Введение
Молекула, блокирующая активность фермента Ингибитор фермента - это молекула, которая связывается с ферментом и блокирует его активность. Ферменты - это белки, которые ускоряют химические реакции, необходимые для жизни, в которых молекулы субстрата превращаются в продукты. Энзим способствует специфической химической реакции, связывая субстрат с его активным местом, специализированной областью на ферменте, которая ускоряет самый сложный этап реакции. Ингибитор фермента останавливает ("ингибирует") этот процесс, либо связываясь с активным участком фермента (предотвращая таким образом связывание самого субстрата), либо связываясь с другим участком фермента, таким образом, что катализатор реакции фермента блокируется. Ингибиторы ферментов могут связываться обратимо или необратимо. Необратимые ингибиторы образуют химическую связь с ферментом таким образом, что фермент ингибируется до тех пор, пока химическая связь не будет нарушена. Напротив, обратимые ингибиторы связываются нековалентно и могут спонтанно покинуть фермент, позволяя ферменту возобновить свою функцию. Реверсивные ингибиторы вызывают различные типы ингибирования в зависимости от того, связываются ли они с ферментом, комплексом ферментного субстрата или и тем, и другим. Ингибиторы ферментов играют важную роль во всех клетках, поскольку они, как правило, специфичны для каждого фермента и служат для контроля активности этого фермента. Например, ферменты в метаболическом пути могут быть ингибированы молекулами, вырабатываемыми позже в пути, таким образом, сокращая производство молекул, которые больше не нужны. Этот тип отрицательной обратной связи является важным способом поддержания баланса в клетке. Кроме небольших молекул, некоторые белки действуют как ингибиторы ферментов. Наиболее ярким примером являются серпины (ингибиторы серинпротеазы), которые вырабатываются животными для защиты от ненадлежащей активации ферментов и растениями для предотвращения хищничества. Другим классом ингибиторных белков являются ингибиторы рибонуклеазы, которые связываются с рибонуклеазами в одном из самых тесных известных белко-белковых взаимодействий. Особым случаем ингибиторов белковых ферментов являются цимогены, содержащие автоингибирующий N-терминалный пептид, который связывается с активным местом фермента, который внутримолекулярно блокирует его активность в качестве защитного механизма против неконтролируемого катализа. Пептид Nterminal расщепляется (разделяется) от предшественника фермента зимогена другим ферментом для высвобождения активного фермента. Место связывания ингибиторов с ферментами чаще всего является тем же местом, что и субстрат фермента. Эти ингибиторы активного участка известны как ортостерические ("регулярные" ингибиторы). Механизм ортостерического ингибирования заключается в том, чтобы просто предотвратить связывание субстрата с ферментом посредством прямой конкуренции, что, в свою очередь, препятствует ферменту катализировать превращение субстратов в продукты. В качестве альтернативы, ингибитор может связываться с участком, удаленным от активного участка фермента. Они известны как аллостерические ("альтернативные" ингибиторы). или, в качестве альтернативы, стабилизировать связывание субстрата с ферментом, но закрепить фермент в конформации, которая больше не является каталитически активной.
