класс антиретровирусные препараты используется для лечения ВИЧ.^[23] Структура ритонавир, ингибитор протеазы на основе пептида и содержащий три пептидные связи, показан справа. Поскольку этот препарат похож на белок, который является субстратом протеазы ВИЧ, он конкурирует с этим субстратом в активном центре фермента.

Ингибиторы ферментов часто предназначены для имитации переходное состояние или промежуточный продукт реакции, катализируемой ферментом. Это гарантирует, что ингибитор использует стабилизирующий эффект переходного состояния фермента, в результате чего повышается аффинность связывания (более низкая K_я), чем конструкции на основе подложки. Примером такого ингибитора переходного состояния является противовирусный препарат. осельтамивир; этот препарат имитирует плоский характер кольца оксониевый ион в реакции вирусного фермента нейраминидаза.^[24]

Однако не все ингибиторы основаны на структуре субстратов. Например, структура другого ингибитора протеазы ВИЧ типранавир показан слева. Эта молекула не основана на пептиде и не имеет очевидного структурного сходства с белковым субстратом. Эти непептидные ингибиторы могут быть более стабильными, чем ингибиторы, содержащие пептидные связи, потому что они не будут субстратами для пептидазы и менее подвержены деградации.^[25]

При разработке лекарств важно учитывать концентрации субстратов, которым подвергаются целевые ферменты. Например, некоторые протеинкиназа ингибиторы имеют химическую структуру, аналогичную аденозинтрифосфат, один из субстратов этих ферментов. Однако лекарствам, которые являются простыми конкурентными ингибиторами, придется конкурировать с высокими концентрациями АТФ в клетке. Протеинкиназы также могут подавляться конкуренцией в сайтах связывания, где киназы взаимодействуют со своими субстратными белками, и большинство белков присутствует внутри клеток в концентрациях, намного меньших, чем концентрация АТФ. Как следствие, если два ингибитора протеинкиназы связываются в активном сайте со сходной аффинностью, но только один должен конкурировать с АТФ, то конкурентный ингибитор в сайте связывания белка будет более эффективно ингибировать фермент.^[26]

Необратимые ингибиторы

Типы необратимого торможения (ковалентная инактивация)

Реакция необратимого ингибитора диизопропилфторфосфат (DFP) с сериновой протеазой

Необратимые ингибиторы обычно ковалентно модифицируют фермент, и ингибирование, следовательно, не может быть отменено. Необратимые ингибиторы часто содержат реактивные функциональные группы, такие как азотные горчицы, альдегиды, галогеналканы, алкены, Майкл акцепторы, фенилсульфонаты, или же фторфосфонаты. Эти нуклеофильный группы реагируют с боковыми цепями аминокислот с образованием ковалентные аддукты. Модифицированными остатками являются остатки с боковыми цепями, содержащими нуклеофилы Такие как гидроксил или же сульфгидрил группы; к ним относятся аминокислоты серин (как в DFP, верно), цистеин, треонин, или же тирозин.^[27]

Необратимое ингибирование отличается от необратимой инактивации ферментов. Необратимые ингибиторы обычно специфичны для одного класса ферментов и не инактивируют все белки; они не функционируют, разрушая структура белка но специально изменив активный сайт своей цели. Например, экстремальные значения pH или температуры обычно вызывают денатурация из всех структура белка, но это неспецифический эффект. Точно так же некоторые неспецифические химические обработки разрушают структуру белка: например, нагревание в концентрированных соляная кислота гидролизует пептидные связи удерживая белки вместе, высвобождая свободные аминокислоты.^[28]

Необратимые ингибиторы демонстрируют зависящее от времени ингибирование, и поэтому их эффективность не может быть охарактеризована с помощью IC₅₀ ценить.^[29][30] Это связано с тем, что количество активного фермента при данной концентрации необратимого ингибитора будет различным в зависимости от того, как долго ингибитор предварительно инкубируется с ферментом. Вместо, k_{Наблюдения}/[я] используются значения,^[31] куда k_{Наблюдения} - наблюдаемая скорость инактивации псевдопервого порядка (полученная путем построения графика зависимости% активности от времени) и [я] - концентрация ингибитора. В k_{Наблюдения}/[я] параметр действителен до тех пор, пока ингибитор не насыщает связывание с ферментом (в этом случае k_{Наблюдения} = k_{бездействующий}).

