非競合的阻害

非競合阻害は酵素阻害の一種で、阻害剤が酵素の活性を低下させ、すでに基質に結合しているかどうかに関係なく、酵素に同様に結合します。^{[ 1 ]}これは、阻害剤の存在下で酵素中の基質への結合親和性が低下する 競合阻害とは異なります。

阻害剤は基質がすでに結合しているかどうかに関係なく酵素に結合する可能性があるが、どちらか一方の状態で酵素に結合する親和性が高い場合は混合阻害剤と呼ばれる。^{[ 1 ]}

歴史

医師として働いていた頃、レオノール・ミカエリス と友人のピーター・ローナは病院内にコンパクトな研究室を作り、5年間で100回を超える論文を発表するに至った。病院での研究中に、彼は阻害の種類の違いを初めて観察し、具体的にはマルターゼ活性の阻害剤としてフルクトースとグルコースを用いた。マルターゼはマルトースを2単位のグルコースに分解する。この実験から得られた知見により、非競合阻害と競合阻害の分岐が可能になった。非競合阻害は任意のグラフ上でk _cat値（K _m値ではない）に影響する。この阻害剤は特定の分子に特異性を持つ部位に結合する。ミカエリスは、阻害剤が結合すると酵素が不活性化されることを突き止めた。^{[ 2 ]}

レオノール・ミカエリスとモード・メンテンは、同時代の多くの科学者と同様に、スクロースの組成を変えて果糖とブドウ糖という2つの生成物に分解する反応に取り組んでいました。[ ^{2 ]この}反応に関与する酵素はインベルターゼと呼ばれ、ミカエリスとメンテンは、その反応速度論が他の酵素の反応速度論に革命をもたらすと支持しました。研究対象となった反応の速度を表す際に、彼らは反応速度が酵素濃度と基質の存在に大きく依存することを示唆する式を導き出しました。ただし、その依存度はある程度に限られます。^{[ 2 ] [ 3 ]}

エイドリアン・ジョン・ブラウンとヴィクトール・アンリは、ミカエリスとメンテンが有名になった酵素反応速度論の発見の基礎を築きました。^{[ 4 ]}ブラウンは、現在酵素反応速度論で受け入れられているメカニズムを理論的に思い描いていましたが、それを主張するための定量的なデータはありませんでした。^{[ 4 ]}ヴィクトール・アンリは、博士論文で酵素反応速度論に大きく貢献しましたが、水素イオン濃度とグルコースの変旋光の重要性について言及していませんでした。アンリの論文の目的は、酵素触媒反応についての彼の知識を、物理化学の認められた法則と比較することでした。^{[ 2 ]}アンリは、現在ミカエリス-メンテンの式として知られる式を最初に書いた人として知られています。マルターゼとインベルターゼによって制御される触媒反応でグルコースとフルクトースを使用し、レオノール・ミカエリスは、アンリの時代には存在しなかった pH スケールを使用して異なるタイプの阻害を区別した最初の科学者でした。^{[ 2 ]}

特に、この反応の速度を記述する作業中に、彼らは別の科学者であるヴィクトル・アンリのアイデア、つまり彼らが使用していた酵素がこの反応の生成物であるフルクトースとグルコースの両方にいくらか親和性があるというアイデアもテストし、推定しました。^{[ 2 ] [ 3 ]}アンリの方法を使用して、ミカエリスとメンテンは、定常状態実験に対する初期速度法の概念をほぼ完成させました。彼らは阻害を研究していたときに、非競合的（混合）阻害はk _cat（触媒速度）への影響によって特徴付けられるのに対し、競合的阻害は速度（V）への影響によって特徴付けられることを発見しました。^{[ 2 ]}ミカエリスとメンテンの実験では、彼らは水素イオンを使用する転化酵素の pH 効果に重点を置きました。^{[ 2 ]}転化酵素は細胞外酵母に含まれる酵素で、スクロース（スクロースとフルクトースの混合物）を加水分解または転化して「転化糖」にする反応を触媒します。転化酵素を使用した主な理由は、簡単に分析でき、実験をより迅速に行うことができるためです。スクロースは旋光計で右旋性-Dとして回転しますが、転化糖は左旋性-Lとして回転します。これにより、糖の転化の追跡が比較的簡単になりました。また、転化酵素によって触媒される反応ではα-D-グルコースが放出され、これが非常に不安定で、自発的にβ-D-グルコースに変化することを発見しました。^{[ 4 ]}これらは両方とも右旋性の形ですが、これはグルコースが自発的に変化する可能性があることに気付いた点です。これは変旋光としても知られています。これを考慮に入れなかったことが、アンリの実験が失敗した主な理由の 1 つでした。転化酵素を使用してスクロースの転化を触媒することで、酵素がどれだけ速く反応しているかを旋光計で確認できました。そのため、スクロースが転化酵素によって転化された反応では、非競合阻害が発生することがわかりました。^{[ 2 ]}

