Ингибирование ферментов и каталитические механизмы

Многие лекарственные средства действуют путем ингибирования ферментов — белков, которые катализируют химические реакции метаболизма и передачи сигналов. Связываясь в каталитическом (активном) центре фермента или рядом с ним, ингибитор замедляет или останавливает реакцию, катализируемую ферментом, изменяя концентрации субстратов и продуктов и тем самым вызывая фармакологический эффект. Ингибиторы ферментов являются одним из крупнейших классов продаваемых лекарств, а кинетика их связывания с каталитическим аппаратом определяет как их активность, так и продолжительность действия.

Definition

Ингибирование фермента — это снижение каталитической активности фермента молекулой (ингибитором), которая связывается с ферментом, как правило, в каталитическом центре или рядом с ним, уменьшая скорость превращения субстрата в продукт.

Scope

Эта тема охватывает то, как лекарства влияют на ферментативный катализ: структуру каталитического центра, основные кинетические классы ингибирования (конкурентное, неконкурентное, неконкурентное), обратимое по сравнению с необратимым и медленно обратимым связыванием, а также последствия этих режимов связывания для селективности и продолжительности эффекта. Она рассматривает ингибирование ферментов как молекулярный механизм действия лекарств для справки, а не как руководство по клиническому применению какого-либо ингибитора.

Core questions

• Где на ферменте связывается ингибитор, и занимает ли он или блокирует каталитический центр?
• Является ли ингибирование конкурентным, неконкурентным или неконкурентным с кинетической точки зрения?
• Является ли связывание обратимым, медленно обратимым или ковалентным и необратимым?
• Как режим связывания и время пребывания определяют активность и продолжительность эффекта?

Key concepts

• Каталитический (активный) центр
• Конкурентное ингибирование
• Неконкурентное ингибирование
• Неконкурентное ингибирование
• Обратимое и необратимое ингибирование
• Ковалентное (механизм-опосредованное) ингибирование
• Аналог переходного состояния
• Время пребывания и медленная скорость диссоциации

Mechanisms

Фермент ускоряет реакцию, связывая свой субстрат в каталитическом центре и стабилизируя переходное состояние реакции. Ингибитор снижает эту активность, связываясь с ферментом и препятствуя обороту субстрата. При конкурентном ингибировании ингибитор конкурирует с субстратом за каталитический центр, поэтому его эффект может быть преодолен повышением концентрации субстрата. При неконкурентном и неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с отдельным участком или с фермент-субстратным комплексом, снижая максимальную каталитическую скорость. Ингибиторы могут связываться обратимо, или они могут связываться ковалентно или с очень медленной скоростью диссоциации, в этом случае эффект сохраняется до тех пор, пока не будет синтезирован новый фермент — длительное время пребывания, которое отделяет продолжительность эффекта от концентрации лекарства в плазме. Аналоги переходного состояния особенно эффективны, потому что они используют собственную каталитическую стратегию фермента, имитируя геометрию переходного состояния с высоким сродством (Copeland 2013; Swinney 2004; Katzung 2020).

Clinical relevance

Ингибирование ферментов объясняет действие нескольких наиболее широко используемых классов лекарств, а его кинетические особенности объясняют клинически значимое поведение — например, почему ковалентный или медленно обратимый ингибитор может действовать долго после того, как он выведен из крови. Эта тема описывает молекулярную и кинетическую основу ферментоингибирующих препаратов для справки и обучения; она не предоставляет рекомендаций по дозированию или назначению.

Evidence & guidelines

Обзоры одобренных лекарств показывают, что ферменты являются одним из крупнейших классов молекулярных мишеней (Overington 2006). Связь между механизмом связывания — особенно медленной диссоциацией и ковалентным связыванием — и терапевтическим успехом рассматривается в обзорах по механистической фармакологии (Swinney 2004), а кинетическая основа для оценки ингибиторов изложена в стандартных справочниках (Copeland 2013).

History

Количественное описание ингибирования ферментов выросло из ферментативной кинетики начала двадцатого века (модель Михаэлиса-Ментен) и было расширено до конкурентных, неконкурентных и неконкурентных моделей, используемых сегодня. Более поздние работы подчеркнули, что скорость связывания и высвобождения ингибитора — а не только равновесное сродство — определяет продолжительность действия лекарства, переориентировав внимание на ковалентное и медленно обратимое ингибирование (Copeland 2013; Swinney 2004).

Debates

Являются ли ковалентные и необратимые ингибиторы ферментов желательными лекарствами?

Ковалентное или медленно обратимое связывание может давать пролонгированные, селективные для мишени эффекты независимо от концентрации в плазме, но вызывает опасения по поводу нецелевой реактивности и трудности обращения эффекта; баланс является постоянным дизайнерским решением в механистической фармакологии.

Seminal works

• swinney-2004
• copeland-2013

Frequently asked questions

В чем разница между конкурентным и неконкурентным ингибированием ферментов?

Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за каталитический центр, поэтому его эффект может быть преодолен большим количеством субстрата. Неконкурентный ингибитор связывается в другом месте и снижает максимальную скорость фермента таким образом, что добавление субстрата не может полностью обратить эффект.

Почему необратимый ингибитор фермента может действовать долго после того, как лекарство покинуло кровоток?

Поскольку он связывается с ферментом ковалентно или с очень медленной скоростью диссоциации, пораженный фермент остается инактивированным до тех пор, пока клетка не синтезирует новый фермент, поэтому эффект сохраняется дольше, чем присутствие лекарства в плазме.