Rekabetçi engelleme - Competitive inhibition

Etanol ( C
₂H
₅OH ) için rekabetçi bir inhibitör olarak işlev görür , metanol ve etilen glikol , enzim için alkol dehidrojenaz olarak karaciğerde büyük miktarlarda mevcut. Bu nedenle, etanol bazen bu kimyasalların kazara yutulmasını takiben toksisiteyi tedavi etmek veya önlemek için bir araç olarak kullanılır.

Rekabetçi inhibisyon , bir kimyasal maddenin bağlanması veya bağlanması için rekabet ederek diğerinin etkisini inhibe etmesi nedeniyle kimyasal bir yolun kesintiye uğramasıdır . Herhangi bir metabolik veya kimyasal haberci sistem potansiyel olarak bu ilkeden etkilenebilir, ancak enzim inhibisyonunun rekabetçi formu, reseptör antagonizminin rekabetçi formu, antimetabolit aktivitesinin rekabetçi formu dahil olmak üzere birkaç rekabetçi inhibisyon sınıfı özellikle biyokimya ve tıpta önemlidir. ve rekabete dayalı zehirlenme biçimi (yukarıda belirtilen türlerden herhangi birini içerebilir).

Enzim inhibisyon tipi

Enzim katalizinin yarışmalı inhibisyonunda, bir inhibitörün bağlanması, substrat olarak da bilinen enzimin hedef molekülünün bağlanmasını önler. Bu, substratın bağlanma bölgesini - aktif bölge - bir şekilde bloke ederek gerçekleştirilir. V _max K ise, reaksiyon maksimum hız gösterir _m V yarısını ulaşmak için gereken alt-tabaka miktarı, _maks . K _m, ayrıca enzimin bağlamak için alt-tabaka eğilimini gösteren bir rol oynar. Rekabetçi inhibisyon, reaksiyona daha fazla substrat eklenerek üstesinden gelinebilir, bu da enzim ve substrat bağlama şansını arttırır. Bunun bir sonucu olarak, kompetitif inhibisyon değiştirir yalnızca K _m , V ayrılan _maksimum aynı. Bu, Michaelis-Menten veya Lineweaver-Burk grafiği gibi enzim kinetiği grafikleri kullanılarak gösterilebilir . İnhibitör enzime bağlı olduğu zaman, eğim K olarak etkilenecektir _m ya artar ya da orijinal K azalır _m reaksiyonu.

Çoğu rekabetçi inhibitör, enzimin aktif bölgesine geri dönüşümlü olarak bağlanarak işlev görür. Sonuç olarak, birçok kaynak bunun rekabetçi inhibitörlerin tanımlayıcı özelliği olduğunu belirtmektedir. Bununla birlikte, bir enzimin hem inhibitöre hem de substrata bağlanabileceği, ancak her ikisini aynı anda asla bağlayamayacağı birçok olası mekanizma olduğundan , bu yanıltıcı bir aşırı basitleştirmedir . Örneğin, allosterik inhibitörler, rekabetçi, rekabetçi olmayan veya rekabetçi olmayan inhibisyon gösterebilir .

mekanizma

Yarışmalı inhibisyonu gösteren diyagram

Yarışmalı inhibisyonda, normal substrata benzeyen bir inhibitör, genellikle aktif bölgede enzime bağlanır ve substratın bağlanmasını önler. Herhangi bir anda enzim inhibitöre, substrata veya hiçbirine bağlanabilir, ancak her ikisini aynı anda bağlayamaz. Yarışmalı inhibisyon sırasında, inhibitör ve substrat aktif bölge için rekabet eder. Aktif bölge, belirli bir proteinin veya substratın bağlanabileceği bir enzim üzerindeki bir bölgedir. Böylece aktif bölge, iki kompleksten sadece birinin bölgeye bağlanmasına izin verecek, ya bir reaksiyonun oluşmasına izin verecek ya da onu verecek. Yarışmalı inhibisyonda, inhibitör substrata benzer, onun yerini alır ve bir enzimin aktif bölgesine bağlanır. Substrat konsantrasyonunun arttırılması, substratın aktif bölgeye düzgün bir şekilde bağlanması ve bir reaksiyonun oluşmasına izin vermesi için "rekabetini" azaltacaktır. Substrat, rekabetçi inhibitörün konsantrasyonundan daha yüksek konsantrasyonda olduğunda, substratın, inhibitörünkinden ziyade enzimin aktif bölgesi ile temas etmesi daha olasıdır.

