[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 02/23 15:56)
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 02/23 15:56)
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. リガンド効率 Ligand Efficiency
  2. コンビナトリアル化学 Combinatorial Chemis…
  3. コールドスプレーイオン化質量分析法 Cold Spray Ion…
  4. 材料適合性 Material compatibility
  5. 重医薬品(重水素化医薬品、heavy drug)
  6. 有機EL organic electroluminescence…
  7. 研究のための取引用語
  8. E値 Environmental(E)-factor

注目情報

ピックアップ記事

  1. Carl Boschの人生 その4
  2. 2017年12月14日開催: 化学企業4社によるプレミアムセミナー
  3. タンパク質の定量法―ブラッドフォード法 Protein Quantification – Bradford Protein Assay
  4. 「科学者の科学離れ」ってなんだろう?
  5. 研究者/研究力
  6. 生合成を模倣しない(–)-jorunnamycin A, (–)-jorumycinの全合成
  7. ルーブ・ゴールドバーグ反応 その2
  8. エーザイ 巨大市場、抗ガン剤開発でライバルに先行
  9. 陰山 洋 Hiroshi Kageyama
  10. 三角形ラジカルを使って発光性2次元ハニカムスピン格子構造を組み立てる!

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

MEDCHEM NEWS 34-1 号「創薬を支える計測・検出技術の最前線」

日本薬学会 医薬化学部会の部会誌 MEDCHEM NEWS より、新たにオープン…

医薬品設計における三次元性指標(Fsp³)の再評価

近年、医薬品開発において候補分子の三次元構造が注目されてきました。特に、2009年に発表された論文「…

AI分子生成の導入と基本手法の紹介

本記事では、AIや情報技術を用いた分子生成技術の有機分子設計における有用性や代表的手法について解説し…

第53回ケムステVシンポ「化学×イノベーション -女性研究者が拓く未来-」を開催します!

第53回ケムステVシンポの会告です!今回のVシンポは、若手女性研究者のコミュニティと起業支援…

Nature誌が発表!!2025年注目の7つの技術!!

こんにちは,熊葛です.毎年この時期にはNature誌で,その年注目の7つの技術について取り上げられま…

塩野義製薬:COVID-19治療薬”Ensitrelvir”の超特急製造開発秘話

新型コロナウイルス感染症は2023年5月に5類移行となり、昨年はこれまでの生活が…

コバルト触媒による多様な低分子骨格の構築を実現 –医薬品合成などへの応用に期待–

第 642回のスポットライトリサーチは、武蔵野大学薬学部薬化学研究室・講師の 重…

ヘム鉄を配位するシステイン残基を持たないシトクロムP450!?中には21番目のアミノ酸として知られるセレノシステインへと変異されているP450も発見!

こんにちは,熊葛です.今回は,一般的なP450で保存されているヘム鉄を配位するシステイン残基に,異な…

有機化学とタンパク質工学の知恵を駆使して、カリウムイオンが細胞内で赤く煌めくようにする

第 641 回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院理学系研究科化学専攻 生…

CO2 の排出はどのように削減できるか?【その1: CO2 の排出源について】

大気中の二酸化炭素を減らす取り組みとして、二酸化炭素回収·貯留 (CCS; Carbon dioxi…

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