可逆性抑制劑

可逆抑制劑常用於藥物發現研究，因為它們有助於研究酶的活性，而不會永久性地改變酶。請繼續閱讀，瞭解各種類型的可逆抑制劑及其動力學，包括常見的類型：競爭型、非競爭型和非競爭型。

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• 什麼是可逆抑制劑？
• 非競爭性抑制劑
• 異構抑制劑
• 終端產品抑制劑

什麼是可逆抑制劑？

可逆抑制劑是對酵素沒有永久影響的抑制劑，也就是說，一旦移除這些抑制劑，酵素又可以正常運作（也就是說，抑制作用很容易逆轉）。它們以氫鍵、離子鍵和疏水相互作用等非共價作用可逆地與酵素結合（圖 1）。另外，不可逆的抑制劑也可以與酵素發生共價反應，誘發化學變化來改變酵素活性所需的關鍵胺基酸。

圖 1. 可逆酶抑制的一般方案。

此外，需要注意的是，當酶可以作用於不同的底物時，抑制劑可以根據考慮的底物顯示出不同類型的抑制作用。出現這種情況的原因是活性位點可能有不同的結合位點，每種底物有一個結合位點。因此，抑制劑可以在第一個結合位點與底物 A 競爭，而對於底物 B 則以非競爭方式作用於第二個結合位點。

可逆抑制劑主要有三種類型：競爭型、非競爭型和非競爭型。

競爭性抑制劑

在競爭性抑制中，抑制劑通常與天然底物具有結構相似性，並與底物競爭進入活性位點（圖 2）。抑制劑對活性位點有親和力，如果它比底物結合得更緊，那麼它就是有效的競爭性抑制劑。相反，如果它的結合程度較低，就會被認為是不良的抑制劑。

競爭性抑制劑的例子包括：

• 甲氨蝶呤，一種抗癌劑
  • 抑制參與四氫葉酸合成的二氫葉酸還原酶的活性<
• 枸櫞酸西地那非，一種平滑肌鬆弛劑

在競爭性抑制中，競爭性抑制劑只能與游離酶結合，而不能與酶-底物複合物結合。因此，可以通過增加反應混合物中底物的濃度來克服抑制。  通過與底物的競爭，V_max 仍然可以達到。然而，在有抑制劑的情況下，底物濃度必須增加才能達到 V_max。這會增加 K_m 值。

圖 2. 競爭性抑制的簡化模型。

對於競爭性抑制，我們可以確定 K_i，即抑制常數，也就是酵素-抑制劑複合物的解離常數。K_i 值越低，表示降低反應速率所需的抑制劑量越少。此關係可簡化為：

研究競爭性抑制劑效果時的一般提示是在培養基中加入適量的底物。過量的底物會競爭過抑制劑。您應該總是在沒有抑制劑的情況下進行對照反應。

競爭性抑制的動力學

競爭性抑制的動力學結果可以用 Lineweaver-Burk 繪圖來表示 (圖 3)。由於 K_m 會因競爭性抑制作用而增加，因此在有抑制劑存在時，X-截距會移近原點。當我們增加抑制劑濃度時，K_m 會進一步增加，X-截距會更靠近原點。請注意，所有線都經過相同的 Y-截距，因為競爭性抑制劑不會影響 V_max。

圖 3. 競爭性抑制動力學。

有時候，酵素可能會遵循部分競爭性抑制的動力學。此過程類似於競爭性抑制，但酵素-底物-抑制劑複合物 (ESI) 可能表現出部分活性。此類抑制顯示較低的 V_max，但 K_m 不受影響。在完全競爭性抑制下，當抑制劑濃度增加時，反應速度會趨向零。然而，在部分抑制的情況下，酵素會轉換成改良過的、但仍有一定功能的 ESI 複合物。

非競爭性抑制劑

非競爭性抑制劑僅與酵素-底物 (ES) 複合物結合。非競爭性抑制不應與非競爭性抑制混淆。非競爭性抑制劑不與酵素的活性位點結合，也不必與底物相似。在非競爭性抑制中，V_max 會因為活化的 ES 複合物被移除而降低。ESI 複合物的數量取決於抑制劑的濃度。ES 複合物的消除也會導致 K_m 降低。此關係可表示為：

非競爭性抑制的動力學

在非競爭性抑制中，K_m 和 V_max 會以相同的速度同時下降。換句話說，V_max/K_m 沒有改變。 圖 4 顯示，使用非競爭性抑制劑時，1/V_max 會增加。因此，Y-截距上移。抑制作用也會增加 1/K_m，增加的程度會維持 K_m/V_max 的比率，也就是曲線的斜率。因此，非競爭性抑制的 Lineweaver-Burk 圖是平行的，有抑制劑和沒有抑制劑都是平行的。