用語

全ての非競合的阻害剤は酵素のアロステリック部位（活性部位以外の場所）に結合するが、アロステリック部位に結合する阻害剤の全てが非競合的阻害剤であるとは限らないことに注意することが重要である。^{[ 1 ]} 実際、アロステリック阻害剤は競合的、非競合的、または非競合的阻害剤として作用する可能性がある。^{[ 1 ]}

多くの情報源では、これら2つの用語を混同し続けており、^{[ 5 ]}、アロステリック阻害の定義を非競合阻害の定義として述べています。

機構

非競合的阻害または混合阻害の考えられるメカニズムの図解。

非競合阻害は、阻害剤と基質の両方が酵素に結合している可能性のある系をモデル化したものです。基質と阻害剤の両方が結合している場合、酵素-基質-阻害剤複合体は生成物を形成できず、酵素-基質複合体または酵素-阻害剤複合体にのみ変換されます。非競合阻害は、阻害剤が酵素と酵素-基質複合体に対して等しい親和性を持つという点で、一般的な混合阻害と区別されます。

例えば、解糖系の酵素触媒反応では、蓄積したホスホエノールはピルビン酸キナーゼによってピルビン酸へと触媒されます。アラニンはピルビン酸から合成されるアミノ酸であり、解糖系においてピルビン酸キナーゼの酵素活性を阻害します。アラニンは非競合的阻害剤であるため、活性部位から基質へと結合し、基質が最終生成物として存在し続けるようにします。^{[ 6 ]}

非競合阻害のもう一つの例として、脳内のグルコース-6-リン酸によるヘキソキナーゼ阻害が挙げられます。グルコース-6-リン酸の2位と4位の炭素には水酸基が含まれており、これが6位のリン酸基と共に酵素-阻害剤複合体に結合します。阻害剤が結合する基の組み合わせは、基質と酵素で異なります。グルコース-6-リン酸は、同時に異なる場所に結合できるため、非競合阻害剤として機能します。^{[ 7 ]}

非競合的阻害の最も一般的なメカニズムは、阻害剤がアロステリック部位に可逆的に結合することですが、阻害剤が活性部位に直接結合するなど、他の手段で作用する可能性もあります。非競合的阻害は、阻害剤の結合が基質の結合を阻害せず、またその逆も起こらず、単に限られた時間だけ生成物の形成を阻害する点で競合的阻害と異なります。

このタイプの阻害は、触媒と基質の見かけの結合親和性（K _m ^app –ミカエリス・メンテン反応速度論を参照）を変えることなく、化学反応の最大速度を低下させます。非競合的阻害剤を添加すると、Vmaxは変化しますが、Kmは変化しません。ラインウィーバー・バークプロットによれば、Vmaxは非競合的阻害剤の添加中に低下し、これはプロット上では、非競合的阻害剤を添加した場合の傾きとy切片の両方の変化によって示されます。^{[ 8 ]}

競合阻害と非競合阻害の主な違いは、競合阻害は基質の代わりに阻害剤を結合させることで基質の結合能力に影響を与え、酵素と基質の親和性を低下させることです。非競合阻害では、阻害剤がアロステリック部位に結合し、酵素-基質複合体が化学反応を起こすのを阻害します。これは、酵素の（基質に対する）Km値（親和性）には影響しません。非競合阻害は、基質が酵素-阻害剤複合体に結合して酵素-基質-阻害剤複合体を形成するという点で非競合阻害とは異なります。これは非競合阻害では当てはまりません。非競合阻害では、アロステリック結合による構造変化を通じて基質が酵素阻害剤に結合するのを阻害します。

方程式

非競合的阻害剤の存在下では、見かけの酵素親和性は実際の親和性と等しくなります。ミカエリス・メンテン反応速度論では、K _m ^app = K _mとなります。これは、阻害剤が酵素と酵素-基質複合体の両方に等しく結合し、平衡が維持されるため、ルシャトリエの原理の結果と見なすことができます。しかし、常に何らかの酵素が基質を生成物に変換することを阻害されるため、有効酵素濃度は低下します。

数学的には、

${\displaystyle V_{max}^{app}={\frac {V_{max}}{1+{\frac {[\mathrm {I} ]}{K_{I}}}}}}$

${\displaystyle {見かけ\ \mathrm {[E]_{0}} }={\frac {\mathrm {[E]_{0}} }{1+{\frac {\mathrm {[I]} }{K_{I}}}}}$

例：CYP2C9酵素の非競合的阻害剤

CYP2C9酵素の非競合的阻害剤には、ニフェジピン、トラニルシプロミン、フェネチルイソチオシアネート、6-ヒドロキシフラボンなどがある。コンピュータドッキングシミュレーションと構築された置換変異体から、6-ヒドロキシフラボンの非競合的結合部位が、 CYP2C9酵素の報告されているアロステリック結合部位であることが示唆されている。^{[ 9 ]}

参考文献

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