Rekabetçi inhibitörler, farmasötikler yapmak için yaygın olarak kullanılır. Örneğin metotreksat , rekabetçi bir inhibitör görevi gören bir kemoterapi ilacıdır. Bu yapısal olarak benzeyen koenzim , folat olan enzim için bağlandığı, dihidrofolat redüktaz . Bu enzim, DNA ve RNA sentezinin bir parçasıdır ve metotreksat enzimi bağladığında onu inaktif hale getirir, böylece DNA ve RNA'yı sentezleyemez. Kanser hücreleri bu nedenle büyüyemez ve bölünemez. Başka bir örnek: prostaglandin , ağrıya tepki olarak büyük miktarlarda üretilir ve iltihaplanmaya neden olabilir. Esansiyel yağ asitleri prostaglandinleri oluşturur; bu keşfedildiğinde, bunların aslında prostaglandinler için çok iyi inhibitörler olduğu ortaya çıktı. Bu yağ asitleri inhibitörleri, substrat olarak hareket edebildikleri ve enzime bağlanabildikleri ve prostaglandinleri bloke edebildikleri için ağrıyı hafifletmek için ilaçlar olarak kullanılmıştır.

İlaçla ilgili olmayan yarışmalı inhibisyonun bir örneği, meyve ve sebzelerin esmerleşmesinin önlenmesidir. Örneğin, mantarlardaki bir enzim olan tirozinaz normalde substrata, monofenollere bağlanır ve kahverengi o-kinonları oluşturur. Mantarlar için 4-ikameli benzaldehitler gibi rekabetçi substratlar, bağlanan monofenollerin miktarını azaltan substratla rekabet eder. Ürüne eklenen bu inhibitör bileşikler, esmerleşmeye neden olan monofenollerin bağlanmasını azaltarak ürünü daha uzun süre taze tutar. Bu, ürün kalitesinin yanı sıra raf ömrünün de artmasına izin verir.

Rekabetçi inhibisyon tersine çevrilebilir veya geri döndürülemez olabilir. Bu ise geri dönüşümlü inhibisyonu , o zaman inhibitör etkisi artan substrat konsantrasyonu ile aşılabilir. Geri döndürülemez ise, üstesinden gelmenin tek yolu hedefin daha fazlasını üretmektir (ve tipik olarak geri döndürülemez şekilde engellenen hedefi düşürmek ve/veya salgılamak).

Hemen hemen her durumda, rekabetçi inhibitörler , substrat ile aynı bağlama sahasında (aktif saha) bağlanır , ancak aynı saha bağlaması bir gereklilik değildir. Rekabetçi bir inhibitör , serbest enzimin allosterik bölgesine bağlanabilir ve substrat bağlandığında allosterik bölgeye bağlanmadığı sürece substrat bağlanmasını önleyebilir. Örneğin, striknin , memeli omuriliği ve beyin sapındaki glisin reseptörünün allosterik bir inhibitörü olarak görev yapar. Glisin, spesifik bir reseptör bölgesi olan majör bir sinaptik sonrası inhibitör nörotransmiterdir. Striknin, glisin reseptörünün glisin afinitesini azaltan alternatif bir bölgeye bağlanır ve glisin tarafından azaltılmış inhibisyon nedeniyle konvülsiyonlara neden olur.

