[スポンサーリンク]

chemglossary

酵素触媒反応の生成速度を考えるー阻害剤入りー

[スポンサーリンク]

hodaです。以前、酵素触媒反応の生成速度を考える-ミカエリス・メンテン機構-という記事を書きました。以前考えたミカエリス・メンテン機構では、酵素と基質の反応は阻害されないと考えていました。今回は酵素などの働きを阻害する阻害剤を入れ、前回よりも複雑な機構を持つ酵素触媒反応の生成速度を考えたいと思います。

ざっくりミカエリス・メンテン機構とは

ミカエリス・メンテン機構とは最もシンプルな酵素触媒反応の生成速度を求めることができるモデルです。まずは阻害剤がない酵素触媒反応であるミカエリス・メンテン機構から行きましょう。考える機構は以下のモデルです。

(a) 阻害剤なし

E…酵素 (enzyme の頭文字の E)
S…基質 (substrate の頭文字の S)
ES…酵素―基質複合体
P…生成物 (product の頭文字の P)

Pの生成速度を求める際には上記モデルの反応のうち特に次の部分を考えます。

今回の機構(a)から[ES]の濃度変化は以下の式になります。

KMはミカエリス定数と呼ばれます。

ここで存在するすべての酵素の濃度を[E0]とすると、酵素は酵素単独、または複合体を形成しているので[E0]は以下のように表されます。

[ES]が求まったので、v0 ­= ­k3 [ES]の式に代入してPの生成速度v0を求めます。

Pの生成速度v0が求まりました。
ミカエリス・メンテン機構についてしっかり復習したい方は以前の記事をご覧ください。

今回の本題

ミカエリス・メンテン機構では酵素1種類、基質1種類を考えていますが、実際には阻害剤がいる機構もあります。今回は阻害剤と酵素または複合体がくっついたり離れたりする可逆的阻害を行う反応について考えたいと思います。

(b) 拮抗阻害

阻害剤と基質が酵素の同一部分に作用するために競合します1

I…阻害剤

(a)阻害剤なしのときと同様に、Pの生成速度を求める際には上記モデルの反応のうち特に次の部分を考えます。

よってPの生成速度v0v0 ­= ­k3 [ES]となります。(a)と同じです。

機構(a)で求めたように[ES]の濃度変化は以下の式になります。

(a)のときと同じことから、定常状態近似により導かれる[ES]はKMを用いて(a)と同じになります。

阻害剤・酵素複合体EIの解離定数をKiとすると以下の式で表されます。

ここで存在するすべての酵素の濃度を[E0]とすると、今回は[E0]が以下のように表されます。

[ES]が求まったので、v0 ­= ­k3 [ES]の式に代入してPの生成速度v0を求めます。

Pの生成速度v0が求まりました。

(c) 不拮抗阻害

今回の機構の阻害剤は酵素・基質複合体に作用します1

(a)阻害剤なし、(b)拮抗阻害のときと同様に、Pの生成速度を求める際には上記モデルの反応のうち特に次の部分を考えます。

よってPの生成速度v0v0 ­= ­k3 [ES]となります。(a)(b)と同じです。

機構(a)で求めたように[ES]の濃度変化は以下の式になります。

(a)のときと同じことから、定常状態近似により導かれる[ES]はKMを用いて(a)と同じになります。

阻害剤と酵素と基質の複合体ESIの解離定数をKiiとすると以下の式で表されます。

ここで存在するすべての酵素の濃度を[E0]とすると、今回は[E0]が以下のように表されます。

[ES]が求まったので、v0 ­= ­k3 [ES]の式に代入してPの生成速度v0を求めます。

Pの生成速度v0が求まりました。

(d) 拮抗阻害+不拮抗阻害

(b)拮抗阻害と(c)不拮抗阻害を組み合わせた機構は以下のようになります1

(a)~(c)のときと同様に、Pの生成速度を求める際には上記モデルの反応のうち特に次の部分を考えます。

よってPの生成速度v0v0 ­= ­k3 [ES]となります。­(a)~(c)と同じです。

機構(a)で求めたように[ES]の濃度変化は以下の式になります。

(a)のときと同じことから、定常状態近似により導かれる[ES]はKMを用いて(a)と同じになります。

(b)拮抗阻害で登場した解離定数Kと(c)不拮抗阻害で登場した解離定数Ki­iを用います。

ここで存在するすべての酵素の濃度を[E0]とすると、今回は[E0]が以下のように表されます。

[ES]が求まったので、v0 ­= ­k3 [ES]の式に代入してPの生成速度v0を求めます。

Pの生成速度v0が求まりました。

Lineweaver-Burkプロットで直線のグラフを得る

(a)~(d)で求めたPの生成速度の式は縦軸を1/v0とし、横軸を1/[S]とすると直線のグラフが得られます。阻害剤濃度[I]を変えることにより、どのような阻害が起きているか判断をすることが可能なこともあるので有用でしょう。

(a) 阻害剤なしのLineweaver-Burkプロット

従って(a)阻害剤なしのLineweaver-Burkプロットは以下になります。

 

(b) 拮抗阻害のLineweaver-Burkプロット

従って(b)拮抗阻害のLineweaver-Burkプロットは以下になります。

阻害剤濃度[I]を増加させると1/[S]の係数が大きくなる、つまり直線の傾きは大きくなりグラフの矢印の向きに直線は変化します。一方切片は[I]によらないので、直線は切片で交わります。

