Konkurrensmässig hämning

Etanol ( C
₂ H
₅ OH ) fungerar som en kompetitiv hämmare av metanol ( CH
₃ OH ) och etylenglykol ( (CH ₂ OH) ₂ ) för enzymet alkoholdehydrogenas i levern när det finns i stora mängder. Av denna anledning används etanol ibland som ett sätt att behandla eller förhindra toxicitet efter oavsiktligt intag av dessa kemikalier.

Konkurrensmässig hämning är avbrott i en kemisk väg på grund av att en kemisk substans hämmar effekten av en annan genom att konkurrera med den om bindning eller bindning . Alla metabola eller kemiska budbärarsystem kan potentiellt påverkas av denna princip, men flera klasser av kompetitiv hämning är särskilt viktiga inom biokemi och medicin , inklusive den konkurrerande formen av enzymhämning , den konkurrerande formen av receptorantagonism , den konkurrerande formen av antimetabolitaktivitet , och den konkurrensutsatta formen av förgiftning (som kan inkludera någon av de tidigare nämnda typerna).

Enzyminhibering typ

Vid kompetitiv hämning av enzymkatalys förhindrar bindning av en inhibitor bindning av enzymets målmolekyl, även känd som substratet. Detta åstadkoms genom att blockera bindningsstället för substratet - det aktiva stället - på något sätt. Vmax indikerar reaktionens maximala hastighet, medan Km _är mängden substrat som behövs för att nå hälften _{av Vmax} . Km spelar också en roll för att indikera substratets tendens att binda enzymet _. Konkurrensmässig hämning kan övervinnas genom att lägga till mer substrat till reaktionen, vilket ökar chanserna för enzymet och substratets bindning. Som ett resultat ändrar kompetitiv inhibering endast Km, _vilket lämnar Vmax _detsamma . Detta kan demonstreras med hjälp av enzymkinetikplottar som Michaelis-Menten eller Lineweaver-Burk plot . När väl inhibitorn är bunden till enzymet kommer lutningen att påverkas, eftersom Km _{antingen ökar eller minskar från} reaktionens ursprungliga Km _.

De flesta kompetitiva inhibitorer fungerar genom att binda reversibelt till enzymets aktiva ställe. Som ett resultat uppger många källor att detta är den avgörande egenskapen hos kompetitiva inhibitorer. Detta är dock en missvisande överförenkling , eftersom det finns många möjliga mekanismer genom vilka ett enzym kan binda antingen inhibitorn eller substratet men aldrig båda samtidigt. Till exempel kan allosteriska inhibitorer uppvisa kompetitiv, icke-konkurrenskraftig eller icke-konkurrenskraftig hämning.

Mekanism

Diagram som visar kompetitiv hämning

Vid kompetitiv hämning binder en hämmare som liknar det normala substratet till enzymet, vanligtvis på det aktiva stället , och hindrar substratet från att binda. Vid varje givet ögonblick kan enzymet vara bundet till hämmaren, substratet eller ingetdera, men det kan inte binda båda samtidigt. Under kompetitiv hämning tävlar inhibitorn och substratet om det aktiva stället. Det aktiva stället är en region på ett enzym till vilken ett visst protein eller substrat kan binda. Det aktiva stället kommer således endast att tillåta ett av de två komplexen att binda till stället, antingen tillåta en reaktion att inträffa eller ge den. Vid kompetitiv hämning liknar inhibitorn substratet, tar dess plats och binder till det aktiva stället för ett enzym. En ökning av substratkoncentrationen skulle minska "konkurrensen" för substratet att korrekt binda till det aktiva stället och tillåta en reaktion att inträffa. När substratet har högre koncentration än koncentrationen av den kompetitiva inhibitorn är det mer sannolikt att substratet kommer i kontakt med enzymets aktiva ställe än med inhibitorns.

Konkurrenskraftiga inhibitorer används vanligtvis för att tillverka läkemedel. Metotrexat är till exempel ett kemoterapiläkemedel som fungerar som en kompetitiv hämmare. Det liknar strukturellt koenzymet folat , som binder till enzymet dihydrofolatreduktas . Detta enzym är en del av syntesen av DNA och RNA, och när metotrexat binder enzymet gör det det inaktivt, så att det inte kan syntetisera DNA och RNA. Cancercellerna kan alltså inte växa och dela sig. Ett annat exempel: prostaglandin tillverkas i stora mängder som ett svar på smärta och kan orsaka inflammation. Essentiella fettsyror bildar prostaglandinerna; när detta upptäcktes visade det sig att dessa faktiskt var väldigt bra hämmare av prostaglandiner. Dessa fettsyrahämmare har använts som läkemedel för att lindra smärta eftersom de kan fungera som substrat och binda till enzymet och blockera prostaglandiner.