Yarışmalı inhibisyonda, reaksiyonun maksimum hızı ( ) değişmezken, substratın bağlanma bölgesine görünen afinitesi azalır ( ayrışma sabiti görünüşte artar). Değişim ( Michaelis-Menten sabit) alterasyon paralel olan bir artış, diğer şart azalması gibi. Rekabetçi bir inhibitör bir enzime bağlandığında artar. Bu, enzim için bağlanma afinitesinin azaldığı anlamına gelir, ancak substratın konsantrasyonu artırılarak bunun üstesinden gelinebilir. Herhangi bir yarışmalı inhibitör konsantrasyonu, substrat konsantrasyonu artırılarak üstesinden gelinebilir. Bu durumda, substrat, bir inhibitörün bağlanma mevcudiyetini azaltacak ve böylece, inhibitörün enzime bağlanmasında rekabette üstünlük sağlayacaktır. ${\displaystyle V_{\max }}$${\görüntüleme stili K_{d}}$${\ Displaystyle K_{m}}$${\görüntüleme stili K_{d}}$${\ Displaystyle K_{m}}$

Rekabetçi inhibisyon, inhibitör ve substrat enzimi aynı anda bağlayamadığı sürece allosterik olabilir.

Biyolojik örnekler

Kirlenmiş bir opioid ilaç kazara yutulması sonrasında desmethylprodine , nörotoksik 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridin (etkisi MPTP ) keşfedilmiştir. MPTP kan beyin bariyerini geçebilir ve asidik lizozomlara girebilir . MPTP, esas olarak nörolojik bozukluklar ve hastalıklarda yoğunlaşan bir monoamin oksidaz (MAO) izozimi olan MAO-B tarafından biyolojik olarak aktive edilir . Daha sonra MPTP'nin Parkinson hastalığına benzer semptomlara neden olduğu keşfedildi . Merkezi sinir sistemindeki (astrositler) hücreler, MPTP'yi toksik olan 1-metil-4-fenilpiridinyum'a (MPP+) oksitleyen MAO-B'yi içerir. MPP+ sonunda bir dopamin taşıyıcısı tarafından hücre dışı sıvıya geçer ve bu da en sonunda Parkinson semptomlarına neden olur. Bununla birlikte, MAO-B enziminin veya dopamin taşıyıcısının rekabetçi inhibisyonu, MPTP'nin MPP+'ya oksidasyonuna karşı koruma sağlar. Metilen mavisi , 5-nitroindazol , norharman , 9- metilnorharman ve menadion dahil olmak üzere birkaç bileşik MPTP'nin MPP+'ya oksidasyonunu inhibe etme yetenekleri açısından test edilmiştir . Bunlar, MPTP tarafından üretilen nörotoksisitede bir azalma olduğunu göstermiştir.

Normal enzim aktivitesinin (1) substrat konsantrasyonuna [S] karşı reaksiyon hızının (v) Michaelis–Menten grafiği, rekabetçi bir inhibitör (2) ile enzim aktivitesine kıyasla. Bir enzimatik reaksiyon için rekabetçi bir inhibitör ekleme K arttırır _m reaksiyonunun fakat V _maks aynı kalır.

Lineweaver-Burk grafiği, Michaelis-Menten grafiğinin tersi, hızın karşılıklı (1/V) ile enzim aktivitesi ile karşılaştırıldığında normal enzim aktivitesinin (mavi) substrat konsantrasyonunun (1/[S]) tersi. rekabetçi bir inhibitör (kırmızı). Bir enzimatik reaksiyon için rekabetçi bir inhibitör ekleme K arttırır _m reaksiyonunun fakat V _maks aynı kalır.