An enzyme inhibitor is a molecule that binds to an enzyme and blocks its activity. Enzymes are proteins that speed up chemical reactions necessary for life, in which substrate molecules are converted into products. An enzyme facilitates a specific chemical reaction by binding the substrate to its active site, a specialized area on the enzyme that accelerates the most difficult step of the reaction. An enzyme inhibitor stops ("inhibits") this process, either by binding to the enzyme's active site (thus preventing the substrate itself from binding) or by binding to another site on the enzyme such that the enzyme's catalysis of the reaction is blocked. Enzyme inhibitors may bind reversibly or irreversibly. Irreversible inhibitors form a chemical bond with the enzyme such that the enzyme is inhibited until the chemical bond is broken. By contrast, reversible inhibitors bind non covalently and may spontaneously leave the enzyme, allowing the enzyme to resume its function. Reversible inhibitors produce different types of inhibition depending on whether they bind to the enzyme, the enzyme substrate complex, or both. Enzyme inhibitors play an important role in all cells, since they are generally specific to one enzyme each and serve to control that enzyme's activity. For example, enzymes in a metabolic pathway may be inhibited by molecules produced later in the pathway, thus curtailing the production of molecules that are no longer needed. This type of negative feedback is an important way to maintain balance in a cell. In addition to small molecules, some proteins act as enzyme inhibitors. The most prominent example are serpins (serine protease inhibitors) which are produced by animals to protect against inappropriate enzyme activation and by plants to prevent predation. Another class of inhibitor proteins is the ribonuclease inhibitors, which bind to ribonucleases in one of the tightest known protein–protein interactions. A special case of protein enzyme inhibitors are zymogens that contain an autoinhibitory N terminal peptide that binds to the active site of enzyme that intramolecularly blocks its activity as a protective mechanism against uncontrolled catalysis. The Nterminal peptide is cleaved (split) from the zymogen enzyme precursor by another enzyme to release an active enzyme. The binding site of inhibitors on enzymes is most commonly the same site that binds the substrate of the enzyme. These active site inhibitors are known as orthosteric ("regular" orientation) inhibitors. The mechanism of orthosteric inhibition is simply to prevent substrate binding to the enzyme through direct competition which in turn prevents the enzyme from catalysing the conversion of substrates into products. Alternatively, the inhibitor can bind to a site remote from the enzyme active site. These are known as allosteric ("alternative" orientation) inhibitors. or alternatively stabilise binding of substrate to the enzyme but lock the enzyme in a conformation which is no longer catalytically active.
Реверсируемые ингибиторы
Реверсивные ингибиторы связываются с ферментами с нековалентными взаимодействиями, такими как водородные связи, гидрофобные взаимодействия и ионные связи. Множественные слабые связи между ингибитором и активным местом фермента объединяются для получения сильного и специфического связывания. В отличие от необратимых ингибиторов, обратимые ингибиторы, как правило, не подвергаются химическим реакциям при связке с ферментом и могут быть легко удалены при разбавлении или диализе. Особый случай - ковалентные обратимые ингибиторы, которые образуют химическую связь с ферментом, но связь может быть расщеплена, поэтому ингибирование полностью обратимо. Реверсируемые ингибиторы обычно подразделяются на четыре типа, введенные Клеландом в 1963 году. Они классифицируются в соответствии с воздействием ингибитора на Vmax (максимальная скорость реакции, катализируемая ферментом) и Km (концентрация субстрата, приводящая к полумаксимальной активности фермента), поскольку концентрация субстрата фермента варьируется.
Конкурентоспособный
При конкурентном ингибировании субстрат и ингибитор не могут связываться с ферментом одновременно. Это обычно происходит из-за того, что ингибитор имеет сродство к активному месту фермента, где субстрат также связывается; субстрат и ингибитор конкурируют за доступ к активному месту фермента. Этот тип ингибирования может быть преодолен достаточно высокими концентрациями субстрата (Vmax остается постоянным), т. е. путем конкуренции с ингибитором.
Неконкурентоспособный
При неконкурентном ингибировании связывание ингибитора с ферментом снижает его активность, но не влияет на связывание субстрата.
Смешанные
При смешанном ингибировании ингибитор может связываться с ферментом независимо от того, связана ли субстрат. Таким образом, смешанное ингибирование представляет собой комбинацию конкурентного и неконкурентного ингибирования. Эти четыре типа ингибирования также можно различить по эффекту увеличения концентрации субстрата [S] на степень ингибирования, вызванную заданным количеством ингибитора. Для конкурентного торможения степень торможения уменьшается с увеличением [S], для неконкурентного торможения степень торможения остается неизменной, а для неконкурентного (также называемого антиконкурентного) торможения степень торможения увеличивается с [S].
Субстрат или продукт
Ингибирование субстрата или продукта - это когда субстрат или продукт фермента также действует как ингибитор. Это торможение может следовать конкурентным, неконкурентным или смешанным моделям. При ингибировании субстрата происходит постепенное снижение активности при высоких концентрациях субстрата, возможно, в результате фермента, имеющего два конкурирующих места связывания субстрата. При низком уровне субстрата, высокоаффинитетная область занята и наблюдается нормальная кинетика. Однако при более высоких концентрациях второй ингибирующий сайт становится занятым, ингибируя фермент. Ингибирование продукта (либо собственный продукт фермента, либо продукт фермента вниз по потоку в его метаболическом пути) часто является регуляторной особенностью метаболизма и может быть формой отрицательной обратной связи.
