酵素阻害剤

競合阻害では、基質と阻害剤は同時に酵素に結合することができません。^{[ 17 ]： 134}これは通常、阻害剤が基質も結合する酵素の活性部位に親和性を持つために起こります。基質と阻害剤は酵素の活性部位へのアクセスをめぐって競合します。このタイプの阻害は、基質の濃度を十分に高くすることで克服できます（ Vmax_は一定のままです）。つまり、阻害剤よりも基質が競合的に優位に立つことで克服できます。_{[17]：134-135 ただし、見かけのKm}^{は増加します。Km}点、つまりVmax_の半分に達するには、より高い基質濃度が必要になるためです_。競合阻害剤は、実際の基質と構造が似ていることがよくあります（例えば、 「薬剤」セクションの「メトトレキサート対葉酸」の図を参照）。^{[ 17 ]： 134}

非競合阻害では、阻害剤は酵素-基質複合体にのみ結合します。^{[ 17 ] : 139}このタイプの阻害は、Vmax_を低下させ（活性複合体の除去の結果として最大速度が低下します）、Km_を低下させます（ルシャトリエの原理による結合効率の向上と ES 複合体の効果的な除去によりKm_が低下し、結合親和性が高くなることを示しています）。^{[ 18 ]}非競合阻害はまれです。^{[ 17 ] : 139 [ 19 ]}

非競合阻害では、阻害剤が酵素に結合すると酵素の活性は低下しますが、基質の結合には影響しません。^{[ 16 ]}このタイプの阻害剤は、遊離酵素と酵素-基質複合体に対して同じ親和性で結合します。競合阻害剤と非競合阻害剤の両方の能力を持つと考えられますが、どちらのタイプにも偏りはありません。結果として、阻害の程度は阻害剤の濃度のみに依存します。反応が効率的に進行できなくなるため、Vmax_は減少しますが、基質の実際の結合は定義上、依然として適切に機能するため、Kmは同じままです_。^{[ 20 ]}

混合阻害では、基質が既に結合しているかどうかにかかわらず、阻害剤が酵素に結合する可能性があります。したがって、混合阻害は競合阻害と非競合阻害の組み合わせです。^{[ 16 ]}さらに、阻害剤の遊離酵素と酵素-基質複合体に対する親和性は異なる場合があります。^{[ 17 ]： 136-139}基質[S]の濃度を上げると、このタイプの阻害は（競合的寄与により）減少しますが、（非競合的成分により）完全に克服することはできません。^{[ 21 ]： 381-382}混合型阻害剤が活性部位に結合することは可能ですが、このタイプの阻害は一般的に、阻害剤が酵素の別の部位に結合するアロステリック効果によって生じます。このアロステリック部位への阻害剤の結合は、酵素の立体構造（つまり、三次構造または三次元形状）を変化させ、基質の活性部位への親和性を低下させます。^{[ 22 ]}

これら4種類の阻害は、一定量の阻害剤によって引き起こされる阻害の程度に対する基質濃度[S]の増加の影響によっても区別できます。競合阻害では、[S]の増加によって阻害の程度が減少し、非競合阻害では阻害の程度は変化せず、不競合阻害（反競合阻害とも呼ばれる）では[S]の増加に伴って阻害の程度が増加します。^{[ 23 ]}

可逆的阻害は、阻害剤の酵素および酵素-基質複合体への結合、および酵素の速度定数への影響という観点から定量的に記述できる。 ^{[ 24 ]： 6}古典的なミカエリス・メンテン式（「阻害機構の概略図」に示す）では、酵素（E）が基質（S）に結合して酵素-基質複合体ESを形成する。触媒作用により、この複合体は分解して生成物Pと遊離酵素を放出する。^{[ 24 ]： 55}阻害剤（I）は、それぞれ解離定数K _iまたはK _i 'でEまたはESのいずれかに結合することができる。^{[ 24 ]： 87}