Sülfa ilaçları ayrıca rekabetçi inhibitörler olarak da işlev görür. Örneğin, sülfanilamid , para-aminobenzoik asit (PABA) substratını taklit ederek dihidropteroat sentaz (DHPS) aktif bölgesindeki enzime yarışmalı olarak bağlanır . Bu, substratın kendisinin, temel bir besin olan folik asit üretimini durduran bağlanmasını önler. Bakteriler folik asidi sentezlemek zorundadır çünkü bunun için bir taşıyıcıları yoktur. Folik asit olmadan bakteri büyüyemez ve bölünemez. Bu nedenle, sülfa ilaçlarının yarışmalı inhibisyonu nedeniyle, mükemmel antibakteriyel ajanlardır. Rekabetçi engelleme miktarlarına bir örnek oksidasyonunu katalize eden enzim süksinik dehidrogenaz için deneysel olarak gösterilmiştir süksinat için fumarat olarak Krebs döngüsü . Malonat , süksinik dehidrojenazın rekabetçi bir inhibitörüdür. Süksinik dehidrojenazın substrata, süksinata bağlanması yarışmalı olarak inhibe edilir. Bunun nedeni malonatın kimyasının süksinata benzer olmasıdır. Malonatın enzim ve substratın bağlanmasını inhibe etme yeteneği, malonatın süksinata oranına bağlıdır. Malonat, süksinik dehidrojenazın aktif bölgesine bağlanır, böylece süksinat yapamaz. Böylece reaksiyonu engeller.

Allosterik yarışmalı inhibisyon için başka bir olası mekanizma.

Denklem

Michaelis-Menten Modeli, enzim kinetiğini anlamak için paha biçilmez bir araç olabilir. Bu modelde, tepkime hızı (V bir arsa göre ₀ [S] substrat konsantrasyonu ile ilgili olarak) daha sonra, V olarak değerlerini belirlemek için kullanılabilir _maksimum , ilk hız ve K, _m (V _maks / 2 veya afinite enzimden substrat kompleksine).

Rekabetçi inhibisyon, Michaelis-Menten sabitinin görünür değerini arttırır , öyle ki, reaksiyonun ilk hızı, , ile verilir. ${\displaystyle K_{m}^{\metin{app}}}$${\görüntüleme stili V_{0}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max }\,[S]}{K_{m}^{\text{app}}+[S]}}}$

burada , inhibitörün ayrışma sabitidir ve inhibitör konsantrasyonudur. ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})}$${\displaystyle K_{i}}$${\görüntüleme stili [I]}$

${\displaystyle V_{\max }}$aynı kalır çünkü inhibitörün varlığı, daha yüksek substrat konsantrasyonları ile üstesinden gelinebilir. , ulaşmak için gerekli olan substrat konsantrasyonu, rekabetçi bir inhibitörün varlığı ile artar. Bunun nedeni, bir inhibitörle ulaşmak için gereken substrat konsantrasyonunun, bir inhibitör olmadan ulaşmak için gereken substrat konsantrasyonundan daha büyük olmasıdır . ${\displaystyle K_{m}^{\metin{app}}}$${\displaystyle V_{\max }/2}$${\displaystyle V_{\max }}$${\displaystyle V_{\max }}$

türetme

Michaelis-Menten kinetiğine uyan tek substratlı bir enzimin en basit durumunda, tipik şema

${\displaystyle {\ce {E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P}}}$

inhibitörün serbest enzime bağlanmasını içerecek şekilde değiştirilir:

${\displaystyle {\ce {EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I}}}$

İnhibitörün ES kompleksine bağlanmadığına ve substratın EI kompleksine bağlanmadığına dikkat edin. Genellikle bu davranışın her iki bileşiğin de aynı bölgede bağlanmasının göstergesi olduğu varsayılır, ancak bu kesinlikle gerekli değildir. Michaelis–Menten denkleminin türetilmesinde olduğu gibi, sistemin kararlı durumda olduğunu, yani enzim türlerinin her birinin konsantrasyonunun değişmediğini varsayalım.

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}={\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}={\frac {d[{ \ce {EI}}]}{dt}}=0.}$

Ayrıca, bilinen toplam enzim konsantrasyonu 0'dır ve hız, substrat ve inhibitör konsantrasyonlarının önemli ölçüde değişmediği ve önemsiz miktarda ürünün biriktiği koşullar altında ölçülür. ${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

Bu nedenle bir denklem sistemi kurabiliriz:

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

( 1 )

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}=0=-k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]+k_ {-1}[{\ce {ES}}]+k_{2}[{\ce {ES}}]-k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}] +k_{-3}[{\ce {EI}}]}$