圖 4. 非競爭性抑制的動力學。

非競爭性抑制相對罕見，但可能發生在多聚酶系統中。從進化的角度來看，這一點很重要，因為在代謝途徑中，非競爭性抑制對代謝中間物濃度的影響可能比競爭性抑制更大，甚至可能增加毒性。草酸鹽就是一個非競爭性可逆抑制劑的例子，它會抑制乳酸脫氫酶。

非競爭性抑制劑

在非競爭性抑制中，抑制劑的結合會降低酵素活性，但不會影響底物的結合（圖 5）。因此，抑制程度僅取決於抑制劑的濃度。洋地黄就是非竞争性可逆抑制剂的一个例子，它可以阻断 Na⁺-K⁺ ATP 酶的活性，用于治疗心律失常。這些非競爭性抑制劑與底物結合位點以外的位點非共價性結合。抑制劑的結合不會影響底物結合位點的可用性。因此，底物和抑制劑的結合是相互獨立的，而且抑制作用不能通過增加底物濃度來克服。

圖 5. 非競爭性抑制的簡化模型。

非競爭性抑制的動力學

非競爭性抑制劑對酵素和 ES 複合物具有相同的親和力；因此，K_i = K「_I （ES 複合物解離常數 = K」_i）。因此，V_max 會降低，但 K_m 不受影響。在存在非競爭性抑制劑的情況下，V_max 無法達到。非競爭性抑制的平衡狀態可簡化如下：

非競爭性抑制劑的效果以圖形顯示在 圖 6中。由於 Y-截距為 1/V_max，當 V_max 減小時，1/V_max 會增加。然而，對於任何濃度的非競爭性抑制劑，K_m 都保持相同。因此，所有線都經過相同的 X-截距。

圖 6. 非競爭性抑制的動力學。

混合型抑制劑

在某些情況下，抑制劑可以同時與游離酵素（解離常數 K_i）和 ES 複合物（解離常數 K'_i ）結合。sub>i）和 ES 複合物（解離常數 K'_i）結合。然而，它們的親和力不同，因此 K_i ≠ K'_i。在此，加入更多的底物可以減少抑制劑的結合，但抑制作用不能像競爭性抑制那樣被完全克服。混合型抑制的一個例子是鈀離子對黃嘌呤氧化酶的抑制。

混合型抑制的動力學

混合型抑制劑會干擾結合，降低翻轉的效果。這類型的抑制多半是異位抑制，抑制劑結合到活性位點以外的位點，造成酵素結構的構象改變，降低底物對活性位點的親和力。因此，K_m增加，而 V_max 降低（圖 7）。

圖 7. 混合型抑制動力學。

Michaelis-Menten kinetics。它們通常在細胞中扮演調節的角色。它們透過作用分子（活化劑和抑制劑）與其調節位點的可逆、非共價結合來發揮功能。激活劑的結合會促進活性形態和酶的活性，而抑制劑與調節位點的結合會使異位酶採用非活性形態，並導致活性降低（圖 8）。

圖 8. 異位抑制模型。

當一種配體的結合降低了其他活性位點對底物的親和力時，就發生了異位抑制。異位抑制的一個典型例子是磷酸果糖激酶 (PFK)。PFK 催化 6-磷酸果糖磷酸化形成 1-6-二磷酸果糖。當 ATP 水平增加時，PFK 的活性會受到異位抑制。ATP 結合到 PFK 上的異構位點，導致酵素的形狀改變。

異構酶的活性和非活性形式存在於一種平衡狀態，這種平衡狀態取決於底物和抑制劑的相對濃度。異構抑制劑的結合會使酶採用非活性的構象，並能促進第二種抑制劑的合作結合。

異構抑制的動力學

異構抑制劑的動力學會產生一條等腰曲線，而不是雙曲線。這是因為這些酵素擁有多個結合位點，可以結合一個以上的底物分子。當 [S] 足夠高時，它們與底物會呈現飽和狀態。在此弧形反應曲線中，反應速度達到半最大值的底物濃度不能指定為 K_m，因為 Michaelis-Menten 模型並不適用。取而代之，符號 [S]_0.5 或 K_0.5 用來表示觀察到半最大速度時的底物濃度。

終產物抑制劑

許多酵素催化的反應都是依序發生的，在生化通路中，一個反應的產物會成為下一個反應的底物。如果通路的終產物累積到超過所需的數量，那麼這個終產物就會抑制第一個酵素的活性。當一個通路的終產物與該通路第一個酵素上的異位點結合在一起時，該通路就會被關閉（圖 9）。

圖 9. 在終產物抑制中，通路的終產物 (D) 可以直接與將 A 轉換成 B 的酵素結合 (並抑制)，進而關閉通路。

在結合時，酵素會發生構象改變，無法與第一個底物發生反應。這是一種生物控制形式，可防止產品過度堆積。一個例子是 L-蘇氨酸脫水酶催化 L-蘇氨酸形成 L-異亮氨酸，而 L-異亮氨酸會強烈抑制 L-異亮氨酸。

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