Inhibitor reversibil

Același subiect în detaliu: inhibitor enzimatic, cataliză enzimatică și enzimă .

Inhibitorii reversibili se leagă de enzime cu interacțiuni non-covalente, cum ar fi legarea hidrogenului , interacțiunea hidrofobă și legarea ionică . Legături slabe multiple între inhibitor și situl activ se combină pentru a produce legături puternice și specifice. Spre deosebire de substraturi și inhibitori ireversibili, inhibitorii reversibili nu provoacă în general reacții chimice atunci când se leagă de enzimă și pot fi ușor îndepărtați prin diluare sau dializă .

Tipuri

Există trei tipuri de inhibitori enzimatici reversibili, clasificați în funcție de efectul cauzat de modificările concentrației substratului enzimatic asupra inhibitorului. ^[1]

Cazuri speciale

Mecanismul inhibiției parțial competitive este similar cu cel necompetitiv, cu excepția faptului că complexul EIS are o activitate catalitică mai mică decât cea a complexului ES. Această inhibare prezintă în mod tipic o V _max inferior, dar o valoare neschimbată de K _m. ^[2]
Inhibiția incompetitivă apare atunci când inhibitorul se leagă numai de complexul enzimă-substrat, nu de enzima liberă; complexul EIS este inactiv catalitic. Acest mod de inhibare este rară și determină o scădere atât V _max și K _m. ^[2]
Inhibarea substratului sau a produsului apare atunci când substratul sau produsul unei reacții catalizate de enzime inhibă activitatea enzimei. Această inhibiție poate urma modelele celei competitive, neconcurențiale sau mixte. În inhibarea substratului există o scădere progresivă a activității pentru concentrații mari de substrat. Acest lucru poate indica existența a două situsuri de legare în enzimă. La o concentrație scăzută a substratului, locul de afinitate ridicat este ocupat și se respectă cinetica enzimatică normală. Cu toate acestea, la concentrații mai mari, al doilea loc (inhibitor) este, de asemenea, ocupat. ^[3] Inhibarea produsului este adesea o caracteristică de reglementare a metabolismului și poate fi o formă de feedback negativ .
Inhibarea lentă are loc atunci când complexul inițial EI suferă (prin izomerizare ) un complex EI * mai strâns (procesul general de inhibare este reversibil). Acest eveniment apare la fel de lent pe măsură ce inhibarea enzimei crește. În aceste condiții, cinetica tradițională Michaelis - Menten oferă o valoare incorectă a lui K _i , care depinde de timp. Valoarea reală a lui K _i poate fi obținută printr-o analiză mai complexă asupra raportului constantelor on ( k _on ) și off ( k _off ) ale asocierii inhibitorii.

Descriere cantitativă

Inhibiția reversibilă poate fi descrisă cantitativ în ceea ce privește legarea inhibitorului de enzimă și complexul enzimă-substrat și efectele sale asupra constantelor cinetice ale enzimei. În schema clasică Michaelis - Menten , o enzimă (E) se leagă de substratul său (S) pentru a forma complexul enzimă-substrat ES. În timpul catalizei, acest complex se descompune pentru a elibera produsul P și enzima liberă. Inhibitorul (I) se poate lega de E sau ES cu constantele de disociere K _i respectiv K _i '.

Inhibitorii competitivi se pot lega de E, dar nu de ES. Inhibarea competitivă crește K _m (inhibitor al interferează cu legarea substrat), dar nu afectează _Vmax (inhibitor nu cataliza nu obstrucționeze în ES , deoarece nu se poate lega de ES).
Inhibitorii neconcurențiali au afinitate egală pentru E și ES ( K _i = K _i '). Inhibiția necompetitivă nu modifică K _m (nu afectează legarea substratului) dar scade V _max (inhibitor de legare a cataliza o piedica).
Inhibitorii mixți se leagă atât la E, cât și la ES, dar afinitățile lor pentru aceste două forme ale enzimei sunt diferite ( K _i ≠ K _i '). De aceea, inhibitorii mixte interfera cu legarea substratului (creșterea K _m) și cataliza piedica în ES complex (scădere V _max).

Dacă o enzimă are diferite substraturi, inhibitorii pot prezenta diferite tipuri de inhibiție în funcție de substratul în cauză. Acest lucru rezultă din site-ul activ care conține două site-uri de legare diferite, unul pentru fiecare substrat. De exemplu, un inhibitor poate concura cu substratul A pentru primul situs de legare, dar poate fi un inhibitor necompetitiv cu substratul B la al doilea situs de legare. ^[4]

Măsurarea constantelor de disociere

Lineweaver - Diagramele Burk ale diferitelor tipuri de inhibitori reversibili ai enzimelor. Săgeata arată efectul creșterii concentrației inhibitorilor.

