Icke-konkurrensmässig hämning

Ej att förväxla med Uncompetitive inhibitor .

"Icke-konkurrenskraftig" omdirigerar här. För annan användning, se Konkurrens .

Icke-kompetitiv hämning är en typ av enzymhämning där hämmaren minskar enzymets aktivitet och binder lika bra till enzymet oavsett om det redan har bundit substratet eller inte. Detta är till skillnad från allosterisk hämning , där bindningsaffiniteten för substratet i enzymet minskar i närvaro av en inhibitor.

Hämmaren kan binda till enzymet oavsett om substratet redan har bundits eller inte, men om det har en högre affinitet för att binda enzymet i det ena eller det andra tillståndet kallas det en blandad hämmare .

Historia

Under sina år som läkare byggde Michaelis och en vän (Peter Rona) ett kompakt labb, på sjukhuset, och under loppet av fem år – blev Michaelis framgångsrikt publicerad över 100 gånger. Under sin forskning på sjukhuset var han den första som såg de olika typerna av hämning; specifikt använder fruktos och glukos som hämmare av maltasaktivitet . Maltas bryter maltos i två enheter glukos . Resultaten från det experimentet möjliggjorde skillnaden mellan icke-konkurrenskraftig och konkurrenskraftig hämning . Icke-kompetitiv hämning påverkar k _cat- värdet (men inte Km ₎ på en given graf; denna inhibitor binder till ett ställe som har specificitet för en viss molekyl. Michaelis bestämde att när hämmaren binds, skulle enzymet bli inaktiverat.

Liksom många andra forskare på sin tid arbetade Leonor Michaelis och Maud Menten med en reaktion som användes för att ändra sammansättningen av sackaros och få det att lysera till två produkter – fruktos och glukos. Enzymet som är involverat i denna reaktion kallas invertas , och det är enzymet vars kinetik har stötts av Michaelis och Menten för att vara revolutionerande för kinetiken hos andra enzymer. Medan de uttryckte hastigheten för den studerade reaktionen, härledde de en ekvation som beskrev hastigheten på ett sätt som antydde att det mestadels beror på enzymkoncentrationen, såväl som på närvaron av substratet, men bara i viss utsträckning.

Adrian Brown och Victor Henri lade grunden för upptäckterna inom enzymkinetik som Michaelis och Menten är kända för. Brown föreställde sig teoretiskt den mekanism som nu accepteras för enzymkinetik, men hade inte de kvantitativa data för att göra ett påstående. Victor Henri gjorde betydande bidrag till enzymkinetiken under sin doktorsavhandling, men han saknade att notera vikten av vätejonkoncentration och mutarotation av glukos. Målet med Henris avhandling var att jämföra hans kunskap om enzymkatalyserade reaktioner med de erkända lagarna inom fysikalisk kemi. Henri är krediterad för att vara den första att skriva ekvationen som nu är känd som Michaelis-Menten-ekvationen. Genom att använda glukos och fruktos i de katalytiska reaktionerna som kontrolleras av maltas och invertas, var Leonor Michaelis den första vetenskapsmannen som särskiljde de olika typerna av hämning genom att använda pH-skalan som inte fanns på Henris tid.

Särskilt under sitt arbete med att beskriva reaktionshastigheten testade och extrapolerade de också på idén från en annan forskare, Victor Henri , att enzymet de använde hade viss affinitet för båda produkterna av denna reaktion - fruktos och glukos. Med hjälp av Henris metoder, perfektionerade Michaelis och Menten nästan detta koncept med initialhastighetsmetod för steady-state experiment. De studerade hämning när de fann att icke-kompetitiv (blandad) hämning kännetecknas av dess effekt på k _cat (katalysatorhastighet) medan konkurrens kännetecknas av dess effekt på hastighet (V). I Michaelis- och Menten-experimenten fokuserade de kraftigt på pH-effekter av invertas med vätejoner. Invertas är ett enzym som finns i extracellulär jäst och katalyserade reaktioner genom hydrolys eller invertering av en sackaros (blandning av sackaros och fruktos) till " invertsocker ." Det främsta skälet till att använda invertas var att det lätt kunde analyseras och experiment kunde göras snabbare. Sackaros roterar i polarimeter som dextroratatory-D medan invertsocker är vänstervridande-L . Detta gjorde det relativt enkelt att spåra inversionen av socker. De fann också att α-D-glukos frisätts i reaktioner som katalyseras av invertas som är mycket instabilt och spontant förändras till β-D-glukos . Även om dessa båda är i den dextrorotatoriska formen, var det här de noterade att glukos kan förändras spontant, även känd som mutarotation. Att inte ta hänsyn till detta var en av huvudorsakerna till att Henris experiment misslyckades. Genom att använda invertas för att katalysera sackarosinversion kunde de se hur snabbt enzymet reagerade med polarimetri; därför befanns icke-kompetitiv hämning inträffa i reaktionen där sackaros inverterades med invertas.

