競争阻害

競合阻害とは、ある化学物質が他の化学物質と結合または結合を競い合ってその効果を阻害することで、化学経路が中断される現象である。代謝系や化学伝達物質系はいずれもこの原理の影響を受ける可能性があるが、生化学や医学では、競合型の酵素阻害、競合型の受容体拮抗作用、競合型の代謝拮抗作用、競合型の代謝拮抗物質活性、競合型の中毒（前述のいずれのタイプも含む）など、いくつかの種類の競合阻害が特に重要である。

酵素触媒の競合阻害では、阻害剤の結合により、酵素の標的分子（基質とも呼ばれる）の結合が妨げられます。^[1]これは、何らかの方法で基質の結合部位（活性部位）をブロックすることによって実現されます。 V _{max は}反応の最大速度を示し、 K _{m はV max}の半分に達するのに必要な基質の量です。 K _{m は、}基質が酵素に結合する傾向を示す役割も果たします。^[2]競合阻害は、反応に基質を追加することで克服でき、酵素と基質が結合する可能性が高まります。その結果、競合阻害は K _mのみを変更し、 V _{max は}同じままになります。^{[3]これは、}ミカエリス-メンテンプロットやラインウィーバー-バークプロットなどの酵素速度論プロットを使用して実証できます。阻害剤が酵素に結合すると、傾きが影響を受け、 K _{m は}反応の元の K _{mから増加または減少します。} ^{[4] [5] [6]}

ほとんどの競合阻害剤は、酵素の活性部位に可逆的に結合することによって機能します。^[1]そのため、多くの情報源では、これが競合阻害剤の定義的な特徴であると述べています。^[7]しかし、これは誤解を招く過度の単純化であり、酵素が阻害剤または基質のいずれかに結合するメカニズムは多数ありますが、両方に同時に結合することはありません。^[1]たとえば、アロステリック阻害剤は、競合的、非競合的、または非競合的阻害を示す可能性があります。^[1]

競合阻害では、通常の基質に似た阻害剤が酵素に結合し、通常は活性部位で基質が結合するのを防ぎます。^[8]酵素は、ある瞬間に阻害剤、基質、またはどちらにも結合していない可能性がありますが、両方に同時に結合することはできません。競合阻害中、阻害剤と基質は活性部位をめぐって競合します。活性部位とは、特定のタンパク質または基質が結合できる酵素上の領域です。したがって、活性部位は、2 つの複合体のうちの 1 つだけが結合することを許可し、反応が発生するか、または反応を引き起こします。競合阻害では、阻害剤は基質に似ており、基質の代わりになり、酵素の活性部位に結合します。基質濃度を上げると、基質が活性部位に適切に結合して反応が発生するための「競合」が減ります。^[3]基質の濃度が競合阻害剤の濃度よりも高い場合、基質が阻害剤の活性部位よりも酵素の活性部位に接触する可能性が高くなります。

競合阻害剤は、医薬品の製造によく使用されます。^[3]たとえば、メトトレキサートは競合阻害剤として作用する化学療法薬です。これは、ジヒドロ葉酸還元酵素に結合する補酵素である葉酸と構造的に類似しています。^[3]この酵素は DNA と RNA の合成に関与しており、メトトレキサートが酵素に結合すると不活性になり、DNA と RNA を合成できなくなります。^[3]そのため、がん細胞は増殖および分裂できなくなります。別の例として、プロスタグランジンは痛みに対する反応として大量に生成され、炎症を引き起こす可能性があります。プロスタグランジンは必須脂肪酸から形成されますが、これが発見されたとき、これらは実際にはプロスタグランジンの非常に優れた阻害剤であることが判明しました。これらの脂肪酸阻害剤は、基質として作用し、酵素に結合してプロスタグランジンを阻害できるため、痛みを和らげる薬として使用されてきました。^[9]

薬物に関連しない競合阻害の例としては、果物や野菜の褐変防止が挙げられます。例えば、キノコに含まれる酵素であるチロシナーゼは、通常、基質であるモノフェノールと結合して、褐色のo-キノンを形成します。^[10]キノコの4-置換ベンズアルデヒドなどの競合基質は、基質と競合して、結合するモノフェノールの量を減らします。農産物に添加されるこれらの阻害化合物は、褐変を引き起こすモノフェノールの結合を減らすことで、農産物を長期間新鮮に保ちます。^[10]これにより、農産物の品質と保存期間が向上します。

競合阻害は可逆的なものと不可逆的なものがあり、可逆的な阻害であれば、基質濃度を上げることで阻害薬の効果を克服することができます。^[8]不可逆的な阻害であれば、それを克服する唯一の方法は、標的物質をより多く生成することです（そして通常は不可逆的に阻害された標的物質を分解および/または排泄します）。