• 競合阻害剤はEには結合できるが、ESには結合できない。競合阻害はKm_を増加させる（すなわち、阻害剤は基質結合を阻害する）が、Vmaxには影響を与えない（阻害剤はESに結合できないため、ESにおける触媒作用を阻害しない）_。^{[ 24 ]： 102}
• 非競合阻害剤はESに結合する。非競合阻害はKmとVmaxの両方を低下させる。阻害剤_は、酵素の基質に対する親和性を高める（Km_を低下させる）とともに、触媒作用を阻害する（Vmax_を低下させる）ことによって、基質結合に影響を与える。^{[ 24 ]： 106}
• 非競合阻害剤はEとESに対して同一の親和性を持つ（K _i = K _i '）。非競合阻害はK _mを変化させない（すなわち、基質結合に影響を与えない）が、V _maxを減少させる（すなわち、阻害剤の結合は触媒作用を阻害する）。^{[ 24 ]： 97}
• 混合型阻害剤はEとESの両方に結合するが、これら2つの酵素形態に対する親和性は異なる（K _i ≠ K _{i '）。したがって、混合型阻害剤は基質結合に影響を与え（} K _{m を}増減）、ES複合体における触媒作用を阻害する（V _maxを減少させる）。^{[ 25 ]： 63-64}

酵素が複数の基質を持つ場合、阻害剤はどの基質を考慮するかによって異なるタイプの阻害を示すことがあります。これは、活性部位内に基質ごとに異なる2つの結合部位が存在するためです。たとえば、阻害剤は最初の結合部位で基質Aと競合するかもしれませんが、2番目の結合部位では基質Bに対して非競合阻害剤となる可能性があります。^{[ 26 ]}

従来、可逆的酵素阻害剤は、 K _mとV _maxへの影響に基づいて、競合的、非競合的、または非競合的に分類されてきた。^{[ 14 ]}これらの 3 種類の阻害は、それぞれ、基質 S が存在しない状態で阻害剤が酵素 E にのみ結合する場合、酵素-基質複合体 ES にのみ結合する場合、またはその両方にのみ結合する場合に生じる。これらのクラスの区分は、その導出の問題から生じ、1 つの結合イベントに対して 2 つの異なる結合定数を使用する必要性が生じる。^{[ 27 ]}さらに、阻害剤が酵素に結合すると 100% 阻害が起こると仮定されており、部分的な阻害の可能性は考慮されていない。^{[ 27 ]}また、阻害項の一般的な形式は、阻害剤が酵素に結合することと、ミカエリス-メンテン式やリガンド受容体結合に関連する用量反応曲線など、他の結合項との関係を不明瞭にしている。この関係を示すために、次の並べ替えを行うことができる。^{[ 28 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}{\cfrac {V_{\max }}{1+{\cfrac {\ce {[I]}}{K_{i}}}}}&={V_{\max }}\left({\cfrac {K_{i}}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}\right)&&{\text{分子に }}{\cfrac {K_{i}}{K_{i}}}=1 を掛ける\\&={V_{\max }}\left({\cfrac {K_{i}+[{\ce {I}}]-[{\ce {I}}]}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}\right)&&{\text{分子に }}[{\ce {I}}]-[{\ce {I}}]=0 を加える}}\\&={V_{\max }}\left(1-{\cfrac {[{\ce {I}}]}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}\right)&&{\text{簡略化}}{\cfrac {K_{i}+[{\ce {I}}]}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}=1\\&=V_{\max }-V_{\max }{\cfrac {\ce {[I]}}{K_{i}+[{\ce {I}}]}}&&{\text{V_{\max }を掛ける}\end{aligned}}}$

この式の再編成は、ミカエリス・メンテン式と同様に、反応の最大速度が基質と相互作用する酵素集団の割合に依存することを示している。

基質に結合した酵素集団の割合

${\displaystyle {\cfrac {\ce {[S]}}{[{\ce {S}}]+K_{m}}}}$

阻害剤に結合した酵素集団の割合

${\displaystyle {\cfrac {\ce {[I]}}{[{\ce {I}}]+K_{i}}}}$

阻害剤の効果は、酵素集団のうち阻害剤と相互作用する割合によって決まる。この式の現状の問題点は、阻害剤結合による酵素の完全阻害を仮定している点である。実際には、基質回転の100%阻害から阻害なしまで、幅広い効果が生じる可能性がある。これを考慮するため、ΔVmax項_を含めることで、様々な阻害度合いに対応できるよう式を容易に修正できる。^{[ 29 ]： 361}

${\displaystyle V_{\max }-\Delta V_{\max }{\cfrac {\ce {[I]}}{[{\ce {I}}]+K_{i}}}}$

または

${\displaystyle V_{\max 1}-(V_{\max 1}-V_{\max 2}){\cfrac {\ce {[I]}}{[{\ce {I}}]+K_{i}}}}$

_{この項は、}阻害剤が集団内の個々の酵素と相互作用しているときに存在する残存酵素活性を定義することができる。ただし、この項を含めることで、二次Vmax項が初期項よりも高い場合に活性化の可能性を考慮に入れることができるという利点がある。活性化の可能性も考慮に入れるために、表記は阻害剤「I」を修飾項（刺激剤または阻害剤）である「X」に置き換えて書き換えることができる。^{[ 28 ]：式13}

${\displaystyle V_{\max 1}-(V_{\max 1}-V_{\max 2}){\cfrac {\ce {[X]}}{[{\ce {X}}]+K_{x}}}}$

この用語法は、ミカエリス・メンテン式の最大速度に関連する速度論的効果を扱う簡略化された方法をもたらす一方で、K _mに関連する効果を記述するために使用される用語の潜在的な問題点を浮き彫りにします。基質に対する酵素の親和性に関連するK _{m は、ほとんどの場合、酵素阻害剤の相互作用によって直接生じる酵素の結合部位の潜在的な変化に関連するはずです。したがって、} V _maxを調節するために上記で提案されたdelta V _max項と同様の用語が、ほとんどの場合適切であるはずです。^{[ 28 ]：式 14}

${\displaystyle K_{m1}-(K_{m1}-K_{m2}){\cfrac {\ce {[X]}}{[{\ce {X}}]+K_{x}}}}$

酵素阻害剤は、その解離定数K _iによって特徴付けられます。これは、阻害剤が酵素の半分を占める濃度です。非競合阻害では、阻害剤は酵素-基質複合体にも結合することができ、結合した基質の存在は、酵素に対する阻害剤の親和性を変化させ、結果として第 2 の解離定数K _i ' をもたらします。したがって、K _iとK _i ' は、それぞれ酵素と酵素-基質複合体に対する阻害剤の解離定数です。^{[ 30 ] :用語集}酵素阻害剤定数K _{i は}、さまざまな方法で直接測定できます。特に正確な方法の 1 つは等温滴定カロリメトリーで、阻害剤を酵素溶液に滴定し、放出または吸収される熱を測定​​します。^{[ 31 ]}しかし、酵素-基質複合体は寿命が短く、生成物を形成するために化学反応を起こしているため、もう 1 つの解離定数K _i ' を直接測定することは困難です。したがって、K _i ' は通常、さまざまな基質および阻害剤濃度での酵素活性を観察し、非線形回帰^{[ 32 ]}によってデータを修正ミカエリス・メンテン式^{[ 21 ]}に当てはめることによって間接的に測定されます。

${\displaystyle V={\frac {V_{max}[S]}{\alpha K_{m}+\alpha ^{\prime }[S]}}={\frac {(1/\alpha ^{\prime })V_{max}[S]}{(\alpha /\alpha ^{\prime })K_{m}+[S]}}}$

ここで、修飾因子αとα'は、阻害剤濃度とその2つの解離定数によって定義される。

${\displaystyle \alpha =1+{\frac {[I]}{K_{i}}}}$

${\displaystyle \alpha ^{\prime }=1+{\frac {[I]}{K_{i}^{\prime }}}.}$

したがって、阻害剤が存在する場合、酵素の実効K _mとV _maxはそれぞれ(α/α') K _mと(1/α') V _maxになります。しかし、修正ミカエリス・メンテン式は、阻害剤と酵素の結合が平衡に達していることを前提としていますが、解離定数がサブナノモルの阻害剤の場合、これは非常に遅いプロセスになる可能性があります。このような場合、阻害は実質的に不可逆的になるため、このような強固に結合する阻害剤は不可逆的として扱う方が実用的です（下記参照）。

可逆的酵素阻害剤のさまざまなタイプが酵素活性に及ぼす影響は、ミカエリス・メンテン式のグラフ表現、例えばラインウィーバー・バーク図、イーディー・ホフステー図、またはヘインズ・ウルフ図を用いて視覚化することができる。^{[ 17 ]： 140-144}ラインウィーバー・バーク図の図に示されている 3 つのラインウィーバー・バーク図がその例である。上の図では、競合阻害線がy軸上で交差しており、このような阻害剤はVmax_に影響を与えないことを示している。下の図では、非競合阻害線がx軸上で交差しており、これらの阻害剤はKm_に影響を与えないことを示している。ただし、このような図からK _iとK _i ' を正確に推定することは難しい場合があるため、^{[ 33 ]}これらの定数はより信頼性の高い非線形回帰法を用いて推定することが推奨される。^{[ 33 ]}

酵素は基質に強く結合するように進化しており、ほとんどの可逆的阻害剤は酵素の活性部位に結合するため、これらの阻害剤の一部が標的の基質と構造的に非常に似ていることは驚くべきことではありません。ジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）の阻害剤はその代表的な例です。^{[ 42 ]}これらの基質模倣体の他の例としては、 HIV/AIDS の治療に使用される治療効果のある抗レトロウイルス薬であるプロテアーゼ阻害剤があります。^{[ 43 ] [ 44 ]}上記の「競合阻害」図に示すように、3つのペプチド結合を含むペプチド模倣体（ペプチド模倣体）プロテアーゼ阻害剤であるリトナビルの構造。この薬剤は HIV プロテアーゼの基質であるペプチドに似ているため、酵素の活性部位で基質と競合します。^{[ 45 ]}

酵素阻害剤は、酵素触媒反応の遷移状態または中間体を模倣するように設計されることが多い。 ^{[ 46 ]}これにより、阻害剤は酵素の遷移状態安定化効果を利用し、基質ベースの設計よりも優れた結合親和性（低いKi _）が得られる。このような遷移状態阻害剤の例として、抗ウイルス薬オセルタミビルがある。この薬は、ウイルス酵素ノイラミニダーゼの反応における環状オキソニウムイオンの平面構造を模倣している。^{[ 47 ]}

しかし、すべての阻害剤が基質の構造に基づいているわけではありません。たとえば、別のHIVプロテアーゼ阻害剤であるチプラナビルの構造はペプチドに基づいておらず、タンパク質基質との明らかな構造的類似性はありません。これらの非ペプチド阻害剤は、ペプチダーゼの基質にならず、分解される可能性が低いため、ペプチド結合を含む阻害剤よりも安定している可能性があります。^{[ 48 ]}

薬剤設計においては、標的酵素が曝される基質の濃度を考慮することが重要である。例えば、一部のプロテインキナーゼ阻害剤は、これらの酵素の基質の一つであるATPと類似した化学構造を持つ。^{[ 49 ]}しかし、単純な競合阻害剤である薬剤は、細胞内の高濃度のATPと競合しなければならない。プロテインキナーゼは、キナーゼが基質タンパク質と相互作用する結合部位での競合によっても阻害される可能性があり、ほとんどのタンパク質は細胞内にATP濃度よりもはるかに低い濃度で存在している。したがって、2つのプロテインキナーゼ阻害剤が両方とも活性部位に同様の親和性で結合するが、ATPと競合する必要があるのは一方だけである場合、タンパク質結合部位での競合阻害剤の方が酵素をより効果的に阻害する。^{[ 50 ]}

DFP反応

不可逆阻害剤ジイソプロピルフルオロホスフェート（DFP）とセリンプロテアーゼとの反応

不可逆阻害剤は酵素の結合部位に結合した後、化学反応を起こして共有結合性の酵素-阻害剤複合体（EI*）を形成する。結合部位は青色、阻害剤は緑色で示されている。

不可逆阻害剤は酵素に共有結合するため、このタイプの阻害は容易には逆転できません。 ^{[ 51 ]}不可逆阻害剤には、窒素マスタード、アルデヒド、ハロアルカン、アルケン、マイケル受容体、フェニルスルホン酸塩、フルオロホスホネートなどの反応性官能基が含まれていることがよくあります。^{[ 52 ]}これらの求電子基はアミノ酸側鎖と反応して共有結合付加物を形成します。^{[ 51 ]}修飾される残基は、ヒドロキシル基やスルフィドリル基などの求核基を含む側鎖を持つ残基です。これには、アミノ酸のセリン（ DFPと反応します。「DFP反応」の図を参照）、システイン、トレオニン、チロシンが含まれます。^{[ 53 ]}

不可逆阻害は不可逆酵素不活性化とは異なります。^{[ 54 ]}不可逆阻害剤は一般的に特定の酵素クラスに特異的であり、すべてのタンパク質を不活性化するわけではありません。タンパク質構造を破壊するのではなく、標的の活性部位を特異的に変化させることで機能します。たとえば、極端なpHや温度は通常、すべてのタンパク質構造の変性を引き起こしますが、これは非特異的な効果です。同様に、一部の非特異的な化学処理はタンパク質構造を破壊します。たとえば、濃塩酸中で加熱すると、タンパク質を結合しているペプチド結合が加水分解され、遊離アミノ酸が放出されます。^{[ 55 ]}

不可逆阻害剤は時間依存的な阻害を示し、その効力は IC ₅₀値で特徴付けることはできません。これは、特定の濃度の不可逆阻害剤における活性酵素の量が、阻害剤が酵素とプレインキュベートされる時間によって異なるためです。代わりにk _obs /[ I ] 値が使用されます^{[ 56 ]。}ここで、 k _obsは観察された擬似一次不活性化速度 (  % 活性の対数を時間に対してプロットすることによって得られる) であり、[ I ] は阻害剤の濃度です。k obs /[ I ] パラメータは、阻害剤が酵素との結合を飽和させない限り有効です (この場合、_k obs ₌ k inact ₎。ここで、k _{inact は}不活性化速度です。

不可逆的阻害メカニズム

不可逆阻害の反応速度論的メカニズム。基質結合は青色、触媒作用は赤色、阻害剤結合は緑色、不活性化反応は濃い緑色で示されている。

不可逆阻害剤はまず酵素と可逆的な非共有結合複合体（EIまたはESI）を形成する。続いて、酵素と阻害剤の間で化学反応が起こり、共有結合修飾された「デッドエンド複合体」EI*（不可逆的な共有結合複合体）が生成される。EI*が形成される速度は不活性化速度またはk _inactと呼ばれる。^{[ 13 ]} EIの形成はESと競合する可能性があるため、不可逆阻害剤の結合は基質または2番目の可逆阻害剤との競合によって阻止される可能性がある。この保護効果は、不可逆阻害剤が活性部位と特異的に反応する良い証拠である。

この反応の結合および不活性化段階は、酵素を阻害剤とともにインキュベートし、時間の経過とともに残存する活性量を測定することによって調べられます。活性は時間依存的に減少し、通常は指数関数的減衰に従います。これらのデータを速度式に当てはめると、この阻害剤濃度での不活性化速度が得られます。これは、いくつかの異なる阻害剤濃度で行われます。可逆的なEI複合体が関与している場合、不活性化速度は飽和し、この曲線に当てはめるとk _inactとK _iが得られます。^{[ 57 ]}

これらの分析で広く用いられているもう1つの方法は質量分析法です。ここでは、未修飾の天然酵素と不活性化酵素の質量を正確に測定することで、阻害剤との反応によって生じた質量の増加が分かり、反応の化学量論が示されます。^{[ 58 ]}これは通常、MALDI-TOF質量分析計を用いて行われます。^{[ 59 ]}相補的な手法として、ペプチド質量フィンガープリンティングでは、トリプシンなどのプロテアーゼを用いて天然および修飾タンパク質を消化します。これにより、質量分析計を用いて分析できる一連のペプチドが生成されます。阻害剤との反応後に質量が変化するペプチドが、修飾部位を含むペプチドとなります。^{[ 60 ]}

すべての不可逆阻害剤が標的酵素と共有結合付加物を形成するわけではありません。一部の可逆阻害剤は標的酵素に非常に強く結合するため、実質的に不可逆的です。これらの強く結合する阻害剤は、共有結合不可逆阻害剤と同様の速度論を示す場合があります。これらの場合、これらの阻害剤の一部は低親和性のEI複合体で酵素に急速に結合し、その後、非常に強く結合したEI*複合体へのより遅い再配列を起こします（「不可逆阻害機構」の図を参照）。この速度論的挙動は、遅い結合と呼ばれます。^{[ 62 ]}結合後のこの遅い再配列には、酵素が阻害剤分子の周りを「締め付ける」ため、多くの場合、構造変化が伴います^{。遅い結合阻害剤の例には、メトトレキサート[63]、アロプリノール[} 64 ] 、^{アシクロビルの活性} 型[ 65 ^]などの重要^な薬剤が含まれます。

ジイソプロピルフルオロリン酸（DFP）は不可逆的プロテアーゼ阻害剤の一例である（「DFP反応」の図を参照）。酵素はリン-フッ素結合を加水分解するが、リン酸残基は活性部位のセリンに結合したままで、セリンを不活性化する。^{[ 67 ]}同様に、DFPはニューロンのシナプスにあるアセチルコリンエステラーゼの活性部位とも反応し、結果として強力な神経毒となり、致死量は100mg未満である。^{[ 68 ]} 

自殺阻害は、酵素が活性部位で阻害剤を反応性形態に変換するという、珍しいタイプの不可逆的阻害である。^{[ 69 ]}例として、ポリアミン生合成阻害剤であるα-ジフルオロメチルオルニチン（DFMO）が挙げられる。DFMOはアミノ酸オルニチンの類似体であり、アフリカトリパノソーマ症（睡眠病）の治療に用いられる。オルニチン脱炭酸酵素は、オルニチンの代わりにDFMOの脱炭酸を触媒することができる（「DFMO阻害剤メカニズム」の図を参照）。しかし、この脱炭酸反応に続いてフッ素原子が脱離し、この触媒中間体が共役イミン、すなわち非常に求電子性の高い種に変換される。このDFMOの反応性形態は、活性部位のシステインまたはリジン残基のいずれかと反応し、酵素を不可逆的に不活性化する。^{[ 61 ]}

不可逆的阻害は、多くの場合、非共有結合性の酵素阻害剤（EI）複合体の初期形成を伴うため、^{[ 13 ]}阻害剤が酵素に複数の方法で結合する可能性がある。たとえば、ヒト原虫寄生虫Trypanosoma cruzi由来のトリパノチオ​​ン還元酵素を示す図では、キナクリンマスタードと呼ばれる阻害剤の 2 分子が活性部位に結合している。上の分子は可逆的に結合しているが、下の分子は窒素マスタード基を介してアミノ酸残基と反応しているため共有結合している。^{[ 70 ]}

酵素阻害は、細胞における代謝経路制御の一般的な特徴である。 ^{[ 3 ]} 経路を通る代謝フラックスは、多くの場合、その経路の代謝産物が同じ経路の酵素の阻害剤および促進剤として作用することによって調節される。解糖経路はその典型的な例である。^{[ 76 ]}この異化経路はグルコースを消費し、 ATP、NADH、およびピルビン酸を生成する。解糖の調節の重要なステップは、ホスホフルクトキナーゼ-1（PFK1）によって触媒される経路の初期反応である。ATPレベルが上昇すると、ATPはPFK1のアロステリック部位に結合して酵素反応の速度を低下させる。解糖は阻害され、ATP生成は減少する。この負のフィードバック制御は、細胞内のATP濃度を一定に保つのに役立つ。しかし、代謝経路は阻害によってのみ調節されるわけではなく、酵素活性化も同様に重要である。 PFK1に関しては、フルクトース2,6-ビスリン酸とADPはアロステリック活性化因子である代謝物の例である。^{[ 77 ]}

生理的な酵素阻害は、特定のタンパク質阻害剤によっても引き起こされる。このメカニズムは、チモーゲンと呼ばれる多くの消化前駆酵素を合成する膵臓で起こる。これらの多くはトリプシンプロテアーゼによって活性化されるため、膵臓が自己消化するのを防ぐために、膵臓におけるトリプシンの活性を阻害することが重要である。トリプシンの活性を制御する方法の1つは、膵臓で特異的かつ強力なトリプシン阻害タンパク質を産生することである。この阻害剤はトリプシンに強く結合し、そうでなければ臓器に有害となるトリプシンの活性を阻害する。^{[ 78 ]}トリプシン阻害剤はタンパク質であるが、トリプシンの活性部位から水を排除し、遷移状態を不安定化させることで、プロテアーゼによる基質としての加水分解を回避する。^{[ 79 ]}生理的な酵素阻害タンパク質の他の例としては、細菌リボヌクレアーゼであるバルナーゼのバースター阻害剤が挙げられる。^{[ 80 ]}