(c) 不拮抗阻害のLineweaver-Burkプロット

従って(c)不拮抗阻害のLineweaver-Burkプロットは以下になります。

阻害剤濃度[I]を増加させると切片が大きくなりグラフの矢印の向きに直線は変化します。一方、直線の傾きは[I]に寄らないので、直線は平行になります。

(d) 拮抗阻害+不拮抗阻害のLineweaver-Burkプロット(Ki Kiiのとき)

今回はKi Kiiのときのグラフにしたいと思います。1/v0に0を代入してみます。

これは[I]の値に寄らず、直線は横軸の-1/KMで交わることを表します。

従って(d) Ki Kiiのときの拮抗阻害+不拮抗阻害のLineweaver-Burkプロットは以下になります。

阻害剤濃度[I]を増加させると切片、傾きともに大きくなり、グラフの矢印の向きに直線は変化します。今回はKi Kiiを考えているので、[I]の値に寄らず直線は横軸の-1/KMで交わります1

今回取り上げた(a)~(d)までのグラフを並べてみると違いがよく分かります。

グラフを比べてみると阻害剤濃度[I]を変えることにより直線の変化の仕方が異なるので、どのような阻害が起きているか判断をすることが可能なこともあります1

最後に

今回は拮抗阻害や不拮抗阻害について取り上げましたが、競合的阻害、非競合的阻害、不競合的阻害2などと呼ばれていたり呼び方は様々あるようです。
今回はここまで。

参考文献

  1. 赤路健一, 津田裕子, 林良雄, ベーシック創薬化学, 化学同人, pp. 20-22 (2014)
  2. 長野哲雄, 夏苅英昭, 原博, 創薬化学, 東京化学同人, pp. 72-75 (2004)
  3. 水野哲孝, 山口和也, 堂免一成, 東京大学工学教程 基礎系 化学 物理化学Ⅱ:化学反応論, 丸善出版, pp. 45-46 (2018)
  4. 水野哲孝, 山口和也, 堂免一成, 東京大学工学教程 基礎系 化学 物理化学Ⅱ:化学反応論, 丸善出版, p. 15 (2018)
  5. 野田春彦, 生命科学のための物理化学(第2版), 東京化学同人, pp. 248-250 (1992)
  6. 酵素触媒反応の生成速度を考える-ミカエリス・メンテン機構-

関連書籍

ベーシック創薬化学

ベーシック創薬化学

赤路 健一, 林 良雄, 津田 裕子
¥3,300(as of 04/07 09:39)
Amazon product information
創薬化学

創薬化学

長野哲雄, 夏苅英昭, 原博
¥4,988(as of 04/07 09:39)
Amazon product information

hoda

投稿者の記事一覧

大学院生です。ケモインフォマティクス→触媒

関連記事

  1. 分子糊 モレキュラーグルー (Molecular Glue)
  2. Process Mass Intensity, PMI(プロセス…
  3. 導電性ゲル Conducting Gels: 流れない流体に電気…
  4. Undruggable Target と PROTAC
  5. ポットエコノミー Pot Economy
  6. 創薬における中分子
  7. HKUST-1: ベンゼンが囲むケージ状構造体
  8. 多成分連結反応 Multicomponent Reaction…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 自転車泥棒を臭いで撃退!?「スカンクロック」を考案
  2. 工程フローからみた「どんな会社が?」~タイヤ編 その1
  3. 微少試料(1 mg)に含まれる極微量レベル(1 アトグラム)の放射性ストロンチウムを正確に定量する分析技術開発!
  4. ラジカルと有機金属の反応を駆使した第3級アルキル鈴木―宮浦型カップリング
  5. 揮発した有機化合物はどこへ?
  6. Fmoc-N-アルキルグリシンって何ができるの?―いろいろできます!
  7. おまえら英語よりもタイピングやろうぜ ~初級編~
  8. ジアゾメタン diazomethane
  9. ディーター・ゼーバッハ Dieter Seebach
  10. カルタミン

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2021年9月
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
27282930  

注目情報

最新記事

新たな有用活性天然物はどのように見つけてくるのか~新規抗真菌剤mandimycinの発見~

こんにちは!熊葛です.天然物は複雑な構造と有用な活性を有することから多くの化学者を魅了し,創薬に貢献…

創薬懇話会2025 in 大津

日時2025年6月19日(木)~6月20日(金)宿泊型セミナー会場ホテル…

理研の研究者が考える未来のバイオ技術とは?

bergです。昨今、環境問題や資源問題の関心の高まりから人工酵素や微生物を利用した化学合成やバイオテ…

水を含み湿度に応答するラメラ構造ポリマー材料の開発

第651回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院工学研究科(大内研究室)の堀池優貴 さんにお願い…

第57回有機金属若手の会 夏の学校

案内:今年度も、有機金属若手の会夏の学校を2泊3日の合宿形式で開催します。有機金…

高用量ビタミンB12がALSに治療効果を発揮する。しかし流通問題も。

2024年11月20日、エーザイ株式会社は、筋萎縮性側索硬化症用剤「ロゼバラミン…

第23回次世代を担う有機化学シンポジウム

「若手研究者が口頭発表する機会や自由闊達にディスカッションする場を増やし、若手の研究活動をエンカレッ…

ペロブスカイト太陽電池開発におけるマテリアルズ・インフォマティクスの活用

持続可能な社会の実現に向けて、太陽電池は太陽光発電における中心的な要素として注目…

有機合成化学協会誌2025年3月号:チェーンウォーキング・カルコゲン結合・有機電解反応・ロタキサン・配位重合

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2025年3月号がオンラインで公開されています!…

CIPイノベーション共創プログラム「未来の医療を支えるバイオベンチャーの新たな戦略」

日本化学会第105春季年会(2025)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「未来の医療…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー