Entsyymin estäjä

Entsyymin inhibiittori on aine, joka sitoutuu entsyymin ja vähentää sen aktiivisuutta . Estäjä voi estää kiinnittymisen substraatin , että aktiiviseen kohtaan sitoutumalla sen tilalle, tai aiheuttaa muodonmuutoksia ja entsyymiä, joka tekee sen ei-aktiiviseksi ( allosteerinen estäjä ). Entsyymien estolla on tärkeä rooli biologisten mekanismien hallinnassa ja erityisesti metabolisten reittien säätelyssä. Koska entsyymin estäminen voi tappaa taudinaiheuttajan tai korjata aineenvaihdunnan epätasapainoa , sovelluksia on monilla muilla alueilla: monet lääkkeet , torjunta-aineet tai hyönteismyrkyt ovat entsyymin estäjiä. In Enzymology , inhibiittoreita käytetään laajalti mekanismin määrittämiseksi entsyymin toiminnan. Kaikki entsyymiin sitoutuvat molekyylit tai ligandit eivät ole estäjiä, myös entsyymiaktivaattoreita on olemassa ja ne lisäävät entsyymin aktiivisuutta.

Inhibiittorin sitoutuminen voi estää substraatin sitoutumisen entsyymin aktiiviseen kohtaan ja / tai entsyymin katalysoimaan sen reaktiota. Tämä esto voi olla palautuva tai peruuttamaton. Palauttamattomat estäjät reagoivat yleensä entsyymin kanssa ja muuttavat sitä kemiallisesti. Ne sitoutuvat kovalenttisesti ja modifioivat entsymaattisen aktiivisuuden kannalta välttämättömiä keskeisiä aminohappotähteitä . Sitä vastoin palautuvat inhibiittorit sitoutuvat ei-kovalenttisesti, ja erityyppiset inhibitiot johtavat riippuen siitä, sitovatko nämä estäjät entsyymin, entsyymi-substraatti (ES) -kompleksin vai molemmat.

Monet molekyylit ja lääkkeiden ovat entsyymi-inhibiittorit, joten niiden löytämisen ja parannus on aktiivinen tutkimusalue biokemian ja farmakologian . Entsyymi-inhibiittorilääke arvioidaan usein sen spesifisyyden (sitoutumisen puute muihin proteiineihin) ja voimakkuuden (sen dissosiaatio eli inhibitiovakio K i , joka osoittaa pitoisuuden, jota tarvitaan sen estämiseen. Entsyymi). Korkea spesifisyys ja teho minimoivat lääkkeen sivuvaikutukset ja varmistavat siten alhaisen toksisuuden .

Näitä estäjiä tuotetaan myös luonnollisesti ja ne osallistuvat aineenvaihdunnan säätelyyn. Esimerkiksi metabolisen reitin entsyymejä voidaan estää alavirtaan syntetisoiduilla tuotteilla. Tämä takaisinkytkennän esto hidastaa prosessin kulkua tuotteiden kertyessä ja on tärkeä keino ylläpitää homeostaasia solussa. Muut soluentsyymin estäjät ovat proteiineja, jotka sitoutuvat spesifisesti tiettyyn entsyymiin ja estävät sen. Ne voivat auttaa hallitsemaan entsyymejä, jotka voivat olla haitallisia solulle, kuten proteaaseja tai nukleaaseja , joista kuuluisa esimerkki on ribonukleaasin estäjä , joka sitoutuu ribonukleaasiin yhdessä lähimmistä proteiinivuorovaikutuksista. - Tunnettu proteiini . Luonnolliset entsyymi-inhibiittorit voivat olla myös myrkkyjä ja niitä voidaan käyttää suojana saalistajia vastaan tai saaliin tappamiseksi.

Palautettavat estot

Käänteiset estäjät yhdistyvät entsyymeihin ei-kovalenttisten sidosten, kuten vety- , hydrofobisten vuorovaikutusten ja ionisidosten kautta . Monet alhaisen energian sitoutumiset estäjän ja aktiivisen kohdan välillä muodostavat voimakkaan ja spesifisen sitoutumisen. Toisin kuin substraatit ja peruuttamattomat estäjät, palautuvat inhibiittorit eivät käy läpi kemiallista reaktiota sitoutuessaan entsyymiin ja ne voidaan helposti poistaa laimennuksella tai dialyysillä .