Анализ необратимого торможения

Кинетическая схема для необратимых ингибиторов

Как показано на рисунке справа, необратимые ингибиторы имеют короткий случай, когда они образуют обратимый нековалентный комплекс с ферментом (EI или ESI), который затем вступает в реакцию с образованием ковалентно модифицированного «тупикового комплекса» EI * ( необратимый ковалентный комплекс). Скорость, с которой формируется EI *, называется скоростью инактивации или k_{бездействующий}. Поскольку образование EI может конкурировать с ES, связывание необратимых ингибиторов можно предотвратить путем конкуренции либо с субстратом, либо со вторым обратимым ингибитором. Этот защитный эффект является убедительным свидетельством специфической реакции необратимого ингибитора с активным центром.

Стадии связывания и инактивации этой реакции исследуются путем инкубации фермента с ингибитором и анализа количества активности, остающейся с течением времени. Активность будет уменьшаться в зависимости от времени, обычно после экспоненциальный спад. Подгонка этих данных к уравнение скорости дает скорость инактивации при данной концентрации ингибитора. Это делается при нескольких различных концентрациях ингибитора. Если задействован обратимый комплекс ЭУ, скорость инактивации будет насыщаемой, и аппроксимация этой кривой даст k_{бездействующий} и K_я.^[32]

Другой метод, который широко используется в этих анализах, - это масс-спектрометрии. Здесь точное измерение массы немодифицированного нативного фермента и инактивированного фермента дает увеличение массы, вызванное реакцией с ингибитором, и показывает стехиометрию реакции.^[33] Обычно это делается с помощью МАЛДИ-ТОФ масс-спектрометр. В дополнительной технике дактилоскопия пептидной массы включает переваривание нативного и модифицированного белка с протеаза Такие как трипсин. Это создаст набор пептиды которые можно проанализировать с помощью масс-спектрометра. Пептид, масса которого изменяется после реакции с ингибитором, будет пептидом, который содержит сайт модификации.

Особые случаи

Химический механизм необратимого ингибирования орнитиндекарбоксилазы DFMO. Пиридоксаль-5'-фосфат (Py) и фермент (E) не показаны. Адаптирован из^[34]

Не все необратимые ингибиторы образуют ковалентные аддукты со своими ферментными мишенями. Некоторые обратимые ингибиторы настолько прочно связываются со своим целевым ферментом, что они по существу необратимы. Эти ингибиторы с сильным связыванием могут демонстрировать кинетику, аналогичную ковалентным необратимым ингибиторам. В этих случаях некоторые из этих ингибиторов быстро связываются с ферментом в низкоаффинном комплексе EI, который затем претерпевает более медленную перегруппировку в очень прочно связанный комплекс EI * (см. Рисунок выше). Такое кинетическое поведение называется медленным связыванием.^[35] Эта медленная перегруппировка после связывания часто включает конформационное изменение поскольку фермент «сжимает» молекулу ингибитора. Примеры ингибиторов медленного связывания включают некоторые важные лекарства, такие как метотрексат,^[36] аллопуринол,^[37] и активированная форма ацикловир.^[38]

Примеры необратимых ингибиторов

Трипанотион редуктаза при этом нижняя молекула ингибитора связывается необратимо, а верхняя - обратимо. Создано из PDB 1GXF.

Диизопропилфторфосфат (DFP) показан как пример необратимого ингибитора протеазы на рисунке. вверху справа. Фермент гидролизует связь фосфор-фтор, но остаток фосфата остается связанным с серином в активный сайт, отключив его.^[39] Аналогичным образом DFP также реагирует на активный сайт ацетилхолинэстераза в синапсы нейронов и, следовательно, представляет собой мощный нейротоксин со смертельной дозой менее 100 мг.^[40]

Запрет суицида представляет собой необычный тип необратимого ингибирования, при котором фермент превращает ингибитор в реактивную форму в его активном центре. Примером может служить ингибитор полиамин биосинтез, α-дифторметилорнитин или DFMO, который является аналогом аминокислоты орнитин, и используется для лечения Африканский трипаносомоз (сонная болезнь). Орнитин декарбоксилаза может катализировать декарбоксилирование DFMO вместо орнитина, как показано выше. Однако за этой реакцией декарбоксилирования следует отщепление атома фтора, которое превращает этот каталитический промежуточный продукт в сопряженный я добываю, высоко электрофильный вид. Эта реактивная форма DFMO затем вступает в реакцию с остатком цистеина или лизина в активном центре, необратимо инактивируя фермент.^[34]