Ett exempel på icke-läkemedelsrelaterad kompetitiv hämning är förebyggande av brunfärgning av frukt och grönsaker. Till exempel tyrosinas , ett enzym i svamp, normalt till substratet, monofenoler och bildar bruna o-kinoner. Konkurrenskraftiga substrat, såsom 4-substituerade bensaldehyder för svamp, konkurrerar med substratet och minskar mängden monofenoler som binder. Dessa hämmande föreningar som läggs till produkten håller den fräsch under längre perioder genom att minska bindningen av monofenolerna som orsakar brunfärgning. Detta möjliggör en ökad produktkvalitet såväl som hållbarhet.

Konkurrensmässig hämning kan vara reversibel eller irreversibel. Om det är reversibel hämning kan effekterna av inhibitorn övervinnas genom att öka substratkoncentrationen. Om det är irreversibelt är det enda sättet att övervinna det att producera mer av målet (och typiskt bryta ner och/eller utsöndra det irreversibelt hämmade målet).

I praktiskt taget alla fall binder kompetitiva inhibitorer på samma bindningsställe (aktivt ställe) som substratet, men bindning på samma ställe är inte ett krav. En kompetitiv inhibitor skulle kunna binda till ett allosteriskt ställe av det fria enzymet och förhindra substratbindning, så länge som det inte binder till det allosteriska stället när substratet binds. Till exempel stryknin som en allosterisk hämmare av glycinreceptorn i däggdjursryggmärgen och hjärnstammen. Glycin är en viktig postsynaptisk hämmande neurotransmittor med ett specifikt receptorställe. Strychnin binder till ett alternativt ställe som minskar glycinreceptorns affinitet för glycin, vilket resulterar i kramper på grund av minskad hämning av glycinet.

Vid kompetitiv inhibering är reaktionens maximala hastighet ( $V_{\max }$ ) oförändrad, medan den skenbara affiniteten för substratet till bindningsstället minskas (Kd {\ ${d$ dissociationskonstanten är tydligen ökad). Förändringen i $K_{m}$ ( Michaelis–Menten konstant) är parallell med ändringen i $K_{d}$ , när den ena ökar måste den andra minska. När en kompetitiv hämmare är bunden till ett enzym ökar ${\displaystyle K_{m}} .$ Detta innebär att bindningsaffiniteten för enzymet minskar, men den kan övervinnas genom att öka koncentrationen av substratet. Varje given kompetitiv inhibitorkoncentration kan övervinnas genom att öka substratkoncentrationen. I det fallet kommer substratet att minska tillgängligheten för en hämmare att binda, och därmed utkonkurrera hämmaren när det gäller bindning till enzymet.

Kompetitiv hämning kan också vara allosterisk, så länge som hämmaren och substratet inte kan binda enzymet samtidigt.

Biologiska exempel

Efter ett oavsiktligt intag av ett förorenat opioidläkemedel desmetylprodin upptäcktes den neurotoxiska effekten av 1-metyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin ( MPTP ). MPTP kan passera blod-hjärnbarriären och komma in i sura lysosomer . MPTP aktiveras biologiskt av MAO-B, ett isozym av monoaminoxidas (MAO) som huvudsakligen är koncentrerat till neurologiska störningar och sjukdomar. Senare upptäcktes det att MPTP orsakar symtom som liknar Parkinsons sjukdom . Celler i centrala nervsystemet (astrocyter) inkluderar MAO-B som oxiderar MPTP till 1-metyl-4-fenylpyridinium (MPP+), som är giftigt. MPP+ går så småningom till den extracellulära vätskan av en dopamintransportör , vilket i slutändan orsakar Parkinsons symptom. Kompetitiv hämning av MAO-B-enzymet eller dopamintransportören skyddar dock mot oxidation av MPTP till MPP+. Ett fåtal föreningar har testats för deras förmåga att hämma oxidation av MPTP till MPP+ inklusive metylenblått , 5-nitroindazol, norharman , 9-metylnorharman och menadion . Dessa visade en minskning av neurotoxicitet producerad av MPTP.

Michaelis–Menten plot av reaktionshastigheten (v) mot substratkoncentrationen [S] av normal enzymaktivitet (1) jämfört med enzymaktivitet med en kompetitiv inhibitor (2). Att lägga till en kompetitiv hämmare till en enzymatisk reaktion ökar Km _för reaktionen, men Vmax _förblir detsamma.

Lineweaver-Burk plot, den reciproka av Michaelis–Menten plotten, av den reciproka av hastighet (1/V) kontra den reciproka av substratkoncentrationen (1/[S]) av normal enzymaktivitet (blå) jämfört med enzymaktivitet med en kompetitiv hämmare (röd). Att lägga till en kompetitiv hämmare till en enzymatisk reaktion ökar Km _för reaktionen, men Vmax _förblir detsamma.

