阻害剤 (生化学)について詳しく解説

導入

阻害剤は、酵素触媒反応の速度を低下させる物質です。阻害剤は、酵素に結合することにより、基質の活性部位への結合を妨げたり、酵素の変形を引き起こして酵素を不活性にすることができます（アロステリック阻害剤）。酵素の阻害は、生物学的メカニズムの制御、特に代謝経路の制御において重要な役割を果たします。酵素学では、酵素の作用機序を決定するために阻害剤が広く使用されています。用途は他の多くの分野に存在します。多くの薬剤、殺虫剤、または殺虫剤は酵素阻害剤です。

酵素に対する阻害剤の親和性は阻害定数 Ki によって与えられます。これは、酵素部位の半分が占有される阻害剤の濃度を表します。したがって、阻害剤の親和性は、Ki が小さいほど大きくなります。この阻害定数は、リットルあたりのモル数で表され、酵素阻害剤複合体の解離定数にも対応します。

一般に、低エネルギー結合を介して酵素に結合する可逆的阻害剤と、共有結合で結合する不可逆的阻害剤を区別します。

可逆的な阻害

競合阻害剤

競合阻害剤は一般に基質と構造的に類似しており、両方が同じ酵素部位に結合するために競合します (= 等配性効果)。阻害剤が酵素によって変換される化学基を持たないか、阻害剤上の化学基の位置により活性部位が阻害剤を認識できないため、酵素反応はブロックされます。

一部の競合阻害剤は基質類似体ではなく、作用機序が異なります。阻害剤は酵素の活性部位には結合せず、別の結合部位に結合します。阻害剤が結合すると、基質結合部位の構造が変化し、酵素と基質間の認識が妨げられます。逆に、基質が酵素に結合すると、阻害剤の結合が妨げられます。これら 2 つの分子は相互に排他的です。

競合阻害の場合のミカエリス・メンテン図と方程式:

古典的なミカエリス・メンテン方程式と比較すると、反応の最大速度は変化しませんが、基質が酵素阻害剤複合体に結合できないため、基質に対する酵素の親和性は低下します。競合阻害の場合は、酵素を基質で飽和させることで阻害を解除できます。

競合阻害剤

不競合阻害剤は、基質が結合した後でのみ酵素に結合し、生成物の形成を防ぎます。通常、基質が酵素に結合すると、酵素の立体構造が変化し、それによって阻害剤の結合部位が明らかになります。次に、阻害剤は酵素の活性部位の構造を変更し、反応を防ぎます。

その名前が示すように、不競合阻害剤は結合部位で基質と競合しません。一方、いくつかの基質を用いた酵素反応では、不競合阻害剤が基質の 1 つの結合部位に結合する可能性があります。

不競合阻害の場合のスキーマとミカエリス・メンテン方程式:

反応の最大速度は低下しますが、基質に対する酵素の見かけの親和性は増加します。実際、酵素-基質-阻害剤複合体の形成により ES 複合体の数が減少し、質量作用の法則に従って、酵素への基質の結合が促進されます。不競合阻害剤の効果は基質濃度が低い場合には現れず、酵素は主に遊離型です。したがって、このタイプの阻害は、基質の濃度を増加しても除去することはできません。

基質阻害

基質阻害は、2 つの基質分子が酵素に結合できるものの、生成物に変換できない不競合阻害の特殊なケースです。

基質による阻害の場合の図とミカエリス・メンテン方程式:

非競合阻害剤

非競合的阻害剤は、遊離酵素と基質に結合した酵素の両方に同じ親和性で結合できます。しかし、阻害剤と基質は同じ部位に結合するために競合しません。基質は活性部位に結合し、阻害剤は別の結合部位に結合します。阻害剤は活性部位の立体構造の修飾を引き起こし、基質から生成物への変換を防ぎますが、酵素と基質の間の認識には影響を与えません。

非競合阻害の場合のスキームとミカエリス・メンテン方程式:

非競合的阻害剤の結合は反応の最大速度を低下させますが、基質は遊離酵素およびEI複合体に結合するため、基質に対する酵素の親和性は変化しません。

阻害剤は遊離酵素と ES 複合体の両方に結合するため、基質濃度を増加しても非競合阻害を除去することはできません。

混合阻害

混合阻害は、阻害剤が遊離酵素と基質に結合した酵素の両方に結合するが、異なる親和性 ( _Ki ≠ KI ₎で結合する以前の阻害を一般化したものです。混合阻害には 2 つのタイプがあります:競合 – 非競合阻害 ( _KI > _Ki ) と非競合 – 非競合阻害 ( _KI > K _i )。

混合阻害の場合の図とミカエリス・メンテン方程式:

次の表に示すように、阻害定数_Kiおよび K _{I を}変化させることにより、混合阻害の極端なケースである競合、非競合および非競合阻害に関する前述の式が得られます。