Поскольку необратимое ингибирование часто включает начальное образование нековалентного комплекса EI, иногда ингибитор может связываться с ферментом более чем одним способом. Например, на рисунке, показывающем трипанотионредуктаза от простейшего паразита человека Trypanosoma cruzi, две молекулы ингибитора, называемого хинакриновая горчица привязаны к его активному сайту. Верхняя молекула связана обратимо, но нижняя связана ковалентно, поскольку она прореагировала с аминокислотным остатком через свой азотный иприт группа.^[41]

Открытие и дизайн ингибиторов

Роботы, используемые для высокопроизводительного скрининга химических библиотек с целью обнаружения новых ингибиторов ферментов

Новые лекарства - это продукт длительного разработка лекарств процесс, первым шагом которого часто является открытие нового ингибитора фермента. В прошлом единственный способ обнаружить эти новые ингибиторы был методом проб и ошибок: скрининг огромных библиотек соединений против целевого фермента в надежде, что появятся некоторые полезные выводы. Этот метод грубой силы все еще успешен и даже был расширен комбинаторная химия подходы, которые быстро производят большое количество новых соединений и высокопроизводительный скрининг технология для быстрого поиска в этих огромных химических библиотеках полезных ингибиторов.^[42]

Совсем недавно был применен альтернативный подход: рациональный дизайн лекарств использует трехмерная структура активного сайта фермента, чтобы предсказать, какие молекулы могут быть ингибиторами.^[43] Эти прогнозы затем проверяются, и одно из этих проверенных соединений может быть новым ингибитором. Этот новый ингибитор затем используется, чтобы попытаться получить структуру фермента в комплексе ингибитор / фермент, чтобы показать, как молекула связывается с активным сайтом, позволяя внести изменения в ингибитор, чтобы попытаться оптимизировать связывание. Этот цикл тестирования и улучшения затем повторяется до тех пор, пока не будет произведен достаточно сильный ингибитор.^[44] Компьютерные методы также разрабатываются методы прогнозирования сродства ингибитора к ферменту, такие как молекулярный док^[45] и молекулярная механика.

Использование ингибиторов

Ингибиторы ферментов встречаются в природе, а также разрабатываются и производятся как часть фармакология и биохимия. Естественный яды часто являются ингибиторами ферментов, которые эволюционировали для защиты растений или животных от хищники. Эти природные токсины включают одни из самых ядовитых из известных соединений. Искусственные ингибиторы часто используются в качестве лекарств, но также могут быть инсектициды Такие как малатион, гербициды Такие как глифосат, или же дезинфицирующие средства Такие как триклозан. Другие искусственные ингибиторы ферментов блокируют ацетилхолинэстераза, фермент, который расщепляет ацетилхолин, и используются как нервно-паралитические вещества в химическая война.

Химиотерапия

Структура силденафил (Виагра)

Кофермент фолиевая кислота (слева) в сравнении с противораковым препаратом метотрексатом (справа)

Структура комплекса пенициллина G и Streptomyces транспептидаза. Создано из PDB 1PWC.

Чаще всего ингибиторы ферментов используются в качестве лекарств для лечения болезней. Многие из этих ингибиторов нацелены на человеческий фермент и направлены на исправление патологического состояния. Однако не все препараты являются ингибиторами ферментов. Некоторые, например противоэпилептические препараты, изменяют активность фермента, вызывая выработку большего или меньшего количества фермента. Эти эффекты называются индукция и ингибирование ферментов и есть изменения в экспрессия гена, что не связано с обсуждаемым здесь типом ингибирования ферментов. Другие препараты взаимодействуют с клеточными мишенями, которые не являются ферментами, например ионные каналы или же мембранные рецепторы.

Примером ингибитора лекарственных ферментов является силденафил (Виагра), распространенное средство для лечения мужской эректильной дисфункции. Это соединение является мощным ингибитором цГМФ-специфическая фосфодиэстераза 5 типа, фермент, разрушающий сигнализация молекула циклический гуанозинмонофосфат.^[46] Эта сигнальная молекула вызывает расслабление гладких мышц и позволяет крови течь в кавернозное тело, что вызывает эрекцию. Поскольку лекарство снижает активность фермента, который останавливает сигнал, он заставляет этот сигнал длиться более длительный период времени.