事実上、競合阻害剤は基質と同じ結合部位（活性部位）に結合するが、同じ部位に結合することは必須ではない。競合阻害剤は、基質が結合しているときにアロステリック部位に結合しない限り、遊離酵素のアロステリック部位に結合して基質の結合を妨げることができる。例えば、ストリキニーネは哺乳類の脊髄と脳幹のグリシン受容体のアロステリック阻害剤として作用する。グリシンは、特定の受容体部位を持つ主要なシナプス後抑制性神経伝達物質である。ストリキニーネは、グリシン受容体のグリシンに対する親和性を低下させる代替部位に結合し、グリシンによる阻害が弱まることでけいれんを引き起こす。^[11]

競合阻害では、反応の最大速度 ( ) は変化しないが、結合部位に対する基質の見かけの親和性は減少する (解離定数は見かけ上増加する)。 (ミカエリス・メンテン定数)の変化はの変化と平行しており、一方が増加すると他方は減少するはずである。競合阻害剤が酵素に結合すると は増加する。これは酵素に対する結合親和性が低下することを意味するが、基質の濃度を増加させることでこれを克服することができる。^[12]競合阻害剤の濃度はどれも、基質濃度を増加させることで克服することができる。その場合、基質は阻害剤が結合する可用性を低下させ、その結果、酵素への結合において阻害剤に打ち勝つことになる。^[12]${\displaystyle V_{\max}}$${\displaystyle K_{d}}$${\displaystyle K_{m}}$${\displaystyle K_{d}}$${\displaystyle K_{m}}$

汚染されたオピオイド薬デスメチルプロジンの偶発的な摂取の後、1-メチル-4-フェニル-1,2,3,6-テトラヒドロピリジン（MPTP ）の神経毒性作用が発見されました。MPTPは血液脳関門を通過し、酸性リソソームに入ることができます。^[13] MPTPは、主に神経障害や疾患に集中しているモノアミン酸化酵素（MAO）のアイソザイムであるMAO-Bによって生物学的に活性化されます。 ^{[14]その後、MPTPが}パーキンソン病に似た症状を引き起こすことが発見されました。中枢神経系の細胞（アストロサイト）には、MPTPを毒性のある1-メチル-4-フェニルピリジニウム（MPP +）に酸化するMAO-Bが含まれています。^{[13] MPP +は最終的に}ドーパミントランスポーターによって細胞外液に移動し、最終的にパーキンソン病の症状を引き起こします。しかし、MAO-B酵素またはドーパミントランスポーターの競合的阻害は、MPTPのMPP+への酸化を防ぎます。メチレンブルー、5-ニトロインダゾール、ノルハルマン、9-メチルノルハルマン、メナジオンなど、いくつかの化合物がMPTPのMPP+への酸化を阻害する能力について試験されています。^[14]これらは、MPTPによって引き起こされる神経毒性を軽減することを実証しました。

サルファ剤は競合的阻害剤としても作用する。例えば、スルファニルアミドは、基質パラアミノ安息香酸（PABA）を模倣することにより、ジヒドロプテロイン酸合成酵素（DHPS）活性部位の酵素に競合的に結合します。 ^[15]これにより、基質自体の結合が妨げられ、必須栄養素である葉酸の生成が停止します。細菌は葉酸を輸送する輸送体を持っていないため、葉酸を合成する必要があります。葉酸がなければ、細菌は成長および分裂できません。したがって、サルファ剤は競合的阻害のため、優れた抗菌剤です。競合的阻害の例は、クレブス回路でコハク酸からフマル酸への酸化を触媒する酵素コハク酸脱水素酵素で実験的に実証されています。マロネートはコハク酸脱水素酵素の競合的阻害剤です。コハク酸脱水素酵素と基質コハク酸の結合は競合的に阻害されます。これはマロン酸の化学的性質がコハク酸に似ているために起こります。マロン酸が酵素と基質の結合を阻害する能力は、マロン酸とコハク酸の比率に基づいています。マロン酸はコハク酸脱水素酵素の活性部位に結合しますが、コハク酸は結合できません。そのため、反応を阻害します。^[16]

ミカエリス・メンテンモデルは、酵素反応速度論を理解する上で非常に貴重なツールです。このモデルによれば、基質の濃度[S]と反応速度（V0）のプロットから、_{Vmax 、}初期速度、Km _（ Vmax _/ 2または酵素と基質複合体の親和性）などの値を決定することができます。 ^[4]

競争阻害はミカエリス・メンテン定数の見かけの値を増加させ、反応の初期速度は次のように表される。 ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$${\displaystyle V_{0}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {V_{\max}\,[S]}{K_{m}^{\text{app}}+[S]}}}$

ここで、は阻害剤の解離定数であり、は阻害剤の濃度です。 ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}=K_{m}(1+[I]/K_{i})}$${\displaystyle K_{i}}$${\displaystyle [I]}$