Kilpaileva estäjä

Kilpaileva estäjä on yleensä rakenteellinen yhtäläisyyksiä alustaan ja molemmat kilpailevat sitoutuvat samaan entsymaattista kohtaa (= isosteerinen vaikutus). Entsymaattinen reaktio on estetty joko siksi, että inhibiittorilla ei ole entsyymin muuntamaa kemiallista ryhmää, tai koska kemiallisen ryhmän sijainti estäjällä tekee sen tunnistamisen aktiivisella kohdalla mahdottomaksi .

Jotkut kilpailevat inhibiittorit eivät ole substraatin analogeja, ja niiden toimintatapa on erilainen. Inhibiittori ei sitoutu aktiiviseen kohtaan, vaan entsyymin toiseen sitoutumiskohtaan. Inhibiittorin sitoutuminen aiheuttaa muutoksen substraatin sitoutumiskohdan konformaatiossa estäen tunnistamisen entsyymin ja substraatin välillä. Kääntäen substraatin sitoutuminen entsyymiin estää estäjän sitoutumisen: nämä kaksi molekyyliä sulkevat toisensa pois.

Michaelis-Menten -kaavio ja yhtälö kilpailun eston tapauksessa:

$E + S \ longrightarrow ES \ longrightarrow E + P$
$+ I \ alaspäin \ ylöspäin$
$EI ~~$

$v_ {0} = {\ frac {V _ {{max}} [S]} {[S] + K_ {m} (1 + {\ frac {[I]} {K_ {i}}})}}$

Verrattuna klassiseen Michaelis-Menten -yhtälöön suurin reaktionopeus pysyy muuttumattomana, mutta entsyymin affiniteetti substraattiin vähenee, koska jälkimmäinen ei voi sitoutua entsyymi-inhibiittorikompleksiin. Kilpailevan eston tapauksessa on mahdollista poistaa esto kyllästämällä entsyymi substraatilla.

Inhibiittorin affiniteetti entsyymiin antaa inhibitiovakio Ki, joka edustaa inhibiittorin pitoisuutta, jolle puolet entsymaattisista kohdista on varattu. Siksi inhibiittorin affiniteetti on sitä suurempi, mitä pienempi on Ki. Tämän inhibitiovakio, ilmaistuna mol per litra, myös vastaa dissosiaatiovakio entsyymi-inhibiittori monimutkainen .

Kilpailematon estäjä

Kilpailukykyinen estäjä ei koskaan sitoutu vapaaseen entsyymiin, vaan vain entsyymiin, joka on kompleksoitu ES-substraatin kanssa, ja estää tuotteiden muodostumisen. Yleensä substraatin sitoutuminen entsyymiin johtaa muutokseen entsyymin konformaatiossa indusoidulla säätämisellä , mikä paljastaa sitoutumiskohdan estäjälle. Inhibiittori puolestaan muuttaa entsyymin aktiivisen kohdan konformaatiota ja estää reaktion.

Kuten nimestä voi päätellä, incompetitive inhibiittori ei kilpaile substraatin kanssa, joka on sen sitoutumiskohdan. Toisaalta, entsymaattisissa reaktioissa useiden substraattien kanssa, kilpailukykyiset estäjät voivat sitoutua yhden substraatin sitoutumiskohtaan.

Michaelis-Menten- kaavio ja yhtälö kilpailukyvyttömän eston tapauksessa:

$E + S \ longrightarrow ES \ longrightarrow E + P$

+ I \ alaspäin \ ylöspäin

~~ ESI

$v_ {0} = {\ frac {{\ frac {V _ {{max}}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}})}} [S]} {[S ] + {\ frac {K_ {m}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}})}}}}$

Reaktion suurin nopeus pienenee, mutta entsyymin näennäinen affiniteetti substraattiin kasvaa. Itse asiassa entsyymi-substraatti-inhibiittorikompleksin muodostuminen vähentää ES-kompleksien määrää ja edistää massavaikutuksen lain mukaan substraatin sitoutumista entsyymiin. Kilpailukykyisen inhibiittorin vaikutukset eivät ilmene alhaisilla substraattikonsentraatioilla, entsyymi on pääasiassa vapaassa muodossa. Siksi tämän tyyppistä estoa ei voida poistaa nostamalla substraatin pitoisuutta .

