Ингибирование — подавление биохимических реакций¶
Ингибирование (от лат. inhibere — «сдерживать, задерживать») — процесс подавления или замедления биологической активности молекулы, фермента, микроорганизма или иного объекта под действием ингибитора. Термин широко применяется в биохимии, фармакологии, микробиологии, экологии и материаловедении. Ингибирующее действие лежит в основе работы многих лекарственных средств, консервантов, антикоррозионных добавок и гербицидов.
¶Биохимическое ингибирование ферментов
Ферменты — белковые катализаторы, ускоряющие биохимические реакции. Ингибирование фермента означает снижение скорости его реакции в присутствии определённого вещества — ингибитора. По характеру действия различают:
- Обратимое ингибирование — ингибитор связывается с ферментом непрочно, при удалении вещества активность восстанавливается.
- Необратимое ингибирование — ингибитор образует прочную (обычно ковалентную) связь с ферментом, и активность не восстанавливается даже после удаления вещества.
По механизму обратимое ингибирование подразделяют на:
- Конкурентное — ингибитор структурно схож с субстратом и конкурирует за активный центр фермента. Повышение концентрации субстрата ослабляет эффект. Пример — метотрексат, конкурентный ингибитор дигидрофолатредуктазы.
- Неконкурентное — ингибитор связывается с аллостерическим участком (не с активным центром), изменяя третичную структуру фермента. Повышение концентрации субстрата не устраняет ингибирование.
- Обратимое неконкурентное (униcompetitive) — ингибитор связывается только с комплексом фермент-субстрат.
- Смешанное — ингибитор может связываться как с свободным ферментом, так и с комплексом фермент-субстрат.
Ключевой количественной характеристикой является величина Ki — константа ингибирования, отражающая сродство ингибитора к ферменту: чем меньше Ki, тем мощнее ингибитор.
¶Классификация ингибиторов по назначению
¶В фармакологии
Многие лекарства являются ингибиторами:
- Ингибиторы АПФ (каптоприл, эналаприл) — подавляют ангиотензинпревращающий фермент, применяются при гипертонии.
- Ингибиторы протеаз (саквинавир, ритонавир) — блокируют протеазы вирусов ВИЧ, используются в антиретровирусной терапии.
- Ингибиторы циклооксигеназы (ЦОГ) — аспирин, ибупрофен — подавляют синтез простагландинов, оказывают противовоспалительное действие.
- Ингибиторы тирозинкиназ (иматиниб) — применяются в онкологии для таргетной терапии опухолей.
- Ингибиторы протонного насоса (омепразол) — блокируют H⁺/K⁺-АТФазу париетальных клеток желудка, снижают кислотность.
¶В микробиологии
Антибиотики бета-лактамного ряда (пенициллины, цефалоспорины) ингибируют транспептидазы бактерий, нарушая синтез клеточной стенки. При этом бактерии могут вырабатывать устойчивость, продуцируя фермент бета-лактамазу, который, в свою очередь, ингибирует (разрушает) антибиотик. Для преодоления резистентности применяют ингибиторы бета-лактамаз (клавулановую кислоту, авибактам), включаемые в состав комбинированных препаратов.
¶В экологии и промышленности
- Гербициды-ингибиторы — например, глифосат подавляет фермент шикимат-киназу, что блокирует синтез ароматических аминокислот у растений.
- Ингибиторы коррозии — органические соединения (амины, имидазолины), образующие защитную плёнку на поверхности металла.
- Ингибиторы полимеризации — вещества, предотвращающее преждевременное отверждение лакокрасочных материалов и мономеров при хранении.
¶Ингибиторы роста микроорганизмов
В микробиологии различают ингибиторы роста (бактериостатические вещества) и бактерицидные агенты, убивающие клетки. К первым относятся, например, тетрациклины, подавляющие синтез белка на рибосомах 30S-субъединицы. Различение условно: при высокой концентрации бактериостатик может действовать бактерицидно.
¶Ингибирование в генетике и клеточной биологии
В генетике термином «ингибитор» обозначают гены или белки, подавляющие активность других генов. Пример — гены-супрессоры опухолей (p53, Rb), ингибирующие деление повреждённых клеток. Утрата их функции ведёт к неконтролируемому росту и развитию злокачественных опухолей. В клеточной сигнализации ингибирующие сигналы обеспечивают обратную отрицательную связь, необходимую для гомеостаза.
¶Методы изучения ингибирования
Активность ингибиторов исследуют спектрофотометрическими, радиоизотопными и хроматографическими методами, а также кинетическим анализом по Михаэлису — Ментен. Построение линейных преобразований уравнения Михаэлиса — Ментен (Диксона, Линивера — Берка) позволяет определить тип ингибирования и константу Ki. В настоящее время широкое распространение получили высокопроизводительные скрининги (high-throughput screening), позволяющие тестировать тысячи соединений на ингибирующую активность за один цикл.
¶Ингибиторы в природе
Естественные ингибиторы играют важную роль в регуляции физиологических процессов. Ингибиторы протеаз (например, альфа-1-антитрипсин) защищают ткани от избыточного протеолиза. Ингибиторы апоптоза (белки семейства Bcl-2) предотвращают преждевременную гибель клеток. Нарушение баланса между ингибиторами и активаторами лежит в основе ряда патологий, включая ХОБЛ, тромбозы и онкологические заболевания.
¶История
Понятие об ингибировании ферментов сформировалось в 1900—1930-х годах в работах по ферментной кинетике. Ключевой вклад внесли Леонор Михаэлис и Мод Ментен (1913), описавшие кинетику ферментативного катализа, а также Джон Холдейн, предложивший анализ ингибирования по кинетическим данным. Термин «ингибитор» вошёл в биохимическую номенклатуру в середине XX века.
¶Источники
- Ленинджер А. «Основы биохимии»
- Стриллер Л., Вассерман Н. «Ферменты: факты и числа»
- Энциклопедический словарь по химии и биотехнологиям
- Научные обзоры по ферментной кинетике (Annual Review of Biochemistry)