Sulfa-läkemedel fungerar också som kompetitiva hämmare. Till exempel sulfanilamid konkurrerande till enzymet i det aktiva stället för dihydropteroatsyntas (DHPS) genom att efterlikna substratet para-aminobensoesyra (PABA). Detta förhindrar själva substratet från att binda vilket stoppar produktionen av folsyra, ett viktigt näringsämne. Bakterier måste syntetisera folsyra eftersom de inte har en transportör för det. Utan folsyra kan bakterier inte växa och dela sig. På grund av sulfaläkemedels kompetitiva hämning är de därför utmärkta antibakteriella medel. Ett exempel på kompetitiv hämning demonstrerades experimentellt för enzymet bärnstenssyradehydrogenas, som katalyserar oxidationen av succinat till fumarat i Krebs-cykeln . Malonat är en kompetitiv hämmare av bärnstenssyradehydrogenas. Bindningen av bärnstenssyradehydrogenas till substratet, succinat, hämmas kompetitivt. Detta händer eftersom malonats kemi liknar succinat. Malonats förmåga att hämma bindning av enzymet och substratet är baserad på förhållandet mellan malonat och succinat. Malonat binder till det aktiva stället för bärnstenssyradehydrogenas så att succinat inte kan. Således hämmar det reaktionen.

En annan möjlig mekanism för allosterisk kompetitiv hämning.

Ekvation

₀ Michaelis–Menten-modellen kan vara ett ovärderligt verktyg för att förstå enzymkinetik. Enligt denna modell kan ett diagram av reaktionshastigheten (V _av substratet sedan användas för att bestämma värden som Vmax, _initial hastighet och Km ₍ Vmax /2 eller affinitet av enzym till substrat-komplex).

Konkurrensinhibering ökar det skenbara värdet av Michaelis–Menten -konstanten, $K_{m}^{\text{app}}$ , så att initial reaktionshastighet, $V_{0}$ , ges av

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

där $K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})$ , $K_{i}$ är inhibitorns dissociationskonstant och $[I]$ är inhibitorkoncentrationen.

$V_{\max }$ förblir densamma eftersom förekomsten av inhibitorn kan övervinnas av högre substratkoncentrationer. $K_{m}^{\text{app}}$ , substratkoncentrationen som behövs för att nå $V_{\max }/2$ , ökar med närvaron av en konkurrenshämmare. Detta beror på att koncentrationen av substrat som behövs för att nå $V_{\max }$ med en inhibitor är större än koncentrationen av substrat som behövs för att nå $V_{\max }$ utan en inhibitor.

Härledning

I det enklaste fallet med ett enzym med enbart substrat som lyder Michaelis-Menten-kinetiken, det typiska schemat

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

är modifierad för att inkludera bindning av inhibitorn till det fria enzymet:

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

Observera att inhibitorn inte binder till ES-komplexet och substratet binder inte till EI-komplexet. Det antas allmänt att detta beteende är ett tecken på att båda föreningarna binder på samma ställe, men det är inte strikt nödvändigt. Som med härledningen av Michaelis–Menten-ekvationen, antag att systemet är i steady-state, dvs. koncentrationen av varje enzymart förändras inte.

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

Dessutom är den kända totala enzymkoncentrationen $[{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+ [{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]$ , och hastigheten mäts under förhållanden där substrat- och inhibitorkoncentrationerna inte förändras väsentligt och en obetydlig mängd produkt har ackumulerats.

Vi kan därför sätta upp ett ekvationssystem:

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

 

 

 

 

()

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

 

 

 

 

()

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

 

 

 

 

()

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

 

 

 

 

()

där ${\ce {[S], [I]}}$ och ${\ce {[E]_0}}$ är kända. Starthastigheten definieras som $V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]$ , så vi måste definiera den okända ${\ce {[ES]}}$ i termer av de kända ${\ce {[ S], [I]}}$ och ${\ce {[E]_0}}$ .

Från ekvation ( 3 ) kan vi definiera E i termer av ES genom att omordna till

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

Att dividera med $k_{1}[{\ce {S}}]$ ger

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

Liksom i härledningen av Michaelis–Menten-ekvationen kan termen $(k_{-1}+k_{2})/k_{1}$ ersättas med makroskopisk hastighetskonstant $K_{m}$ :

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

 

 

 

 

()

Genom att ersätta ekvation ( 5 ) med ekvation ( 4 ), har vi

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

Att arrangera om, det finner vi

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

Vid denna tidpunkt kan vi definiera dissociationskonstanten för inhibitorn som ${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}} ,$ vilket ger

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

 

 

 

 

()

Byt nu ut ekvation ( 5 ) och ekvation ( 6 ) med ekvation ( 1 ):

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

Att arrangera om för att lösa för ES, finner vi

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

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

 

 

 

 

()

För att återgå till vårt uttryck för $V_{0}$ har vi nu:

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

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

Eftersom hastigheten är maximal när allt enzym är bundet som enzym-substratkomplexet, $V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{ 0}$ . Att ersätta och kombinera termer ger slutligen den konventionella formen:

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

 

 

 

 

()

För att beräkna koncentrationen av kompetitiv inhibitor ${\ce {[I]}}$ som ger en bråkdel $f_{V{_{0}}}$ av hastigheten $V_ {0}$ där $0<f_{V{_{0}}}<1$ :

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

 

 

 

 

()

Se även

• Schild-regression för ligandreceptorhämning
• Icke-konkurrensmässig hämning