${\displaystyle V_{\max}}$阻害剤の存在は、より高い基質濃度によって克服できるため、同じままです。、到達するために必要な基質濃度は、競合阻害剤の存在によって増加します。これは、阻害剤ありで到達するために必要な基質の濃度が、阻害剤なしに到達するために必要な基質の濃度よりも高いためです。 ${\displaystyle K_{m}^{\text{app}}}$${\displaystyle V_{\max}/2}$${\displaystyle V_{\max}}$${\displaystyle V_{\max}}$

ミカエリス・メンテン反応速度論に従う単一基質酵素の最も単純なケースでは、典型的なスキームは

${\displaystyle {\ce {E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P}}}$

阻害剤が遊離酵素に結合するように変更されます。

${\displaystyle {\ce {EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I}}}$

阻害剤は ES 複合体に結合せず、基質は EI 複合体に結合しないことに注意してください。この動作は、両方の化合物が同じ部位に結合していることを示していると一般的に考えられていますが、必ずしもそうである必要はありません。ミカエリス-メンテン式の導出と同様に、システムが定常状態にある、つまり各酵素種の濃度が変化していないと仮定します。

${\displaystyle {\frac {d[{\ce {E}}]}{dt}}={\frac {d[{\ce {ES}}]}{dt}}={\frac {d[{ \ce {EI}}]}{dt}}=0.}$

さらに、既知の総酵素濃度は であり、速度は基質および阻害剤の濃度が大幅に変化せず、微量の生成物が蓄積されている条件下で測定されます。 ${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {E}}]+[{\ce {ES}}]+[{\ce {EI}}]}$

したがって、次のような方程式系を設定できます。

ここで、 およびは既知です。初期速度は と定義されるため、未知の を既知の値と に基づいて定義する必要があります。 ${\displaystyle {\ce {[S]、[I]}}}$${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$${\displaystyle V_{0}=d[{\ce {P}}]/dt=k_{2}[{\ce {ES}}]}$${\displaystyle {\ce {[ES]}}}$${\displaystyle {\ce {[S]、[I]}}}$${\displaystyle {\ce {[E]_0}}}$

式（３）から、EをESの観点から次のように定義することができる。

${\displaystyle k_{1}[{\ce {E}}][{\ce {S}}]=(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}$

割る と${\displaystyle k_{1}[{\ce {S}}]}$

${\displaystyle [{\ce {E}}]={\frac {(k_{-1}+k_{2})[{\ce {ES}}]}{k_{1}[{\ce {S }}]}}}$

ミカエリス-メンテン式の導出と同様に、項はマクロな速度定数に置き換えることができる。 ${\displaystyle (k_{-1}+k_{2})/k_{1}}$${\displaystyle K_{m}}$

式（５）を式（４）に代入すると、

${\displaystyle 0={\frac {k_{3}[{\ce {I}}]K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}-k_{- 3}[{\ce {EI}}]}$

整理してみると、

${\displaystyle [{\ce {EI}}]={\frac {K_{m}k_{3}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{k_{-3} [{\ce {S}}]}}}$

この時点で、阻害剤の解離定数を と定義することができ、 ${\displaystyle K_{i}=k_{-3}/k_{3}}$

ここで、式（５）と式（６）を式（１）に代入する。

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}={\frac {K_{m}[{\ce {ES}}]}{\ce {[S]}}}+[{\ce {ES}}]+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}][{\ce {ES}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

ESを求めるために整理すると、

${\displaystyle [{\ce {E}}]_{0}=[{\ce {ES}}]\left({\frac {K_{m}}{\ce {[S]}}}+1+{\frac {K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}\right)=[{\ce {ES}}]{\frac {K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}{K_{i}[{\ce {S}}]}}}$

の式に戻ると、次のようになります。 ${\displaystyle V_{0}}$

${\displaystyle V_{0}=k_{2}[{\ce {ES}}]={\frac {k_{2}K_{i}[{\ce {S}}][{\ce {E}}]_{0}}{K_{m}K_{i}+K_{i}[{\ce {S}}]+K_{m}[{\ce {I}}]}}}$

${\displaystyle V_{0}={\frac {k_{2}[{\ce {E}}]_{0}[{\ce {S}}]}{K_{m}+[{\ce {S}}]+K_{m}{\frac {[{\ce {I}}]}{K_{i}}}}}}$

酵素がすべて酵素基質複合体として結合しているときに速度が最大になるため、項を置き換えて結合すると、最終的に従来の形式が得られます。 ${\displaystyle V_{\max }=k_{2}[{\ce {E}}]_{0}}$

速度の割合を生成する競合阻害剤の濃度を計算するには、次の式を使用します。 ${\displaystyle {\ce {[I]}}}$${\displaystyle f_{V{_{0}}}}$${\displaystyle V_{0}}$${\displaystyle 0<f_{V{_{0}}}<1}$

• リガンド受容体阻害に対するシルト回帰
• 非競合的阻害