Медленно-тесно
Медленное жесткое ингибирование происходит, когда начальный комплекс ингибитора фермента EI подвергается конформационному изомеризму (изменению формы) во второй более жестко удерживаемый комплекс, EI*, но общий процесс ингибирования обратим. Это проявляется в виде медленно увеличивающегося ингибирования ферментов. В этих условиях традиционная кинетика Михаэлиса-Ментена дает ложное значение для Ки, которое зависит от времени. Истинное значение Ki может быть получено путем более сложного анализа констант скорости включения (kon) и отключения (koff) для ассоциации ингибитора с кинетикой, аналогичной необратимой ингибиции. Например, в формалиновых реакциях переноса пуринного биосинтеза мощный многосубстратный ингибитор аддукции (МАИ) на глицинамид- рибонуклеотидную (ГАР) ТФ- фазу был получен синтетически путем соединения аналогов субстрата ГАР и кофактора N 10 формалинового тетрагидрофолата для получения тиоглицинамид- рибонуклеотидного дидезафолата (TGDDF), или ферментативно из натурального субстрата ГАР для получения ГДДФ. Здесь субнаномолярная константа диссоциации (KD) TGDDF была больше, чем прогнозировалось, предположительно, из-за энтропических преимуществ, полученных и/или положительных взаимодействий, полученных через атомы, связывающие компоненты. Также было отмечено, что МАИ образуются в клетках в результате реакции пропрепаратов, таких как изониазид или лиганды ингибиторов ферментов (например, PTC124), с клеточными кофакторами, такими как никотинамид аденодиндинуклеотид (NADH) и аденозинтрифосфат (ATP), соответственно.
Примеры
Поскольку ферменты эволюционировали так, что они плотно связывают свои субстраты, а большинство обратимых ингибиторов связываются в активном месте ферментов, неудивительно, что некоторые из этих ингибиторов поразительно похожи по структуре на субстраты своих мишени. Ингибиторы дигидрофолратредуктазы (DHFR) являются яркими примерами. Другими примерами этих субстратов-имитаторов являются ингибиторы протеазы, терапевтически эффективный класс антиретровирусных препаратов, используемых для лечения ВИЧ/СПИДа. Структура ритонавира, пептидомиметического (пептид- имитирующего) ингибитора протеазы, содержащего три пептидные связи, как показано на рисунке " конкурентное ингибирование " выше. Поскольку этот препарат напоминает пептид, который является субстратом ВИЧ- протеазы, он конкурирует с субстратом в активном месте фермента. Ингибиторы ферментов часто предназначены для имитации переходного состояния или промежуточного состояния ферментально-катализованной реакции. Однако не все ингибиторы основаны на структуре субстратов. Например, структура другого ингибитора протеазы ВИЧ типранавира не основана на пептиде и не имеет явного структурного сходства с белковым субстратом. Эти непептидные ингибиторы могут быть более стабильными, чем ингибиторы, содержащие пептидные связи, поскольку они не будут субстратами для пептидаз и с меньшей вероятностью будут разрушаться. При разработке лекарственного средства важно учитывать концентрации субстратов, которым подвергаются целевые ферменты. Например, некоторые ингибиторы протеинкиназы имеют химическую структуру, похожую на АТФ, один из субстратов этих ферментов. Однако лекарства, являющиеся простыми конкурентными ингибиторами, должны будут конкурировать с высокими концентрациями АТФ в клетке. Протеинкиназы также могут быть ингибированы конкуренцией в местах связывания, где киназы взаимодействуют с их белками субстрата, и большинство белков присутствуют внутри клеток в концентрациях, намного ниже, чем концентрация АТФ. В результате, если два ингибитора белковой киназы связываются в активном месте с аналогичной аффинностью, но только один из них должен конкурировать с АТФ, то конкурентный ингибитор в месте связывания белка будет более эффективно ингибировать фермент.
