Kompetitivní inhibice
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/df/Ethanol-2D-flat.svg/220px-Ethanol-2D-flat.svg.png)
Kompetitivní inhibice je omezení přeměny jedné chemické látky jinou látkou, která s ní „soutěží“ v tvorbě chemických vazeb. Tímto způsobem může být ovlivněna jakákoliv reakce, nejčastěji se pojem používá v biochemii a lékařství pro inhibici enzymů.
Inhibice enzymů
Při kompetitivní inhibici enzymatické reakce navázání inhibitoru zablokuje aktivní místo a brání tak navazování cílové molekuly daného enzymu.[1]
Maximální rychlost reakce se značí Vmax a množství substrátu potřebné k dosažení poloviny Vmax jako Km. Km lze použít jako ukazatel schopnosti daného substrátu navázat se na enzym.[2]
Kompetitivní inhibici lze překonat zvýšením koncentrace substrátu, kterým se zvýší pravděpodobnost jeho navázání na enzym. Kompetitivní inhibice mění hodnotu Km, ale Vmax zůstává stejná,[3] což lze ukázat například pomocí kinetiky Michaelise–Mentenové. Po navázání inhibitoru na enzym se změní sklon grafu, jako následek nárůstu nebo poklesu Km.[4][5][6]
Většina kompetitivních inhibitorů působí vratným navazováním na enzym, obvykle na aktivní místo;[1] řada zdrojů tak tuto vlastnost používá jako definici kompetitivní inhibice,[7] existuje ale několik dalších možných mechanismů, například ten, kde se může na enzym navázat jak inhibitor tak i substrát, ale v daném okamžiku pouze jedna z těchto látek.[1] Alosterické inhibitory se mohou jevit jako kompetitivní, nekompetitivní, nebo akompetitivní.[1]
Mechanismus
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fb/Comp_inhib.svg/350px-Comp_inhib.svg.png)
Při kompetitivní inhibici se na enzym navazuje inhibitor se strukturou podobnou obvyklému substrátu a brání tím jeho navazování.[8]
V jednom okamžiku může být enzym vázaný na inhibitor, substrát, nebo ani na jednu látku, ale ne na obě zároveň. V průběhu kompetitivní inhibice se tak na aktivním místě může vytvořit pouze jeden z možných komplexů. Inhibitor se strukturou podobá substrátu, a může se tak na aktivní místo navázat místo něj. Zvýšení koncentrace substrátu posouvá rovnováhu v jeho prospěch a usnadňuje tak správné napojení na aktivní místo a průběh reakce.[3] Pokud je koncentrace substrátu vyšší než koncentrace kompetitivního inhibitoru, tak do styku s aktivním místem pravděpodobněji přijde substrát než inhibitor.
Kompetitivní inhibitory se často využívají při výrobě léčiv;[3] příkladem může být methotrexát, strukturou podobný koenzymu kyselině listové, která se váže na dihydrofolátreduktázu,[3] enzym důležitý pro syntézu DNA a RNA. Navázání methotreátu způsobuje, že se enzym stává neaktivním, takže nemůže vytvářet DNA a RNA,[3] nádorová buňka tak nemůže růst a dělit se. V jiném případě mohou obdobně esenciální mastné kyseliny brzdit tvorbu prostaglandinů, látek, jež mohou způsobovat záněty. Léky založené na těchto mastných kyselinách se používají na úlevu od bolesti, kdy napojením na enzym zastaví vytváření prostaglandinů.[9]
Mimo lékařství se kompetitivní inhibice využívá například k zabránění hnědnutí ovoce a zeleniny. Enzym tyrosináza, obsažený v houbách, na sebe obvykle navazuje monofenoly, a přeměňuje je na hnědé o-chinony.[10] Kompetitivní substráty, jako jsou 4-substituované benzaldehydy, snižují množství monofenolů, které se navazují na enzym, a tím prodlužují životnost potravin.
Kompetitivní inhibice může být vratná i nevratná. Jestliže je vratná, pak ji lze zvrátit zvýšením koncentrace substrátu.[8] U nevratné inhibice lze využít pouze zvýšení tvorby cílové molekuly (a rozklad a/nebo vyloučení nevratně inhibované cílové molekuly).
Kompetitivní inhibitory se zpravidla váží na stejné místo jako substráty, ale mimo toto vazebné místo se mohou napojit i na alosterické místo enzymu, například strychnin je alosterickým inhibitorem glycinového receptoru v buňkách míchy a mozku. Glycin slouží jako postsynaptický neurotransmiter se specifickým vazebným místem na receptoru. Strychnin navázáním na jiné místo sníží afinitu glycinového receptoru vůči glycinu, což způsobuje křeče.[11]
Při kompetitivní inhibici se maximální rychlost reakce () nemění, zatímco zdánlivá afinita substrátu vůči vazebnému místu se snižuje (disociační konstanta roste). Změna odpovídá změně tím způsobem, že nárůst jedné hodnoty je doprovázen poklesem druhé. Při navázání kompetitivního inhibitoru na enzym se zvyšuje a vazebná afinita tak klesá.[12]
Účinky jakéhokoliv kompetitivního inhibitoru lze překonat zvýšením koncentrace substrátu; substrát v takovém případě snižuje pravděpodobnost navázání inhibitoru, čímž oslabuje jeho působení.[12]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0f/Allosteric_comp_inhib_1.svg/350px-Allosteric_comp_inhib_1.svg.png)
V biologii
Neurotoxické vlastnosti 4-fenyl-1-methyl-1,2,3,6-tetrahydropyridinu (MPTP) byly objeveny po pozření kontaminovaného opioidního léčiva desmethylprodinu. MPTP může projít hematoencefalickou bariérou a vstoupit do lyzozomů.[13] MPTP je biologicky aktivováno MAO-B, izozymem monoaminoxidázy (MAO).[14]
Později bylo zjištěno, že MPTP způsobuje příznaky podobné Parkinsonově nemoci. Astrocyty, buňky centrální nervové soustavy, obsahují MAO-B, který oxiduje MPTP na 1-methyl-4-fenylpyridinium (MPP+), ion, jenž je toxický.[13] MPP+ se dopaminovým transportérem dostává do mezibuněčného prostoru, což vyvolává příznaky podobající se Parkinsonově nemoci. Kompetitivní inhibice MAO-B nebo dopaminového transportéru brání oxidaci MPTP na MPP+; tuto schopnost má několik sloučenin, například methylenová modř, 5-nitroindazol, norharman, 9-methylnorharman, a menadion,[14]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f6/Michaelis-Menten_plot_competitive_inhibition.svg/220px-Michaelis-Menten_plot_competitive_inhibition.svg.png)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/Enzyme_Inhibition_lineweaver-burk_plots.gif/220px-Enzyme_Inhibition_lineweaver-burk_plots.gif)
Jako kompetitivní inhibitory působí také sulfonamidová antibiotika; například sulfanilamid se kompetitivně váže na aktivní místo dihydropteroátsyntázy, jelikož se podobá obvyklému substrátu, kterým je kyselina 4-aminobenzoová.[15] Substrát se nemůže navazovat, což brání tvorbě kyseliny listové. Bakterie si musí kyselinu listovou vytvářet samy, protože pro ni nemají transportér. Bez kyseliny listové bakterie nemohou růst a dělit se. Mechanismem účinku sulfonamidů je tak kompetitivní inhibice.
Kompetitivně může být inhibována také sukcinátdehydrogenáza, katalyzující oxidaci kyseliny jantarové na kyselinu fumarovou v rámci citrátového cyklu; kompetitivním inhibitorem je zde kyselina malonová, jejíž chemické vlastnosti se podobají těm u kyseliny jantarové.[16]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a2/Allosteric_comp_inhib_2.svg/350px-Allosteric_comp_inhib_2.svg.png)
Rovnice
K popisu kinetiky enzymatických reakcí se používá model Michaelise–Mentenové. Podle tohoto modelu se vytváří graf závislosti reakční rychlosti (V0) na koncentraci substrátu [S]; graf lze poté použít k určení Vmax, původní rychlosti, a Km.[4]
Kompetitivní inhibice zvyšuje zdánlivou hodnotu konstanty Michaelise–Mentenové, , původní rychlost reakce, , činí
kde , je disociační konstanta inhibitoru a jeho koncentrace.
se nemění, protože vliv inhibitoru lze překonat zvýšením koncentrace substrátu. U , koncentrace substrátu nutná k dosažení za přítomnosti kompetitivního inhibitoru vzrůstá, jelikož je koncentrace substrátu potřebná k dosažení za přítomnosti inhibitoru větší než bez inhibitoru.
Odvození
Nejjednodušším případem je reakce enzymu s jedním substrátem:
po navázání inhibitoru na volný enzym vypadá rovnice takto:
Inhibitor se neváže na komplex ES a substrát se neváže na komplex EI; předpokládá se, že obě sloučeniny se navazují na stejné místo, což však nenastává ve všech případech. Derivace rovnice Michaelise–Mentenové, za předpokladu, že je systém v rovnovážném stavu, a koncentrace jednotlivých forem enzymu se tedy nemění, je:
Celková koncentrace enzymu činí , a rychlost reakce se určuje za podmínek, při kterých se koncentrace substrátu a inhibitoru nijak výrazně nemění, a množství nahromaděného produktu lze tedy zanedbat, platí soustava rovnic:
: |
| () |
: |
| () |
: |
| () |
: |
| () |
kde and jsou známy. Počáteční rychlost je , takže je třeba určit hodnotu ze známých hodnot a .