Другой пример структурного сходства некоторых ингибиторов с субстратами ферментов, на которые они нацелены, виден на рисунке, сравнивающем лекарство. метотрексат к фолиевая кислота. Фолиевая кислота является субстратом дигидрофолатредуктаза, фермент, участвующий в создании нуклеотиды это сильно ингибируется метотрексатом. Метотрексат блокирует действие дигидрофолатредуктазы и, таким образом, останавливает производство нуклеотидов. Этот блок биосинтеза нуклеотидов более токсичен для быстрорастущих клеток, чем неделящиеся клетки, поскольку быстрорастущая клетка должна выполнять Репликация ДНК, поэтому метотрексат часто используется при раке химиотерапия.^[47]

Антибиотики

Лекарства также используются для ингибирования ферментов, необходимых для выживания патогены. Например, бактерии окружены толстым слоем клеточная стенка изготовлен из сетчатого полимера, называемого пептидогликан. Многие антибиотики, такие как пенициллин и ванкомицин подавляют ферменты, которые производят, а затем сшивают нити этого полимера вместе.^[48] Это приводит к тому, что клеточная стенка теряет прочность, а бактерии лопаются. На рисунке молекула пенициллина (показанная в форме шарика и палки) показана связанной со своей мишенью, транспептидаза от бактерий Streptomyces R61 (белок показан как ленточная диаграмма).

Антибиотик дизайн лекарства облегчается, когда фермент, необходимый для выживания патогена, отсутствует или сильно отличается у людей. В приведенном выше примере люди не производят пептидогликан, поэтому ингибиторы этого процесса избирательно токсичны для бактерий. Селективная токсичность также возникает у антибиотиков за счет использования различий в структуре рибосомы в бактериях, или как они производят жирные кислоты.

Метаболический контроль

Ингибиторы ферментов также важны для контроля метаболизма. Много метаболические пути в клетке подавляются метаболиты которые контролируют активность ферментов через аллостерическая регуляция или субстратное ингибирование. Хорошим примером является аллостерическая регуляция гликолитический путь. Этот катаболический путь потребляет глюкоза и производит АТФ, НАДН и пируват. Ключевым этапом регуляции гликолиза является ранняя реакция пути, катализируемая фосфофруктокиназа-1 (ПФК1). Когда уровни АТФ повышаются, АТФ связывает аллостерический сайт в PFK1, чтобы снизить скорость ферментативной реакции; гликолиз подавляется, и продукция АТФ падает. Этот негативный отзыв контроль помогает поддерживать постоянную концентрацию АТФ в клетке. Однако метаболические пути регулируются не только посредством ингибирования, поскольку активация ферментов не менее важна. Что касается PFK1, 2,6-бисфосфат фруктозы и ADP являются примерами метаболитов, которые являются аллостерическими активаторами.^[49]

Физиологическое ингибирование ферментов также может быть вызвано специфическими ингибиторами белка. Этот механизм происходит в поджелудочная железа, который синтезирует многие пищеварительные ферменты-предшественники, известные как зимогены. Многие из них активируются трипсин протеазы, поэтому важно подавить активность трипсина в поджелудочной железе, чтобы орган не переваривал сам себя. One way in which the activity of trypsin is controlled is the production of a specific and potent ингибитор трипсина protein in the pancreas. This inhibitor binds tightly to trypsin, preventing the trypsin activity that would otherwise be detrimental to the organ.^[50] Although the trypsin inhibitor is a protein, it avoids being hydrolysed as a substrate by the protease by excluding water from trypsin's active site and destabilising the transition state.^[51] Other examples of physiological enzyme inhibitor proteins include the барстар inhibitor of the bacterial ribonuclease Barnase.^[52]

Пестициды

Много пестициды are enzyme inhibitors. Ацетилхолинэстераза (AChE) is an enzyme found in animals, from insects to humans. It is essential to nerve cell function through its mechanism of breaking down the neurotransmitter ацетилхолин into its constituents, ацетат и choline. This is somewhat unusual among neurotransmitters as most, including серотонин, дофамин, и норэпинефрин, are absorbed from the синаптическая щель rather than cleaved. A large number of AChE inhibitors are used in both medicine and agriculture. Reversible competitive inhibitors, such as edrophonium, физостигмин, и neostigmine, are used in the treatment of myasthenia gravis and in anaesthesia. В carbamate pesticides are also examples of reversible AChE inhibitors. В органофосфат pesticides such as malathion, паратион, и хлорпирифос irreversibly inhibit acetylcholinesterase.