動物や植物は、二次代謝産物^{[ 81 ]}、ペプチドやタンパク質^{[ 82 ]}など、阻害剤として作用する多種多様な有毒物質を合成するように進化してきた。天然毒素は通常、小さな有機分子であり、非常に多様であるため、おそらくほとんどの代謝プロセスに対する天然の阻害剤が存在する。^{[ 83 ]}天然毒素が標的とする代謝プロセスは、代謝経路の酵素だけでなく、細胞内の受容体、チャネル、構造タンパク質の機能の阻害も含まれる。例えば、太平洋イチイの木に含まれる有機分子であるパクリタキセル（タキソール）は、チューブリン二量体に強く結合し、細胞骨格内の微小管への組み立てを阻害する。^{[ 84 ]}

多くの天然毒は神経毒として作用し、麻痺を引き起こして死に至る可能性があり、捕食者に対する防御や獲物の狩猟・捕獲に機能します。これらの天然阻害剤の中には、毒性があるにもかかわらず、低用量での治療用途に有用なものもあります。^{[ 85 ][86]神経毒の}一例として、ナス科（ジャガイモ、トマト、ナスなど）の植物種由来のグリコアルカロイドがあり、これはアセチルコリンエステラーゼ阻害剤です。この酵素の阻害により、アセチルコリン神経伝達物質が制御不能に増加し、筋麻痺、そして死に至ります。神経毒性は受容体の阻害によっても引き起こされることがあります。例えば、ベラドンナ（Atropa belladonna）由来のアトロピンは、ムスカリン性アセチルコリン受容体の競合拮抗薬として機能します。^{[ 87 ]}

多くの天然毒素は二次代謝産物ですが、これらの毒物にはペプチドやタンパク質も含まれます。毒性ペプチドの一例として、タマゴテングタケの近縁種に見られるα-アマニチンがあります。これは強力な酵素阻害剤であり、この場合はRNAポリメラーゼII酵素によるDNAの転写を阻害します。^{[ 88 ]}藻類毒素であるミクロシスチンもペプチドであり、タンパク質ホスファターゼの阻害剤です。^{[ 89 ]}この毒素は藻類の大発生後に水源を汚染する可能性があり、発がん性物質として知られており、高用量では急性肝出血や死を引き起こす可能性もあります。^{[ 90 ]}

タンパク質は、一部の豆類に含まれるトリプシン阻害剤（上記の「代謝調節」の項で説明）のように、天然の毒物または抗栄養素となることもあります。^{[ 91 ]}あまり一般的ではない毒素のクラスとして、毒性酵素があります。これらは標的酵素の不可逆的阻害剤として働き、基質酵素を化学的に修飾することによって作用します。例として、ヒマシ油豆に含まれる非常に強力なタンパク質毒素であるリシンが挙げられます。^{[ 92 ]}この酵素はリボソームを不活性化するグリコシダーゼです。 ^{[ 93 ]}リシンは触媒的不可逆的阻害剤であるため、たった1分子のリシンで細胞を死滅させることができます。^{[ 94 ]}

酵素阻害剤の最も一般的な用途は、疾患の治療薬としてです。これらの阻害剤の多くはヒトの酵素を標的とし、病理学的状態を改善することを目的としています。たとえば、アスピリンはシクロオキシゲナーゼ酵素の自殺阻害剤として作用する広く使用されている薬です。^{[ 95 ]}この阻害により炎症誘発性プロスタグランジンの産生が抑制されるため、アスピリンは痛み、発熱、炎症を軽減するために使用できます。^{[ 95 ]}

2017年現在、承認された医薬品の約29%は酵素阻害剤であり^{[ 96 ]、}そのうち約5分の1はキナーゼ阻害剤である^{[ 96 ]}。キナーゼ薬の標的として注目すべきクラスは受容体チロシンキナーゼであり、これは細胞増殖を調節する必須酵素である。これらの過剰活性化は癌を引き起こす可能性がある。そのため、イマチニブなどのキナーゼ阻害剤は悪性腫瘍の治療によく使用される^{[ 97 ]} 。ヤヌスキナーゼは、薬の酵素標的のもう1つの注目すべき例である。ヤヌスキナーゼ阻害剤は炎症性サイトカインの産生を阻害するため、これらの阻害剤は関節炎、喘息、クローン病などのさまざまな炎症性疾患の治療に使用される^{[ 98 ]}。