Același subiect în detaliu: cinetica Michaelis-Menten și constanta Michaelis-Menten .

După cum sa discutat deja, un inhibitor enzimatic se caracterizează prin cele două constante de disociere : K _i (în raport cu E) și K _i '(în raport cu complexul ES).

Constanta K _i poate fi măsurată direct prin diferite metode; o metodă extrem de precisă este calorimetria de titrare izotermă , în care se măsoară concentrația inhibitorului într-o soluție cu enzime și căldura eliberată sau absorbită. ^[5] Constanta K _i ', pe de altă parte, este dificil de măsurat direct, deoarece complexul enzimă-substrat are o durată scurtă de viață și este susceptibil la reacția chimică care formează produsul. Prin urmare, K _i 'este uneori măsurat indirect, prin observarea activității enzimatice pe diferite substraturi și concentrații de inhibitori și interpolare a datelor ^[6] într-o ecuație Michaelis-Menten modificată:

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

{\ 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]}}}

{\ 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]}}}

unde factorii modificatori α și α 'sunt definiți de concentrația inhibitorului și de cele două constante de disociere

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

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

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

\alpha ^{\prime }=1+{\frac {[I]}{K_{i}^{\prime }}}

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

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

Astfel, în prezența inhibitorului, efectiv K _m și V _max ale enzimei devin respectiv (α / α ') K _m și (1 / α') V _max. Cu toate acestea, ecuația Michaelis-Menten modificată presupune că legarea inhibitorului de enzimă a ajuns la echilibru, care poate fi un proces foarte lent pentru inhibitori cu constante de disociere foarte scăzute (sub-nanomolar). În aceste cazuri, este mai practic să tratați inhibitorul ca un inhibitor ireversibil (așa cum este descris mai jos); cu toate acestea, poate fi încă posibil să se estimeze cinetic K _i 'dacă K _i este măsurabil independent.

Efectele diferitelor tipuri de inhibitori de enzime reversibile asupra activității enzimei pot fi vizualizate cu reprezentări grafice ale ecuației Michaelis - Menten, cum ar fi Lineweaver - Burk și diagrama Eadie-Hofstee . De exemplu, în diagrama Lineweaver-Burk liniile de inhibiție competitive se intersectează pe axa y , arătând că astfel de inhibitori nu afectează V _max . In mod similar, liniile intersecteaza inhibiției necompetitivă pe axa x, ca astfel de inhibitori nu afectează K _m. Cu toate acestea, poate fi dificil să se estimeze exact K _i și K _i 'din astfel de grafice ^[7] , motiv pentru care este obișnuit să se estimeze aceste constante folosind regresia neliniară mai fiabilă descrisă mai sus.

Exemple

Structura ritonavirului , un exemplu de inhibitor de protează, este cea a unui tetrapeptid . Medicamentul seamănă cu regiunea proteică care formează substratul proteazei HIV . Prin urmare, această moleculă concurează cu acest substrat pentru situl activ al enzimei

Deoarece enzimele sunt menite să se lege strâns de substraturile lor, iar cei mai mulți inhibitori reversibili se leagă de locul activ al enzimei, nu este surprinzător faptul că unii dintre acești inhibitori sunt foarte asemănători ca structură cu substratul enzimei țintă. Un exemplu al acestei mimici este inhibitorii de protează , cum ar fi ritonavir , o clasă de medicamente antiretrovirale utilizate de exemplu pentru tratarea infecțiilor cu HIV . ^[8] Inhibitorii sunt adesea capabili să imite starea de tranziție , intermediarul unei reacții catalizate de enzime. Acest lucru asigură că inhibitorul exploatează efectul stabilizator al stării de tranziție a enzimei, rezultând o afinitate de legare mai bună _(Kj mai mici decât K _m) în raport cu substratul. Un exemplu de astfel de inhibitor al stării de tranziție este oseltamivirul antiviral, care imită natura plană a inelului ionic oxoniu în reacția enzimei virale neuraminidază .

Un exemplu de inhibitor non-peptidic al proteazei este tipranavirul

Cu toate acestea, nu toți inhibitorii reversibili imită structurile substratului. Structura unui alt inhibitor al proteazei HIV, cum ar fi tipranavir , de exemplu, nu este de tip peptidic și nu are asemănări structurale evidente cu substratul. Acești inhibitori non-peptidici pot fi mai stabili decât cei care conțin legături peptidice, deoarece nu sunt substraturi pentru peptidaze și sunt mai greu de degradat în celulă .

