非競合的阻害

非競合阻害は酵素阻害の一種で、阻害剤が酵素の活性を低下させ、すでに基質に結合しているかどうかに関係なく、酵素に同様に結合します。^[1]これは、阻害剤の存在下で酵素内の基質への結合親和性が低下する 競合阻害とは異なります。

阻害剤は基質がすでに結合しているかどうかにかかわらず酵素に結合する可能性があるが、いずれかの状態で酵素に結合する親和性が高い場合は混合阻害剤と呼ばれる。^[1]

医師として働いていた頃、レオノール・ミカエリス と友人のピーター・ローナは病院内にコンパクトな研究室を作り、5年間で100回以上論文を発表するに至った。病院での研究中に、彼は阻害の種類の違いを初めて発見した。具体的には、マルターゼ活性の阻害剤としてフルクトースとグルコースを使用した。マルターゼはマルトースを2つのグルコースに分解する。この実験から得られた知見により、非競合阻害と競合阻害の分岐が可能になった。非競合阻害は、任意のグラフ上のk _cat値（K _mには影響しない）に影響する。この阻害剤は、特定の分子に特異性を持つ部位に結合する。ミカエリスは、阻害剤が結合すると酵素が不活性化することを突き止めた。^[2]

レオノール・ミカエリスとモード・メンテンは、当時の他の多くの科学者と同様に、スクロースの組成を変えてそれをフルクトースとグルコースの2つの生成物に分解する反応に取り組んでいました。^[2]この反応に関与する酵素はインベルターゼと呼ばれ、ミカエリスとメンテンは、その反応速度論が他の酵素の反応速度論にとって革命的であると主張しました。研究された反応の速度を表現する際に、彼らは反応速度が主に酵素濃度と基質の存在に依存することを示唆する式を導き出しました。ただし、その程度は限られていました。^{[2] [3]}

エイドリアン・ジョン・ブラウンとヴィクター・アンリは、ミカエリスとメンテンが有名になった酵素反応速度論の発見の基礎を築きました。 ^[4]ブラウンは、現在酵素反応速度論として受け入れられているメカニズムを理論的に思い描いていましたが、主張するための定量的なデータはありませんでした。^[4]ヴィクター・アンリは博士論文で酵素反応速度論に多大な貢献をしましたが、水素イオン濃度とグルコースの変旋光の重要性について言及していませんでした。アンリの論文の目的は、酵素触媒反応に関する彼の知識を、物理化学の認められた法則と比較することでした。^[2]アンリは、現在ミカエリス・メンテン式として知られる式を最初に書いたとされています。マルターゼとインベルターゼによって制御される触媒反応でグルコースとフルクトースを使用したレオノール・ミカエリスは、アンリの時代には存在しなかった pH スケールを使用して、異なるタイプの阻害を区別した最初の科学者でした。^[2]

特に、この反応の速度を記述する作業中に、彼らは別の科学者であるヴィクトル・アンリのアイデアもテストし、推測しました。それは、彼らが使用していた酵素がこの反応の生成物であるフルクトースとグルコースの両方にいくらか親和性を持っているというものでした。 ^{[2] [3]}アンリの方法を使用して、ミカエリスとメンテンは、定常状態実験に対する初期速度法の概念をほぼ完成させました。彼らは阻害を研究していたときに、非競合的（混合）阻害はk _cat（触媒速度）への影響によって特徴付けられるのに対し、競合的阻害は速度（V）への影響によって特徴付けられることを発見しました。^[2]ミカエリスとメンテンの実験では、彼らは水素イオンを使用するインベルターゼのpH効果に重点を置きました。^{[2]インベルターゼは細胞外酵母に含まれる酵素で、スクロース（スクロースとフルクトースの混合物）を加水分解または転化して「}転化糖」にする反応を触媒しました。転化酵素を使用した主な理由は、簡単に分析でき、実験をより迅速に行うことができるためです。スクロースは旋光計で右旋性-Dとして回転しますが、転化糖は左旋性-Lです。これにより、糖の転化の追跡は比較的簡単になりました。彼らはまた、転化酵素によって触媒される反応でα-D-グルコースが放出され、これが非常に不安定で、自発的にβ-D-グルコースに変化することを発見しました。^[4]これらは両方とも右旋性の形ですが、これはグルコースが自発的に変化する可能性があることを彼らが指摘した部分です。これは変旋光としても知られています。これを考慮に入れなかったことが、アンリの実験が不十分だった主な理由の1つでした。スクロースの転化を触媒するために転化酵素を使用すると、彼らは酵素がどれだけ速く反応しているかを旋光計で見ることができました。したがって、スクロースが転化酵素によって転化された反応では非競合的阻害が起こることがわかりました。^[2]