Erittäin harvinainen (enemmän teoreettista kuin käytännön); Estän E: n S: ssä.

kun Km vaihtelee ja Vmax vaihtelee:

1 / [s] = 0 tarkoittaa, että: 1 / v = (1 / Vmax) (1 + ([I] / Ki))

ja kun 1 / v = 0 tarkoittaa, että: 1 / [s] = - 1 / Km (1 + ([I] / Ki))

Huomaa, jos [I] kasvaa, tarkoittaa, että kaaviossa näemme kaksi yhdensuuntaista viivaa (inhibiittorin kanssa ja ilman)

Kilpailemattomalla on Km, joka pysyy vakiona ja Vmax, joka vaihtelee (pienenee), joten suhde 1 / [S] = 0, joka on oikea tässä tapauksessa.

Esto substraatin kautta

Substraatin esto on erityinen kilpailukyvyttömän eston tapaus, jossa kaksi substraattimolekyyliä voi sitoutua entsyymiin, mutta niistä ei voida tehdä tuotetta.

Kaavio ja Michaelis-Menten-yhtälö substraatin estämisen tapauksessa:

$E + S \ longrightarrow ES \ longrightarrow E + P$

+ S \ alaspäin \ ylöspäin

~~ ESS

$v_ {0} = {\ frac {V _ {{max}} [S]} {[S] + K_ {m} + {\ frac {[S] ^ {2}} {K_ {I}}}} }$

Ei-kilpaileva estäjä

Ei-kilpaileva inhibiittori voi sitoutua sekä, ja samalla affiniteetilla, vapaan entsyymin ja entsyymin substraattiin sidotun. Inhibiittori ja substraatti eivät kuitenkaan kilpaile sitoutumisesta samaan kohtaan: substraatti sitoutuu aktiiviseen kohtaan ja inhibiittori toiseen sitoutumiskohtaan. Inhibiittori aiheuttaa muutoksen aktiivisen kohdan konformaatiossa, mikä estää substraatin transformaation tuotteeksi, mutta ei vaikuta tunnistamiseen entsyymin ja substraatin välillä.

Michaelis-Menten-kaavio ja yhtälö ei-kilpailevan eston tapauksessa:

$E + S \ longrightarrow ES \ longrightarrow E + P$
$+ I \ alaspäin \ ylöspäin ~~~~~~~~~~ \ ylöspäin \ alaspäin + I$
$EI ~~~ \ vasenkätinen ~ ~ ESI$

$v_ {0} = {\ frac {{\ frac {V _ {{max}}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {i}}})}} [S]} {[S ] + K_ {m}}}$

Ei-kilpailevan inhibiittorin sitoutuminen vähentää reaktion maksiminopeutta, mutta ei muuta entsyymin affiniteettia substraattiin, koska se sitoutuu sekä vapaaseen entsyymiin että EI-kompleksiin.

Ei-kilpailevaa inhibitiota ei voida voittaa lisäämällä substraatin pitoisuutta, koska inhibiittori sitoutuu sekä vapaaseen entsyymiin että ES-kompleksiin.

Sekoitettu esto

Yhdistetty inhibitio on yleistys edellisen estoja jossa inhibiittori sitoutuu sekä vapaan entsyymin ja entsyymin substraattiin sidotun, mutta eri affiniteeteilla: K i ≠ K I . On olemassa kahdenlaisia sekoittaa estoja: kilpailukykyinen - ei-kilpailevan eston (K I > K i ) ja ei-kilpailukykyinen - incompetitive esto (K I <K i ).

Kaavio ja Michaelis-Menten -yhtälö sekoitetun eston tapauksessa:

$E + S \ longrightarrow ES \ longrightarrow E + P$
$K_ {i} \ alaspäin \ ylöspäin ~~~~~~~~~~ \ ylöspäin \ alaspäin K_ {I}$
$EI ~~~ \ vasenkätinen ~ ~ ESI$

$v_ {0} = {\ frac {{\ frac {V _ {{max}}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}})}} [S]} {[S ] + K_ {m} {\ frac {1 + {\ frac {[I]} {K_ {i}}}} {1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}}}}}}$

Kuten on esitetty seuraavassa taulukossa, vaihtelemalla inhibitiovakiot K i ja K I , löydämme edellisten kaavojen kilpailukykyisin, incompetitive ja ei-kilpaileva esto, jotka ovat ääritapauksissa yhdistetty inhibitio.