Ze třetí výše uvedené rovnice vyplývá z vyjádření E pomocí ES:
Vydělením vznikne
Výraz lze nahradit makroskopickou rychlostní konstantou :
: |
| () |
Jejím vložením do čtvrté rovnice výše uvedené soustavy vznikne
Přeuspořádáním lze vytvořit
V tuto chvíli lze definovat disociační konstantu inhibitoru jako , čímž vznikne
: |
| () |
Vložením předchozích dvou rovnic do první rovnice soustavy vyjde
Přeuspořádáním za účelem získání ES vznikne
: |
| () |
Vrácením výrazu pro vychází
Protože je rychlost reakce nejvyšší, když je veškerý enzym převeden na komplex se substrátem, tak platí, . Nahrazením a spojením výrazů nakonec vychází:
: |
| () |
Koncentrace kompetitivního inhibitoru se spočítá podle zlomku rychlosti , kde :
: |
| () |
Odkazy
Reference
V tomto článku byl použit překlad textu z článku Competitive inhibition na anglické Wikipedii.
- ↑ a b c d Types of Inhibition [online]. NIH Center for Translational Therapeutic [cit. 2012-04-02]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2011-09-08.
- ↑ H. Lodish; A. Berk; S. L. Zipursky; P. Matsudaira; D. Baltimore; J. Darnell. Molecular Cell Biology. [s.l.]: [s.n.], 2000. Dostupné online. Kapitola Functional Design of Proteins.
- ↑ a b c d e J. M. Berg; J. L. Tymoczko; L. Stryer. Enzymes Can Be Inhibited by Specific Molecules. Biochemistry. 2002. Dostupné online.
- ↑ a b J. M. Berg; J. L. Tymoczko; L. Stryer. Biochemistry. [s.l.]: [s.n.], 2002. Kapitola The Michaelis–Menten Model Accounts for the Kinetic Properties of Many Enzymes.
- ↑ S. G. Eadie. The Inhibition of Cholinesterase by Physostigmine and Prostigmine. Journal of Biological Chemistry. 1942, s. 85–93. DOI 10.1016/S0021-9258(18)72452-6.
- ↑ J. M. Berg; J. L. Tymoczko; L. Stryer. Biochemistry. [s.l.]: [s.n.], 2002. Kapitola Appendix: Vmax and KM Can Be Determined by Double-Reciprocal Plots.
- ↑ C. Ophardt. Virtual Chembook [online]. Elmhurst College [cit. 2015-09-01]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2015-10-17.
- ↑ a b Map: Biochemistry Free & Easy (Ahern and Rajagopal). [s.l.]: Biology LibreTexts, 2014-12-24. Dostupné online.
- ↑ R. J. Flower. Drugs which inhibit prostaglandin biosynthesis. Pharmacological Reviews. 1974, s. 33–67. Dostupné online. PMID 4208101.
- ↑ M. Jiménez; S. Chazarra; J. Escribano; J. Cabanes; F. García-Carmona. Competitive inhibition of mushroom tyrosinase by 4-substituted benzaldehydes. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2001, s. 4060–4063. DOI 10.1021/jf010194h. PMID 11513710.
- ↑ R. M. Dick. Pharmacology for Nurse Anesthesiology. [s.l.]: Jones & Bartlett Learning, 2011. Dostupné online. ISBN 978-0-7637-8607-6. Kapitola Chapter 2. Pharmacodynamics: The Study of Drug Action.
- ↑ a b D. Voet; J. G. Voet; C. W. Pratt. Fundamentals of biochemistry : life at the molecular level. [s.l.]: [s.n.], 2016-02-29. Dostupné online.
- ↑ a b J. Sian; M. B. Youdim; P. Riederer; M. Gerlach. Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular and Medical Aspects. [s.l.]: [s.n.], 1999. Kapitola MPTP-Induced Parkinsonian Syndrome.
- ↑ a b T. Herraiz; H. Guillén. Inhibition of the bioactivation of the neurotoxin MPTP by antioxidants, redox agents and monoamine oxidase inhibitors. Food and Chemical Toxicology. 2011, s. 1773–1781. DOI 10.1016/j.fct.2011.04.026. PMID 21554916.
- ↑ How Sulfa Drugs Work. [s.l.]: National Institutes of Health, 2015-05-15. Dostupné online.
- ↑ V. R. Potter; K. P. Dubois. Studies on the Mechanism of Hydrogen Transport in Animal Tissues. Journal of General Physiology. 1943. DOI 10.1085/jgp.26.4.391. PMID 19873352.
Související články
- Schildova rovnice
- Nekompetitivní inhibice