Terminologi

Det är viktigt att notera att även om alla icke-konkurrerande hämmare binder enzymet vid allosteriska ställen (dvs. andra platser än dess aktiva ställe ) är inte alla hämmare som binder vid allosteriska ställen icke-kompetitiva hämmare. Faktum är att allosteriska hämmare kan fungera som kompetitiva , icke-konkurrenskraftiga eller icke-konkurrenskraftiga hämmare.

Många källor fortsätter att blanda ihop dessa två termer, eller anger definitionen av allosterisk hämning som definitionen för icke-konkurrensmässig hämning.

Mekanism

Illustration av en möjlig mekanism för icke-konkurrenskraftig eller blandad hämning.

Icke-kompetitiv hämning modellerar ett system där hämmaren och substratet båda kan vara bundna till enzymet vid varje given tidpunkt. När både substratet och inhibitorn är bundna kan enzym-substrat-inhibitor-komplexet inte bilda produkt och kan endast omvandlas tillbaka till enzym-substrat-komplexet eller enzym-inhibitor-komplexet. Icke-kompetitiv hämning särskiljs från allmän blandad hämning genom att hämmaren har lika affinitet för enzymet och enzym-substratkomplexet.

Till exempel, i de enzymkatalyserade reaktionerna av glykolys , katalyseras ackumulering av fosfoenol av pyruvatkinas till pyruvat . Alanin är en aminosyra som syntetiseras från pyruvat och hämmar även enzymet pyruvatkinas under glykolys. Alanin är en icke-kompetitiv hämmare, därför binder det bort från det aktiva stället till substratet för att det fortfarande ska vara slutprodukten.

Ett annat exempel på icke-kompetitiv hämning ges av glukos-6-fosfat- hämmande hexokinas i hjärnan. Kol 2 och 4 på glukos-6-fosfat innehåller hydroxylgrupper som fäster tillsammans med fosfatet vid kol 6 till enzym-inhibitorkomplexet. Substratet och enzymet är olika i sina gruppkombinationer som en inhibitor fäster vid. Förmågan hos glukos-6-fosfat att binda på olika ställen samtidigt gör det till en icke-konkurrerande hämmare.

Den vanligaste mekanismen för icke-kompetitiv hämning involverar reversibel bindning av hämmaren till ett allosteriskt ställe , men det är möjligt för hämmaren att fungera på andra sätt, inklusive direkt bindning till det aktiva stället. Det skiljer sig från kompetitiv hämning genom att bindningen av inhibitorn inte förhindrar bindning av substrat, och vice versa, utan helt enkelt förhindrar produktbildning under en begränsad tid.

Denna typ av hämning minskar den maximala hastigheten för en kemisk reaktion utan att ändra den skenbara bindningsaffiniteten för katalysatorn för substratet ( K _m ^app – se Michaelis-Menten kinetik ). När en icke-konkurrerande hämmare tillsätts ändras Vmax, medan Km förblir oförändrat. Enligt Lineweaver-Burk-diagrammet reduceras Vmax vid tillsats av en icke-konkurrerande hämmare, vilket visas i diagrammet genom en förändring i både lutningen och y-skärningspunkten när en icke-kompetitiv hämmare tillsätts.

Den primära skillnaden mellan konkurrenskraftig och icke-konkurrenskraftig är att kompetitiv hämning påverkar substratets förmåga att binda genom att binda en hämmare i stället för ett substrat, vilket sänker enzymets affinitet för substratet. Vid icke-kompetitiv hämning binder hämmaren till ett allosteriskt ställe och förhindrar enzym-substratkomplexet från att utföra en kemisk reaktion. Detta påverkar inte Km (affinitet) för enzymet (för substratet). Icke-kompetitiv hämning skiljer sig från icke-kompetitiv hämning genom att den fortfarande tillåter substratet att binda till enzym-inhibitor-komplexet och bilda ett enzym-substrat-inhibitor-komplex, detta är inte sant vid inkompetitiv hämning, det hindrar substratet från att binda till enzymet hämmare genom konformationsförändring vid allosterisk bindning.

Ekvation

I närvaro av en icke-kompetitiv inhibitor är den skenbara enzymaffiniteten ekvivalent med den faktiska affiniteten. När det gäller Michaelis-Menten-kinetiken är K m _app ⁼ K _m . Detta kan ses som en konsekvens av Le Chateliers princip eftersom inhibitorn binder till både enzymet och enzym-substratkomplexet lika så att jämvikten upprätthålls. Men eftersom något enzym alltid hämmas från att omvandla substratet till produkt, sänks den effektiva enzymkoncentrationen.

Matematiskt,

$V_{max}^{app}={\frac {V_{max}}{1+{\frac {[I] }{K_{I}}}}}$

${apparent\ [E]_{0}}={\ frac {[E]_{0}}{1+{\frac {[I]}{K_{I}}}}}$

Exempel: icke-kompetitiva hämmare av CYP2C9-enzym

Icke-kompetitiva hämmare av CYP2C9 -enzym inkluderar nifedipin , tranylcypromin , fenetylisotiocyanat och 6-hydroxiflavon. Datordockningssimulering och substituerade konstruerade mutanter indikerar att det icke-konkurrerande bindningsstället för 6-hydroxiflavon är det rapporterade allosteriska bindningsstället för CYP2C9 - enzymet .