	Estämisen tyyppi	K m ilmeinen	V max ilmeinen
K I → ääretön	kilpailukykyinen	$K_ {m} (1 + {\ frac {[I]} {K_ {i}}})$	$~ V _ {{max}} ~$
K i → ääretön	kilpailukykyinen	${\ frac {K_ {m}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}})}}$	${\ frac {V _ {{max}}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}})}}$
K i = K I	ei kilpailukykyinen	$~ K_ {m} ~$	${\ frac {V _ {{max}}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {i}}})}}$
K I ≠ K i	sekoitettu	${\ frac {K_ {m} (1 + {\ frac {[I]} {K_ {i}}})} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}})}}$	${\ frac {V _ {{max}}} {(1 + {\ frac {[I]} {K_ {I}}})}}$

Substraatin pitoisuuden vaikutus

Edellä mainitut estotyypit voidaan erottaa myös substraatin [S] konsentraation lisäämisen vaikutuksella eston määrään, jonka tietty määrä inhibiittoria aiheuttaa. Kilpailevassa estämisessä eston tasoa pienennetään lisäämällä [S]. Ei-kilpailevassa estossa tämä eston aste on muuttumaton. Ja kilpailemattomassa estämisessä (jota kutsutaan myös kilpailunvastaiseksi), eston aste kasvaa [S]: n kanssa.

Olettaen, että kinetiikka inhiboidusta entsyymin reaktio noudattaa Michaelis-Menten yhtälön maksimi nopeudella V max ja Michaelis-vakio K m , tyyppi esto voidaan tunnistaa käyttämällä lisäävä vaikutus [S] on Lineweaver-Burk-kuvaajan , joka osoittaa vastavuoroisesti nopeuden lineaarisena funktiona substraatin konsentraation vastavuoroisuudesta. Tämä kaavio on lineaarinen kaltevuuden K M / V max kanssa ja sovittaa alkupisteeseen 1 / V max .

Kilpailevan eston tapauksessa K M kasvaa substraatin konsentraation funktiona, mutta Vmax on muuttumaton, joten kaltevuus kasvaa, mutta y-leikkaus ei muutu. Toisaalta, jos esto on incompetitive, K M ja V max sekä laskua, ja sitten kulmakerroin on vakio, mutta y-leikkaus kasvaa. Ja lopuksi ei-kilpailevalle estolle KM on muuttumaton ja Vmax pienenee. Tämän seurauksena kaltevuus ja sieppaus molemmat kasvavat, mutta sieppaus on muuttumaton.

Palautumaton esto, "itsemurhan" esto

Itsemurhan esto on mekanismi, jossa estäjä muodostaa vakaan kompleksin entsyymin kanssa, joka aktivoi sen pysyvästi. Entsyymi tunnistaa inhibiittorin substraattina ja aloittaa prosessin sen modifioimiseksi. Sitten tapahtuu vaihe, jonka aikana modifioidusta inhibiittorista tulee hyvin reaktiivinen ja sitoutuu hyvin stabiilisti entsyymiin. Entsyymi vaikuttaa siten omaan peruuttamattomaan inaktivaatioonsa, tästä syystä nimi "itsemurhan" esto. Inhibiittori voidaan sijoittaa entsyymin katalyyttiseen kohtaan tai muualle

Esimerkkejä:

Aspiriini estää syklo-oksigenaasi aktiivinen.
Penisilliini on itsemurha-inhibiittori transpeptidaasientsyymin mukana synteesi peptidoglykaanin , joka on osa seinämän bakteerit . Sen beeta-laktaamisykli on hyvin labiili ja reagoi entsyymin aktiivisen kohdan kanssa. Sitten se sitoutuu termodynaamisesti erittäin vakaalla tavalla entsyymiin jälkimmäisen tasolla.

Katso myös

Huomautuksia ja viitteitä

Keith J.Laidler , fysikaalinen kemia ja biologiset sovellukset , Benjamin / Cummings,1978( ISBN 0-8053-5680-0 ) , s. 437

(fr) Tämä artikkeli on osittain tai kokonaan otettu englanninkielisestä Wikipedia- artikkelista " Entsyymi-inhibiittori " ( katso luettelo kirjoittajista ) .