Типы
Необратимые ингибиторы ковалентно связываются с ферментом, и этот тип ингибирования не может быть легко обращен вспять. Необратимые ингибиторы часто содержат реактивные функциональные группы, такие как азотные горчицы, альдегиды, галоалканы, алканы, акцепторы Михаила, фенилсульфонаты или флюорофосфонаты. Эти электрофильные группы реагируют с боковыми цепями аминокислот, образуя ковалентные аддукты. Необратимое ингибирование отличается от необратимой инактивации фермента. Необратимые ингибиторы, как правило, специфичны для одного класса ферментов и не инактивируют все белки; они не разрушают структуру белка, а конкретно изменяют активное место своей мишени. Например, экстремальные значения рН или температуры обычно вызывают денатурацию всей структуры белка, но это неспецифический эффект. Аналогичным образом, некоторые неспецифические химические процедуры разрушают структуру белка: например, нагрев в концентрированной соляной кислоте будет гидролизовать пептидные связи, удерживающие белки вместе, высвобождая свободные аминокислоты. Необратимые ингибиторы показывают временно- зависимое ингибирование, поэтому их эффективность не может быть охарактеризована значением IC50. Это связано с тем, что количество активного фермента при данной концентрации необратимого ингибитора будет различаться в зависимости от того, как долго ингибитор преикубируется с ферментом. Вместо этого используются значения kobs/[I], где kobs - это наблюдаемый псевдо-скорость инактивации первого порядка (полученная путем нанесения логарифма % активности по сравнению со временем), а [I] - концентрация ингибитора. Параметр kobs/[I] действителен до тех пор, пока ингибитор не насыщает связывание с ферментом (в этом случае kobs = kinact), где kinact - это скорость инактивации.
Измерение
Необратимые ингибиторы сначала образуют обратимый нековалентный комплекс с ферментом (EI или ESI). Впоследствии происходит химическая реакция между ферментом и ингибитором, в результате которой образуется ковалентно модифицированный "комплекс мертвой точки" EI* (необратимый ковалентный комплекс). Скорость, с которой образуется EI*, называется скоростью инактивации или кинакт. Другой метод, который широко используется в этих анализах, - это масс-спектрометрия. Здесь точное измерение массы немодифицированного фермента и инактивированного фермента дает увеличение массы, вызванное реакцией с ингибитором, и показывает стехиометрию реакции. Обычно это делается с помощью масс-спектрометра MALDI TOF. В дополнительной технике пептидное массовое отпечатки пальцев включает в себя переваривание коренного и модифицированного белка с помощью протеазы, такой как трипсин. Это позволит получить набор пептидов, которые можно проанализировать с помощью масс-спектрометра. Пептид, который изменяется в массе после реакции с ингибитором, будет содержать место модификации.
Медленное связывание
Не все необратимые ингибиторы образуют ковалентные аддукты с их энзимными мишенями. Некоторые обратимые ингибиторы так сильно связываются с ферментом-мишенью, что они практически необратимы. Эти ингибиторы жесткой связки могут проявлять кинетику, аналогичную ковалентным необратимым ингибиторам. В этих случаях некоторые из этих ингибиторов быстро связываются с ферментом в комплексе EI низкой аффинитета, который затем перестраивается медленнее в очень плотно связанный комплекс EI* (см. диаграмму "необратимый механизм ингибирования"). Это кинетическое поведение называется медленным связыванием. Это медленное перестройка после связывания часто включает в себя конформационное изменение, поскольку фермент "зажимается" вокруг молекулы ингибитора. Примерами ингибиторов медленного связывания являются некоторые важные препараты, такие как метотрексат, аллопуринол и активированная форма ацикловира.
Некоторые примеры
Диизопропилфторулофосфат (DFP) является примером необратимого ингибитора протеазы (см. диаграмму "реакции DFP"). Фермент гидролизует связь фосфор- фтор, но фосфатный остаток остается связанным с серином в активном месте, деактивируя его. Аналогичным образом, DFP также реагирует с активным местом ацетилхолиноэстеразы в синапсах нейронов и, следовательно, является мощным нейротоксином, с летальной дозой менее 100 мг. Ингибирование самоубийства - это необычный тип необратимого ингибирования, при котором фермент преобразует ингибитор в реактивную форму в своем активном месте. Примером является ингибитор полиаминового биосинтеза α дифлюорометилорнитина (DFMO), который является аналогом аминокислоты орнитина и используется для лечения африканского трипаносомоза (сонной болезни). Орнитиновая декарбоксилаза может каталитизировать декарбоксилирование DFMO вместо орнитина (см. схему "Механизм ингибитора DFMO"). Однако после этой реакции декарбоксилирования происходит удаление атома фтора, который превращает этот каталитический промежуточный продукт в конъюгированный имин, высокоэлектрофильный вид. Эта реактивная форма DFMO затем вступает в реакцию с остатками цистеина или лизина в активном месте, чтобы необратимо инактивировать фермент.