( 2 )

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}=0=k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]-k_{ -1}[{\ce {ES}}]-k_{2}[{\ce {ES}}]}$

( 3 )

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {EI}}]}{dt}}=0=k_{3}[{\ce {E}}][{\ce {I}}]-k_{ -3}[EI]}$

( 4 )

nerede ve biliniyor. Başlangıç ​​hızı olarak tanımlanır , bu nedenle bilinmeyeni bilinenler ve cinsinden tanımlamamız gerekir . ${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$${\ Displaystyle {\ce {[E]_0}}}$${\displaystyle V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]}$${\ Displaystyle {\ce {[ES]}}}$${\displaystyle {\ce {[S], [I]}}}$${\ Displaystyle {\ce {[E]_0}}}$

( 3 ) denkleminden , yeniden düzenleyerek E'yi ES cinsinden tanımlayabiliriz .

${\displaystyle k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]=(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}$

Bölerek verir ${\displaystyle k_{1}[{\ce {S}}]}$

${\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}{k_{1}[{\ce {S }}]}}}$

Michaelis-Menten denkleminin türetilmesinde olduğu gibi, terim makroskopik hız sabiti ile değiştirilebilir : ${\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}}$${\ Displaystyle K_{m}}$

${\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}}$

( 5 )

( 5 ) denklemini ( 4 ) denkleminde yerine koyarsak ,

${\displaystyle 0={\frac {k_{3}[{\ce {I}}]K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}-k_{- 3}[{\ce {EI}}]}$

Yeniden düzenleme, bunu buluyoruz

${\displaystyle [{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}k_{3}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{k_{-3} [{\ce {S}}]}}}$

Bu noktada, olarak inhibitör için ayrışma sabiti tanımlayabilir vererek ${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}$

${\displaystyle [{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce { S}}]}}}$

( 6 )

Bu noktada, ( 5 ) denklemini ve ( 6 ) denklemini denklem ( 1 ) ile değiştirin:

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}+[{\ce {ES}}]+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

ES'yi çözmek için yeniden düzenleme, buluruz

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {ES}}]\left({\frac {K_{m}}{\ce {[S]}}}+1 +{\frac {K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}\sağ)=[{\ce {ES}}]{\ frac {K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S }}]}}}$

${\displaystyle [{\ce {ES}}]={\frac {K_{i}[{\ce {S}}][{\ce {E}}]_{0}}{K_{m}K_ {i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}}}$

( 7 )

için ifademize dönersek , şimdi elimizde: ${\görüntüleme stili V_{0}}$

${\displaystyle V_{0}=k_{2}[{\ce {ES}}]={\frac {k_{2}K_{i}[{\ce {S}}][{\ce {E} }]_{0}}{K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {k_{2}[{\ce {E}}]_{0}[{\ce {S}}]}{K_{m}+[{\ce { S}}]+K_{m}{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}}}}$

Tüm enzim enzim-substrat kompleksi olarak bağlandığında hız maksimum olduğundan, . Terimlerin değiştirilmesi ve birleştirilmesi sonunda geleneksel biçimi verir: ${\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max }[{\ce {S}}]}{K_{m}\left(1+{\frac {[{\ce {I}}]] }{K_{i}}}\sağ)+[{\ce {S}}]}}}$

( 8 )

Yarışmalı bir inhibitörü konsantrasyonunu hesaplamak için bir kısmını verir hızının burada : ${\ Displaystyle {\ce {[I]}}}$${\displaystyle f_{V{_{0}}}}$${\görüntüleme stili V_{0}}$${\displaystyle 0<f_{V{_{0}}}<1}$

${\displaystyle [{\ce {I}}]=\left({\frac {1}{f_{V{_{0}}}}}-1\right)K_{i}\left(1+{ \frac {[{\ce {S}}]}{K_{m}}}\sağ)}$

( 9 )

Notlar ve referanslar

Ayrıca bakınız

• Ligand reseptör inhibisyonu için Schild regresyonu
• Rekabetçi olmayan inhibisyon