În proiectarea medicamentelor, este necesară și o evaluare atentă a concentrațiilor necesare pentru a induce o concurență eficientă. De exemplu, este posibil să se inhibe protein kinaze prin molecule cu o structură chimică similară cu ATP (unul dintre substraturile acestor enzime), dar aceste medicamente vor trebui să concureze cu concentrațiile mari de ATP ale celulei . Prin urmare, în unele cazuri, este preferat să se dezvolte inhibitori ai protein kinazelor care concurează pentru situsul lor de legare cu substraturile proteice relative, prezente în celule la concentrații mult mai mici decât concentrația standard de ATP. O concentrație mult mai mică a acestui al doilea tip de inhibitor va fi, prin urmare, suficientă pentru a obține un rezultat similar cu cel indus de primul tip de medicament. ^[9]

Notă

^ Berg J., Tymoczko J. și Stryer L. (2002) Biochimie. WH Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6
^ ^a ^b Irwin H. Segel, Enzyme Kinetics: Comportamentul și analiza echilibrului rapid și a sistemelor de enzime în stare de echilibru . Wiley-Interscience; Ediția New Ed (1993), ISBN 0-471-30309-7
^ Dixon, M. Webb, EC, Thorne, CJR și Tipton KF, Enzymes (ediția a 3-a) Longman, Londra (1979) Vezi p. 126
^ * Irwin H. Segel, Cinetica enzimatică: Comportamentul și analiza echilibrului rapid și a sistemelor enzimatice stabile . Wiley - Interscience; Ediție nouă (1993), ISBN 0-471-30309-7
^ Holdgate GA. Făcând medicamentele reci fierbinți: calorimetria de titrare izotermă ca instrument pentru studierea energiei de legare. Biotehnici. 2001 iulie; 31 (1): 164-6 PMID 11464510
^ Leatherbarrow RJ. Utilizarea regresiei liniare și neliniare pentru a se potrivi datelor biochimice. Trends Biochem Sci. 1990 Dec; 15 (12): 455-8. PMID 2077683
^ Tseng SJ, Hsu JP. O comparație a procedurilor de estimare a parametrilor pentru modelul Michaelis-Menten. J Theor Biol. 23 august 1990; 145 (4): 457-64. PMID 2246896
^ Hsu JT, Wang HC, Chen GW, Shih SR. Descoperire de medicamente antivirale care vizează proteazele virale. Curr Pharm Des. 2006; 12 (11): 1301-14. PMID 16611117
^ Bogoyevitch MA, Barr RK, Ketterman AJ. Inhibitori peptidici ai protein kinazelor - descoperire, caracterizare și utilizare. Biochim Biophys Acta. 30 decembrie 2005; 1754 (1-2): 79–99. PMID 16182621

Bibliografie

David L. Nelson, Michael M. Cox, Principiile de biochimie ale lui Lehninger , ediția a III-a, Bologna, Zanichelli , februarie 2002, ISBN 88-08-09035-3 .

Elemente conexe

linkuri externe

http://www.scibio.unifi.it/triennali/biochem/enzimi/enzymes7.html Arhivat 24 mai 2009 la Internet Archive .

Portalul de biologie

Portalul chimiei

[1] Berg J., Tymoczko J. și Stryer L. (2002) Biochimie. WH Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6

[Segel-2] Irwin H. Segel, Enzyme Kinetics: Comportamentul și analiza echilibrului rapid și a sistemelor de enzime în stare de echilibru . Wiley-Interscience; Ediția New Ed (1993), ISBN 0-471-30309-7

[3] Dixon, M. Webb, EC, Thorne, CJR și Tipton KF, Enzymes (ediția a 3-a) Longman, Londra (1979) Vezi p. 126

[4] * Irwin H. Segel, Cinetica enzimatică: Comportamentul și analiza echilibrului rapid și a sistemelor enzimatice stabile . Wiley - Interscience; Ediție nouă (1993), ISBN 0-471-30309-7

[5] Holdgate GA. Făcând medicamentele reci fierbinți: calorimetria de titrare izotermă ca instrument pentru studierea energiei de legare. Biotehnici. 2001 iulie; 31 (1): 164-6 PMID 11464510

[6] Leatherbarrow RJ. Utilizarea regresiei liniare și neliniare pentru a se potrivi datelor biochimice. Trends Biochem Sci. 1990 Dec; 15 (12): 455-8. PMID 2077683

[7] Tseng SJ, Hsu JP. O comparație a procedurilor de estimare a parametrilor pentru modelul Michaelis-Menten. J Theor Biol. 23 august 1990; 145 (4): 457-64. PMID 2246896

[8] Hsu JT, Wang HC, Chen GW, Shih SR. Descoperire de medicamente antivirale care vizează proteazele virale. Curr Pharm Des. 2006; 12 (11): 1301-14. PMID 16611117

[9] Bogoyevitch MA, Barr RK, Ketterman AJ. Inhibitori peptidici ai protein kinazelor - descoperire, caracterizare și utilizare. Biochim Biophys Acta. 30 decembrie 2005; 1754 (1-2): 79–99. PMID 16182621

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]