Приложения
Ингибиторы ферментов встречаются в природе, а также производятся искусственно в лаборатории. Природные ингибиторы ферментов регулируют многие метаболические процессы и необходимы для жизни. Эти природные токсины включают в себя некоторые из самых ядовитых веществ, известных. Искусственные ингибиторы часто используются в качестве лекарств, но могут также быть инсектицидами, такими как малатион, гербицидами, такими как глифосат, или дезинфицирующими средствами, такими как триклозан. Другие искусственные ингибиторы ферментов блокируют ацетилхолинестераз, фермент, который разрушает ацетилхолин, и используются в качестве нервных агентов в химической войне.
Регулирование метаболизма
Ингибирование ферментов является общей особенностью контроля метаболических путей в клетках. Этот катаболический путь потребляет глюкозу и вырабатывает АТФ, НАДГ и пируват. Ключевым шагом для регулирования гликолиза является ранняя реакция в пути, катализированном фосфофруктокиназой1 (PFK1). Когда уровень АТФ повышается, АТФ связывается с аллостерическим местом в PFK1, чтобы снизить скорость ферментной реакции; гликолиз ингибируется, и выработка АТФ падает. Этот контроль отрицательной обратной связи помогает поддерживать стабильную концентрацию АТФ в клетке. Однако метаболические пути регулируются не только путем ингибирования, поскольку активация ферментов не менее важна. В отношении PFK1, фруктоза 2,6-бисфосфат и ADP являются примерами метаболитов, которые являются аллостерическими активаторами. Физиологическое ингибирование ферментов также может быть вызвано специфическими ингибиторами белка. Этот механизм происходит в поджелудочной железе, которая синтезирует многие пищеварительные прекурсорные ферменты, известные как зимогены. Многие из них активируются трипсин-протеазой, поэтому важно ингибировать активность трипсина в поджелудочной железе, чтобы предотвратить самопереваривание органа. Один из способов, которым контролируется активность трипсина, - это производство специфического и мощного ингибитора трипсина в поджелудочной железе. Этот ингибитор прочно связывается с трипсином, предотвращая активность трипсина, которая в противном случае была бы вредна для органа. Хотя ингибитор трипсина является белком, он не подвергается гидролизу в качестве субстрата протеазой, исключая воду из активного участка трипсина и дестабилизируя переходное состояние. Другие примеры физиологических ингибиторов ферментов включают ингибитор барстар бактериальной рибонуклеазы барназы.
Естественные яды
Животные и растения эволюционировали для синтеза огромного количества ядовитых продуктов, включая вторичные метаболиты, пептиды и белки, которые могут действовать как ингибиторы. Природные токсины обычно представляют собой небольшие органические молекулы и настолько разнообразны, что, вероятно, существуют естественные ингибиторы для большинства метаболических процессов. Метаболические процессы, на которые нацелены природные яды, включают не только ферменты в метаболических путях, но и могут включать в себя ингибирование рецепторных, канальных и структурных функций белка в клетке. Например, паклитаксель (таксол), органическая молекула, обнаруженная в тихоокеанском тисе, плотно связывается с димерами тубулина и ингибирует их сборку в микротубулы в цитоскелете. Многие природные яды действуют как нейротоксины, которые могут вызывать паралич, приводящий к смерти, и функционируют для защиты от хищников или для охоты и захвата добычи. Некоторые из этих природных ингибиторов, несмотря на их токсические свойства, ценны для терапевтического использования в более низких дозах. Примером нейротоксина являются гликоалкалоиды, из видов растений семейства Соланацеев (включает картофель, помидоры и баклажаны), которые являются ингибиторами ацетилхолинестеразы. Ингибирование этого фермента приводит к неконтролируемому увеличению ацетилхолинового нейромедиатора, мышечному параличу и затем смерти. Нейротоксичность также может быть вызвана ингибированием рецепторов; например, атропин из смертельной сосны (Atropa belladonna), который действует как конкурентный антагонист рецепторов ацетилхолина мускаринового. Хотя многие природные токсины являются вторичными