Механизмы ингибирования ферментов

Многие лекарственные средства действуют путем ингибирования фермента — снижения скорости, с которой он превращает субстрат в продукт. Механизм этого ингибирования (конкурентный, неконкурентный, неконкурентный или необратимый) определяет активность препарата, его зависимость от концентрации субстрата и продолжительность его действия, и является центральным аспектом при разработке лекарственных средств в медицинской химии.

Definition

Ингибирование фермента — это снижение каталитической активности фермента молекулой (ингибитором), которая связывается с ферментом, характеризующееся константой ингибирования (Ki) и тем, является ли связывание обратимым или необратимым, а также тем, как оно связано с сайтом связывания субстрата.

Scope

Эта тема охватывает основные режимы ингибирования ферментов и кинетические параметры, которые их описывают: константа ингибирования (Ki), различие между обратимым и необратимым (ковалентным) ингибированием, классификация на конкурентное/неконкурентное/неконкурентное ингибирование и механизм-опосредованное («суицидное») ингибирование. Это справочная статья по механизмам и не содержит рекомендаций по дозировке или терапии.

Core questions

• Что отличает конкурентное, неконкурентное и неконкурентное ингибирование?
• Как количественно определяется ингибирующая активность константой ингибирования Ki?
• Чем обратимое ингибирование отличается от необратимого (ковалентного) ингибирования?
• Что такое механизм-опосредованное («суицидное») ингибирование?
• Почему механизм ингибирования влияет на продолжительность действия препарата?

Key concepts

• Константа ингибирования (Ki)
• Конкурентное ингибирование
• Неконкурентное ингибирование
• Неконкурентное ингибирование
• Обратимое против необратимого (ковалентного) ингибирования
• Механизм-опосредованное («суицидное») ингибирование
• IC50 и соотношение Ченга-Прусоффа

Key theories

Модель Михаэлиса-Ментен для ингибирования

Обратимые ингибиторы классифицируются по тому, как они изменяют кажущиеся Km и Vmax фермента: конкурентные ингибиторы повышают кажущееся Km, неконкурентные ингибиторы снижают кажущуюся Vmax, а неконкурентные ингибиторы снижают и то, и другое, обеспечивая кинетическую основу для различения режимов ингибирования.

Mechanisms

Ингибитор снижает активность фермента, связываясь с ним и препятствуя катализу. Конкурентный ингибитор связывается с активным центром и конкурирует с субстратом, поэтому его эффект может быть преодолен повышением концентрации субстрата; неконкурентный ингибитор связывается в другом месте и снижает максимальную скорость независимо от субстрата; неконкурентный ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом. Обратимые ингибиторы ассоциируют и диссоциируют в равновесии, что суммируется константой ингибирования Ki, а соотношение Ченга-Прусоффа (Cheng-Prusoff) преобразует наблюдаемую IC50 в Ki с учетом концентрации субстрата. Необратимые ингибиторы образуют стабильную ковалентную связь с ферментом, полностью подавляя активность до синтеза нового фермента; механизм-опосредованные («суицидные») ингибиторы обрабатываются ферментом в реакционноспособные частицы, которые затем инактивируют его. Сингх и его коллеги рассматривают, как ковалентное (необратимое) ингибирование, долгое время избегаемое из-за опасений токсичности, вновь стало преднамеренной стратегией разработки для длительного взаимодействия с мишенью.

Clinical relevance

Ферменты являются основным классом мишеней для лекарственных средств, и механизм ингибирования объясняет, почему некоторые ингибиторы могут быть преодолены накоплением субстрата, в то время как другие вызывают длительные эффекты, сохраняющиеся после выведения препарата. Этот материал является механистическим и образовательным; он не является руководством по назначению или дозированию.

Evidence & guidelines

Кинетические обозначения для ингибирования (Ki, IC50, режим ингибирования) соответствуют стандартным справочникам по энзимологии и медицинской химии; соотношение Ченга-Прусоффа является общепринятым методом для соотнесения IC50 с Ki.

History

Количественное описание кинетики ферментов Михаэлисом и Ментен в 1913 году заложило основу, в рамках которой позднее были определены режимы ингибирования. Соотношение Ченга и Прусоффа 1973 года предоставило практический способ сравнения ингибиторов путем соотнесения IC50 с константой ингибирования, а разработка ковалентных и механизм-опосредованных ингибиторов развивалась на протяжении конца двадцатого века, став основной стратегией медицинской химии.

Debates

Достаточно ли безопасны необратимые (ковалентные) ингибиторы для целенаправленной разработки?

Ковалентные ингибиторы обеспечивают длительное, мощное взаимодействие с мишенью, но вызывают опасения по поводу нецелевой реактивности и иммуноопосредованной токсичности; вопрос о том, может ли целенаправленная ковалентность быть надежно безопасной, является активной дискуссией в области разработки.

Key figures

• Leonor Michaelis
• Maud Menten
• Yung-Chi Cheng
• William Prusoff
• Robert Copeland

Seminal works

• cheng-prusoff-1973
• singh-2011
• overington-2006

Frequently asked questions

В чем разница между конкурентным и неконкурентным ингибированием?

Конкурентный ингибитор связывается с активным центром и конкурирует с субстратом, поэтому добавление большего количества субстрата преодолевает его действие; неконкурентный ингибитор связывается с другим сайтом и снижает максимальную скорость фермента таким образом, что большее количество субстрата не может это изменить.

Почему необратимый ингибитор может действовать дольше, чем присутствует препарат?

Необратимый ингибитор образует ковалентную связь, которая необратимо инактивирует фермент, поэтому активность восстанавливается только по мере синтеза клеткой нового фермента — эффект, который может сохраняться после выведения препарата.