非競合的阻害剤はすべて酵素のアロステリック部位（活性部位以外の場所）に結合するが、アロステリック部位に結合する阻害剤のすべてが非競合的阻害剤であるとは限らないことに注意する必要がある。^[1] 実際、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剤として作用する可能性がある。^[1]

多くの情報源では、これら2つの用語を混同し続けており、^[5]アロステリック阻害の定義を非競合阻害の定義として述べています。

非競合阻害は、阻害剤と基質の両方がいつでも酵素に結合する可能性があるシステムをモデル化します。基質と阻害剤の両方が結合すると、酵素-基質-阻害剤複合体は生成物を形成できず、酵素-基質複合体または酵素-阻害剤複合体にのみ変換できます。非競合阻害は、阻害剤が酵素と酵素-基質複合体に対して同等の親和性を持つという点で、一般的な混合阻害と区別されます。

例えば、解糖系の酵素触媒反応では、蓄積したホスホエノールがピルビン酸キナーゼによってピルビン酸に触媒されます。アラニンはピルビン酸から合成されるアミノ酸で、解糖系では酵素ピルビン酸キナーゼを阻害します。アラニンは非競合的阻害剤であるため、活性部位から基質に結合して、最終生成物のままになります。^[6]

非競合的阻害のもう一つの例は、脳内のヘキソキナーゼを阻害するグルコース-6-リン酸である。グルコース-6-リン酸の炭素2と4にはヒドロキシル基が含まれており、これが炭素6のリン酸とともに酵素阻害剤複合体に結合する。阻害剤が結合する基の組み合わせは基質と酵素で異なる。グルコース-6-リン酸は同時に異なる場所に結合できるため、非競合的阻害剤となる。^[7]

非競合阻害の最も一般的なメカニズムは、アロステリック部位への阻害剤の可逆的な結合を伴いますが、阻害剤が活性部位への直接結合を含む他の手段を介して作用する可能性もあります。阻害剤の結合は基質の結合を妨げず、その逆も同様ですが、限られた時間だけ生成物の形成を妨げるという点で、競合阻害とは異なります。

このタイプの阻害は、触媒の基質に対する見かけの結合親和性（K m app – ミカエリス・メンテン反応速度論を参照）を変えることなく、化学反応_の^最大速度を低下させます。非競合的阻害剤を添加すると、Vmax は変化しますが、Km は変化しません。ラインウィーバー・バークプロットによると、非競合的阻害剤の添加中に Vmax が低下し、非競合的阻害剤を添加した場合の傾きと y 切片の両方が変化することでプロットに表示されます。^[8]

競合的阻害と非競合的阻害の主な違いは、競合的阻害では、基質の代わりに阻害剤を結合することで基質の結合能力に影響し、酵素の基質に対する親和性が低下することです。非競合的阻害では、阻害剤がアロステリック部位に結合し、酵素-基質複合体が化学反応を起こすのを防ぎます。これは、酵素の Km (親和性) (基質に対する) には影響しません。非競合的阻害は、基質が酵素-阻害剤複合体に結合して酵素-基質-阻害剤複合体を形成することを依然として許可するという点で非競合的阻害と異なりますが、これは非競合的阻害には当てはまらず、アロステリック結合時の構造変化によって基質が酵素阻害剤に結合するのを防ぎます。

非競合的阻害剤が存在する場合、見かけの酵素親和性は実際の親和性と等しくなります。ミカエリス・メンテン反応速度論では、K _m ^app = K _{mです。阻害剤は酵素と酵素基質複合体の両方に等しく結合し、平衡が維持されるため、これは}ルシャトリエの原理の結果と見ることができます。ただし、一部の酵素は常に基質を生成物に変換することを阻害されるため、有効な酵素濃度は低下します。

数学的には、

${\displaystyle V_{max}^{app}={\frac {V_{max}}{1+{\frac {[I]}{K_{I}}}}}}$

${\displaystyle {見かけの\ [E]_{0}}={\frac {[E]_{0}}{1+{\frac {[I]}{K_{I}}}}}}$

CYP2C9 酵素の非競合的阻害剤には、ニフェジピン、トラニルシプロミン、フェネチルイソチオシアネート、6-ヒドロキシフラボンなどがある。コンピュータドッキングシミュレーションと構築された置換変異体から、6-ヒドロキシフラボンの非競合的結合部位がCYP2C9 酵素の報告されているアロステリック結合部位であることが示唆されている。^[9]