Гербицид глифосат is an inhibitor of 3-phosphoshikimate 1-carboxyvinyltransferase,^[53] other herbicides, such as the sulfonylureas inhibit the enzyme acetolactate synthase. Both these enzymes are needed for plants to make branched-chain аминокислоты. Many other enzymes are inhibited by herbicides, including enzymes needed for the biosynthesis of липиды и каротиноиды и процессы фотосинтез и окислительного фосфорилирования.^[54]

Natural poisons

To discourage seed predators, импульсы contain trypsin inhibitors that interfere with digestion.

Animals and plants have evolved to synthesise a vast array of poisonous products including вторичные метаболиты, peptides and proteins that can act as inhibitors. Natural toxins are usually небольшие органические молекулы and are so diverse that there are probably natural inhibitors for most metabolic processes.^[55] The metabolic processes targeted by natural poisons encompass more than enzymes in metabolic pathways and can also include the inhibition of receptor, channel and structural protein functions in a cell. For example, паклитаксел (taxol), an organic molecule found in the Pacific yew tree, binds tightly to тубулин dimers and inhibits their assembly into микротрубочки в цитоскелет.^[56]

Many natural poisons act as нейротоксины это может вызвать паралич leading to death and have functions for defence against predators or in hunting and capturing prey. Some of these natural inhibitors, despite their toxic attributes, are valuable for therapeutic uses at lower doses.^[57] An example of a neurotoxin are the гликоалкалоиды, from the plant species in the family Пасленовые (включает картофель, помидор и баклажан), that are ацетилхолинэстераза ингибиторы. Inhibition of this enzyme causes an uncontrolled increase in the acetylcholine neurotransmitter, muscular paralysis and then death. Neurotoxicity can also result from the inhibition of receptors; Например, атропин from deadly nightshade (Атропа белладонна), который функционирует как конкурентный антагонист из мускариновые рецепторы ацетилхолина.^[58]

Although many natural toxins are secondary metabolites, these poisons also include peptides and proteins. An example of a toxic peptide is альфа-аманитин, which is found in relatives of the смертная казнь гриб. This is a potent enzyme inhibitor, in this case preventing the РНК-полимераза II enzyme from transcribing DNA.^[59] The algal toxin микроцистин is also a peptide and is an inhibitor of protein phosphatases.^[60] This toxin can contaminate water supplies after цветение водорослей and is a known carcinogen that can also cause acute liver hemorrhage and death at higher doses.^[61]

Proteins can also be natural poisons or антинутриенты, такой как trypsin inhibitors (discussed above) that are found in some бобовые, as shown in the figure above. A less common class of toxins are toxic enzymes: these act as irreversible inhibitors of their target enzymes and work by chemically modifying their substrate enzymes. Примером является рицин, an extremely potent protein toxin found in castor oil beans. Этот фермент представляет собой glycosidase that inactivates ribosomes. Since ricin is a catalytic irreversible inhibitor, this allows just a single molecule of ricin to kill a cell.^[62]

Смотрите также

• Протеомика, основанная на деятельности – a branch of протеомика that uses covalent enzyme inhibitors as reporters to monitor enzyme activity.
• Антиметаболит
• Фармакофор
• Аналог переходного состояния

Рекомендации

внешняя ссылка

• Web tutorial on enzyme inhibition, Tutorial by Dr Peter Birch of the University of Paisley, containing very clear animations
• Symbolism and Terminology in Enzyme Kinetics, Recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry (NC-IUB) on enzyme inhibition terminology
• PubChem from NCBI, Database of drugs and enzyme inhibitors
• БРЕНДА, Database of enzymes giving lists of known inhibitors for each entry
• Enzymes, Kinetics and Diagnostic Use, On-line lecture concentrating on medical applications of enzyme inhibitors: by Dr. Michael W. King of the IU School of Medicine
• BindingDB, a public database of measured protein-ligand binding affinities.
• Enzyme Inhibition Animated Exercise (tutorial + quizzes).