Irreversible Enzyminhibition

Eine irreversible Enzyminhibition tritt auf, wenn ein Inhibitor eine stabile, meist kovalente Bindung mit dem Enzym eingeht und dessen Aktivität dauerhaft aufhebt. Im Gegensatz zu reversiblen Inhibitoren können irreversible Inhibitoren nicht einfach dissoziieren, sodass die Aktivität erst wiederhergestellt wird, wenn die Zelle neues Enzym synthetisiert.

Definition

Irreversible Inhibition ist die Inaktivierung eines Enzyms durch einen Inhibitor, der eine stabile, typischerweise kovalente Bindung mit ihm eingeht, was zu einem zeitabhängigen und im Wesentlichen dauerhaften Verlust der katalytischen Aktivität führt.

Scope

Der Eintrag behandelt die kovalente Inaktivierung, den Spezialfall der mechanismusbasierten (Suizid-)Inhibitoren und wie die irreversible Inhibition kinetisch durch die Inaktivierungsrate und nicht durch eine Gleichgewichtskonstante charakterisiert wird. Es handelt sich um eine biochemische und methodische Referenz, nicht um eine klinische Leitlinie.

Core questions

• Bildet der Inhibitor eine kovalente Bindung, und ist der Aktivitätsverlust zeitabhängig?
• Ist der Inhibitor von sich aus reaktiv oder wird er durch die eigene katalytische Maschinerie des Enzyms aktiviert (mechanismenbasiert)?
• Wie wird die Potenz beschrieben, wenn kein Bindungsgleichgewicht existiert?

Key concepts

• Kovalente Bindungsbildung
• Zeitabhängiger (progressiver) Aktivitätsverlust
• kinact/Ki Potenzmetrik
• Mechanismenbasierte (Suizid-)Inhibitoren
• Wiederherstellung erfordert De-novo-Enzymsynthese

Key theories

Kinetik der zeitabhängigen Inaktivierung

Irreversible Inhibition wird als anfängliche reversible Bindung, gefolgt von einem irreversiblen chemischen Schritt, modelliert; die Potenz wird durch die Geschwindigkeitskonstante zweiter Ordnung kinact/Ki (oder kinact/KI) beschrieben, wie in der Kitz-Wilson-Analyse der zeitabhängigen Inaktivierung formalisiert.

Mechanismenbasierte (Suizid-)Inaktivierung

Ein mechanismenbasierter Inhibitor ist ein unreaktives Substratanalogon, das das Enzym in seinem eigenen aktiven Zentrum in eine reaktive Spezies umwandelt, die dann eine kovalente Bindung eingeht und das Enzym inaktiviert, was eine hohe Zielselektivität ermöglicht.

Mechanisms

Ein irreversibler Inhibitor bindet typischerweise reversibel an das Enzym und durchläuft dann einen irreversiblen chemischen Schritt, wobei meist eine kovalente Bindung mit einem Rest des aktiven Zentrums gebildet wird. Die Aktivität geht daher progressiv über die Zeit verloren und wird durch eine Inaktivierungsratenkonstante anstelle einer Gleichgewichts-Ki beschrieben; die Kitz-Wilson-Behandlung der Acetylcholinesterase-Inaktivierung etablierte diesen kinetischen Rahmen (Kitz & Wilson, 1962). Mechanismenbasierte oder Suizid-Inhibitoren sind unreaktiv, bis die eigene katalytische Wirkung des Enzyms sie in ein reaktives Zwischenprodukt im aktiven Zentrum umwandelt, das dann kovalent bindet und so eine Selektivität für das Zielenzym verleiht (Rando, 1977). Kovalente Inaktivierung wird bei vielen Protease- und anderen Enzymklassen genutzt (Powers et al., 2002). Da die Bindung stabil ist, kehrt die Aktivität erst mit der Synthese neuen Enzyms zurück.

Clinical relevance

Mehrere weit verbreitete Arzneimittelklassen wirken als irreversible oder mechanismenbasierte Inhibitoren, und ihr Kennzeichen ist eine Wirkdauer, die eher durch die Enzymresynthese als durch die Clearance des Arzneimittels bestimmt wird (Copeland, 2013). Dieser Eintrag erklärt den Mechanismus zu Referenz- und Bildungszwecken und gibt keine Dosierungs- oder Behandlungsempfehlungen.

History

Die kovalente Inaktivierung von Enzymen wurde intensiv durch Arbeiten an Acetylcholinesterase und Organophosphat-Wirkstoffen untersucht, wobei Kitz und Wilson 1962 eine einflussreiche kinetische Analyse der zeitabhängigen Inaktivierung lieferten (Kitz & Wilson, 1962). Das Konzept der mechanismenbasierten Inhibitoren, die so konzipiert sind, dass sie durch das Zielenzym selbst aktiviert werden, wurde in den 1970er Jahren formuliert (Rando, 1977) und später in verschiedenen Proteaseklassen untersucht (Powers et al., 2002).

Key figures

• Irwin B. Wilson
• Richard Kitz
• Robert R. Rando
• James C. Powers

Seminal works

• kitz-wilson-1962
• rando-1977
• powers-2002

Frequently asked questions

Warum wird irreversible Inhibition durch eine Rate anstelle einer Inhibitionskonstante beschrieben?

Da der Inhibitor eine stabile kovalente Bindung eingeht, anstatt ein Bindungsgleichgewicht zu erreichen, wird die Potenz dadurch erfasst, wie schnell das Enzym inaktiviert wird, zusammengefasst durch die Geschwindigkeitskonstante zweiter Ordnung kinact/Ki.

Was macht einen mechanismenbasierten (Suizid-)Inhibitor selektiv?

Er ist chemisch unreaktiv, bis die eigene katalytische Maschinerie des Zielenzyms ihn im aktiven Zentrum in eine reaktive Spezies umwandelt, sodass er bevorzugt das Enzym inaktiviert, das ihn verarbeitet.