метаболитами, эти яды также включают пептиды и белки. Примером токсичного пептида является альфа-аманитин, который содержится в родственниках гриба смертельной шапки. Это мощный ингибитор ферментов, в данном случае препятствующий транскрибированию ДНК ферментом РНК- полимеразы II. Микроцистин, токсин водорослей, также является пептидом и ингибитором белковых фосфатаз. Этот токсин может загрязнять водоснабжение после цветения водорослей и является известным канцерогеном, который также может вызвать острую геморрагию печени и смерть при более высоких дозах. Протеины также могут быть природными ядами или антинутриентами, такими как ингибиторы трипсина (обсуждаемые в разделе "регулирование метаболизма" выше), которые содержатся в некоторых бобовых. Менее распространенным классом токсинов являются токсические ферменты: они действуют как необратимые ингибиторы их целевых ферментов и работают путем химической модификации их субстратных ферментов. Примером может служить рицин, чрезвычайно мощный белковый токсин, содержащийся в касторовых бобах. Этот фермент является гликозидазой, которая инактивирует рибосомы. Поскольку рицин является каталитическим необратимым ингибитором, это позволяет одной молекуле рицина убить клетку.
Наркотики
Наиболее распространенным применением ингибиторов ферментов является лекарство для лечения болезней. Многие из этих ингибиторов нацелены на человеческий фермент и направлены на коррекцию патологического состояния. Например, аспирин - это широко используемый препарат, который действует как ингибитор самоубийства фермента циклооксигеназы. По состоянию на 2017 год, по оценкам, 29% одобренных препаратов являются ингибиторами ферментов. Заметный класс киназных лекарственных средств - рецепторные тирозинкиназы, которые являются важными ферментами, регулирующими рост клеток; их чрезмерная активация может привести к раку. Поэтому ингибиторы киназы, такие как иматиниб, часто используются для лечения злокачественных опухолей. Янус-киназы - еще один примечательный пример лекарственных ферментов. Ингибиторы Janus kinases блокируют выработку воспалительных цитокинов, и поэтому эти ингибиторы используются для лечения различных воспалительных заболеваний, включая артрит, астму и болезнь Крона. Пример структурного сходства некоторых ингибиторов с субстратами ферментов, на которые они нацелены, показан на рисунке, сравнивающем препарат метотрексат с фолиевой кислотой. Фолиевая кислота является окисленной формой субстрата дигидрофолредуктазы, фермента, который сильно ингибируется метотрексатом. Метотрексат блокирует действие дигидрофолатредуктазы и тем самым останавливает биосинтез тимидина. Распространенным средством лечения эректильной дисфункции является силденафил (Виагра). Это соединение является мощным ингибитором специфической фосфодиэстеразы типа 5 cGMP, фермента, который разрушает сигнальную молекулу циклического гуанозинамонофосфата. Эта сигнальная молекула запускает расслабление гладкой мышцы и позволяет крови поступать в пещеристый корпус, что вызывает эрекцию. Поскольку препарат снижает активность фермента, который останавливает сигнал, он заставляет этот сигнал длиться дольше.
Антибиотики
Лекарства также используются для ингибирования ферментов, необходимых для выживания патогенов. Например, бактерии окружены толстой клеточной стеной, сделанной из сетеподобного полимера, называемого пептидогликаном. Многие антибиотики, такие как пенициллин и ванкомицин, ингибируют ферменты, которые производят и затем перекрестно связывают нити этого полимера. Это приводит к тому, что клеточная стенка теряет свою силу, и бактерии лопаются. На рисунке показана молекула пенициллина (в форме шары и палочки), связанная с ее мишенью, транспептидазой бактерии Streptomyces R61 (белок показан в виде диаграммы ленты). Разработка антибиотиков облегчается, когда фермент, который необходим для выживания патогена, отсутствует или сильно отличается у людей. Люди не производят пептидогликан, поэтому антибиотики, которые ингибируют этот процесс, избирательно токсичны для бактерий. В антибиотиках также вырабатывается селективная токсичность, используя различия в структуре рибосом бактерий или способы их получения жирных кислот.