阻害剤が標的とする酵素の基質と構造的に類似している例を、薬剤メトトレキサートと葉酸を比較した図に示します。葉酸は、メトトレキサートによって強力に阻害される酵素であるジヒドロ葉酸還元酵素の基質の酸化型です。メトトレキサートはジヒドロ葉酸還元酵素の作用を阻害し、それによってチミジン生合成を停止させます。^{[ 42 ]}このヌクレオチド生合成の阻害は、急速に増殖する細胞に対して選択的に毒性があるため、メトトレキサートはがん化学療法でよく使用されます。^{[ 99 ]}

勃起不全の一般的な治療法はシルデナフィル（バイアグラ）です。 ^{[ 100 ]}この化合物は、シグナル伝達分子である環状グアノシン一リン酸を分解する酵素であるcGMP特異的ホスホジエステラーゼ5型の強力な阻害剤です。^{[ 101 ]}このシグナル伝達分子は平滑筋の弛緩を引き起こし、陰茎海綿体への血流を可能にし、勃起を引き起こします。この薬はシグナルを停止させる酵素の活性を低下させるため、このシグナルがより長い時間持続します。

抗生物質

薬剤は、病原体の生存に必要な酵素を阻害するためにも使用されます。たとえば、細菌はペプチドグリカンと呼ばれる網状のポリマーでできた厚い細胞壁に囲まれています。ペニシリンやバンコマイシンなどの多くの抗生物質は、このポリマーの鎖を生成して架橋する酵素を阻害します。^{[ 102 ] [ 103 ]}これにより、細胞壁の強度が失われ、細菌が破裂します。図では、ペニシリン分子（ボールアンドスティック形式で表示）が、細菌Streptomyces R61由来のトランスペプチダーゼ（タンパク質はリボン図で表示）という標的に結合している様子が示されています。

抗生物質の薬剤設計は、病原体の生存に不可欠な酵素がヒトには存在しないか、あるいは大きく異なる場合に容易になります。^{[ 104 ]}ヒトはペプチドグリカンを合成しないため、このプロセスを阻害する抗生物質は細菌に対して選択的に毒性を示します。^{[ 105 ]}また、細菌のリボソームの構造の違い^{[ 106 ]}や、脂肪酸の合成方法の違い^{[ 107 ]}を利用することによっても、抗生物質に選択的な毒性が生み出されます。

多くの農薬は酵素阻害剤です。^{[ 114 ]}アセチルコリンエステラーゼ（AChE）は、昆虫からヒトまで動物に存在する酵素です。神経伝達物質アセチルコリンをその構成要素である酢酸とコリンに分解するメカニズムにより、神経細胞の機能に不可欠です。^{[ 115 ]}これは、セロトニン、ドーパミン、ノルアドレナリンなど、ほとんどの神経伝達物質がシナプス間隙から吸収されるのに対し、切断されるわけではないため、神経伝達物質の中ではやや珍しいことです。多数のAChE阻害剤が医療と農業の両方で使用されています。^{[ 116 ]}エドロホニウム、フィゾスチグミン、ネオスチグミンなどの可逆的競合阻害剤は、重症筋無力症の治療^{[ 117 ]}や麻酔で筋遮断を解除するために使用されます。^{[ 118 ]}カルバメート系殺虫剤も可逆的AChE阻害剤の例である。マラチオン、パラチオン、クロルピリホスなどの有機リン系殺虫剤はアセチルコリンエステラーゼを不可逆的に阻害する。^{[ 119 ]}

除草剤グリホサートは3-ホスホシキミ酸1-カルボキシビニルトランスフェラーゼの阻害剤であり^{[ 120 ]}、スルホニル尿素などの他の除草剤はアセトラクテートシンターゼという酵素を阻害する^{[ 121 ]}。これらの酵素はどちらも植物が分岐鎖アミノ酸を作るために必要である。脂質やカロテノイドの生合成、光合成や酸化的リン酸化の過程に必要な酵素など、他の多くの酵素も除草剤によって阻害される^{[ 122 ]}。