Антивирусные препараты
Лекарства, которые ингибируют ферменты, необходимые для репликации вирусов, эффективны при лечении вирусных инфекций. Антивирусные препараты включают ингибиторы протеазы, используемые для лечения ВИЧ/СПИДа и гепатита С, ингибиторы обратной транскриптазы, направленные на ВИЧ/СПИДа, ингибиторы нейраминидазы, направленные на грипп, и ингибиторы терминазы, направленные на цитомегаловирус человека.
Пестициды
Многие пестициды являются ингибиторами ферментов. Ацетилхолинестераза (AChE) - это фермент, обнаруженный у животных, от насекомых до человека. Он необходим для функционирования нервных клеток благодаря своему механизму расщепления нейротрансмиттера ацетилхолина на его составные части, ацетат и холин. Это несколько необычно среди нейротрансмиттеров, поскольку большинство из них, включая серотонин, дофамин и норадреналин, поглощаются из синаптической щели, а не расщепляются. Большое количество ингибиторов АХЭ используется как в медицине, так и в сельском хозяйстве. Реверсируемые ингибиторы конкурентоспособности, такие как эдрофониум, физистигмин и неостигмин, используются в лечении миастении гравис и в анестезии для обращения вспять мышечной блокады. Карбаматные пестициды также являются примерами обратимых ингибиторов AChE. Органофосфатные пестициды, такие как малатион, паратион и хлорпирифос, необратимо ингибируют ацетилхолинестеразу.
Гербициды
Гербицид глифосат является ингибитором 3 фосфошикимата 1 карбоксивинилтрансферазы, другие гербициды, такие как сульфонилмочевины, ингибируют фермент ацетолактат-синтазу. Оба фермента необходимы для растений для получения аминокислот с разветвленной цепью. Многие другие ферменты ингибируются гербицидами, включая ферменты, необходимые для биосинтеза липидов и каротиноидов, а также процессы фотосинтеза и окислительного фосфорилирования.
Открытие и проектирование
Новые лекарства являются продуктом длительного процесса разработки лекарств, первым шагом которого часто является открытие нового ингибитора ферментов. Существует два основных подхода к обнаружению этих ингибиторов. Первый общий метод - это рациональная разработка лекарственного средства, основанная на имитации переходного состояния химической реакции, катализируемой ферментом. Ингибитор, разработанный для этого, часто очень похож на субстрат, за исключением того, что часть субстрата, подвергающаяся химической реакции, заменяется химически стабильной функциональной группой, которая напоминает переходное состояние. Поскольку фермент эволюционировал для стабилизации переходного состояния, аналоги переходного состояния, как правило, обладают более высоким аффинностью к ферменту по сравнению с субстратом, и поэтому являются эффективными ингибиторами. Второй способ обнаружения новых ингибиторов ферментов - это высокопроизводительный скрининг больших библиотек структурно разнообразных соединений для выявления пораженных молекул, которые связываются с ферментом. Этот метод был расширен, чтобы включать виртуальный скрининг баз данных различных молекул с использованием компьютеров, которые затем сопровождаются экспериментальным подтверждением связывания виртуальных скрининговых попаданий. Дополнительные подходы, которые могут обеспечить новые стартовые точки для ингибиторов, включают в себя открытие свинца на основе фрагментов и кодируемые химические библиотеки ДНК (DEL). Попадания из любого из вышеуказанных подходов могут быть оптимизированы для связующих веществ высокой аффинности, которые эффективно ингибируют фермент. Для оптимизации процесса могут использоваться компьютерные методы прогнозирования ориентации связывания и аффинности ингибитора для фермента, такие как молекулярный стыковка и молекулярная механика. Новые ингибиторы используются для получения кристаллографических структур фермента в комплексе ингибитор/энзим, чтобы показать, как молекула связывается с активным местом, что позволяет вносить изменения в ингибитор для оптимизации связывания в процессе, известном как конструкция лекарственного средства на основе структуры. Этот цикл испытаний и усовершенствований повторяется до тех пор, пока не будет получен достаточно мощный ингибитор.