Ligand (biochimie) - Ligand (biochemistry)

Mioglobina (albastră) cu ligandul său hem (portocaliu) legat. Bazat pe PDB : 1MBO

În biochimie și farmacologie , un ligand este o substanță care formează un complex cu o biomoleculă pentru a servi unui scop biologic. Etimologia provine din ligare , care înseamnă „a lega”. La legarea proteinei-ligand, ligandul este de obicei o moleculă care produce un semnal prin legarea la un site de pe o proteină țintă . Legarea are ca rezultat de obicei o schimbare a izomerismului conformațional (conformației) proteinei țintă. În studiile de legare ADN-ligand, ligandul poate fi o moleculă mică, ion sau proteină care se leagă de dubla helix ADN . Relația dintre ligand și partenerul de legare este o funcție de sarcină, hidrofobicitate și structură moleculară. Instanța legării are loc într-un interval infinitesimal de timp și spațiu, astfel încât constanta de rată este de obicei un număr foarte mic.

Legarea are loc prin forțe intermoleculare , cum ar fi legături ionice , legături de hidrogen și forțe Van der Waals . Asocierea sau andocarea este de fapt reversibilă prin disociere. Legătura covalentă măsurabilă ireversibilă între un ligand și molecula țintă este atipică în sistemele biologice. Spre deosebire de definiția ligandului în chimia metalorganică și anorganică , în biochimie este ambigu dacă ligandul se leagă în general la un situs metalic , așa cum este cazul hemoglobinei . În general, interpretarea ligandului este contextuală cu privire la ce fel de legare a fost observată.

Legarea ligandului la o proteină receptoră modifică conformația prin afectarea orientării formei tridimensionale. Conformația unei proteine ​​receptoare compune starea funcțională. Liganzii includ substraturi , inhibitori , activatori , lipide de semnalizare și neurotransmițători . Rata de legare se numește afinitate , iar această măsurare caracterizează o tendință sau forță a efectului. Afinitatea de legare este actualizată nu numai de interacțiunile gazdă-oaspete , ci și de efectele solventului care pot juca un rol dominant, steric , care determină legarea non-covalentă în soluție. Solventul asigură un mediu chimic pentru adaptarea ligandului și receptorului și astfel se acceptă sau se resping reciproc ca parteneri.

Radioligandii sunt compuși etichetați cu radioizotopi folosiți in vivo ca trasori în studiile PET și pentru studiile de legare in vitro .

Afinitate de legare receptor / ligand

Interacțiunea liganzilor cu situsurile lor de legare poate fi caracterizată în termeni de afinitate de legare. În general, legarea ligandului cu afinitate ridicată rezultă din forțe de atracție mai mari între ligand și receptorul său, în timp ce legarea ligandului cu afinitate mică implică o forță de atracție mai mică. În general, legarea cu afinitate ridicată are ca rezultat o ocupare mai mare a receptorului de către ligandul său decât este cazul legării cu afinitate mică; timpul de ședere (durata de viață a complexului receptor-ligand) nu se corelează. Legarea liganților cu afinitate ridicată de receptori este adesea importantă din punct de vedere fiziologic atunci când o parte din energia de legare poate fi utilizată pentru a provoca o schimbare conformațională a receptorului, rezultând un comportament modificat, de exemplu, al unui canal ionic asociat sau a unei enzime .

Un ligand care se poate lega și modifica funcția receptorului care declanșează un răspuns fiziologic se numește receptor agonist . Liganzii care se leagă de un receptor dar nu reușesc să activeze răspunsul fiziologic sunt antagoniști ai receptorilor .

Doi agoniști cu afinitate de legare similară

Legarea agonistă de un receptor poate fi caracterizată atât în ​​ceea ce privește cât de mult poate fi declanșat răspunsul fiziologic (adică eficacitatea ), cât și în ceea ce privește concentrația agonistului care este necesară pentru a produce răspunsul fiziologic (adesea măsurat ca EC 50 , concentrația necesară pentru a produce răspunsul pe jumătate maxim). Legarea ligandului cu afinitate ridicată implică faptul că o concentrație relativ scăzută a unui ligand este adecvată pentru a ocupa maxim un situs de legare a ligandului și a declanșa un răspuns fiziologic. Afinitatea receptorului este măsurată printr-o constantă de inhibare sau o valoare K i , concentrația necesară pentru a ocupa 50% din receptor. Ligand afinități sunt cel mai adesea măsurate indirect ca un IC 50 de valoare dintr - un experiment de legare competiție în care concentrația unui ligand necesară pentru a înlocui 50% dintr - o concentrație fixă de referință a ligandului este determinată. Valoarea K i poate fi estimată de la IC 50 prin ecuația Cheng Prusoff . Ligand afinități pot fi măsurate în mod direct ca o constantă de disociere (K d ) folosind metode cum ar fi stingerea fluorescentei , titrare izotermă calorimetria sau rezonanța plasmonului de suprafață .

Legarea cu afinitate scăzută (nivel ridicat de K i ) implică faptul că este necesară o concentrație relativ mare a unui ligand înainte ca situsul de legare să fie ocupat maxim și să se obțină răspunsul fiziologic maxim la ligand. În exemplul prezentat în dreapta, doi liganzi diferiți se leagă de același site de legare a receptorilor. Doar unul dintre agoniștii arătați poate stimula maxim receptorul și, prin urmare, poate fi definit ca un agonist complet . Un agonist care poate activa doar parțial răspunsul fiziologic se numește agonist parțial . În acest exemplu, concentrația la care agonistul complet (curba roșie) poate activa jumătate maxim receptorul este de aproximativ 5 x 10-9 molar (nM = nanomolar ).

Doi liganzi cu afinitate de legare a receptorului diferită.

Afinitatea de legare este determinată cel mai frecvent folosind un ligand radiomarcat , cunoscut sub numele de ligand marcat. Experimentele de legare competitivă omoloage implică competiția de legare între un ligand marcat și un ligand nemarcat. Metodele bazate în timp real, care sunt adesea lipsite de etichete, cum ar fi rezonanța plasmonei de suprafață , interferometria cu polarizare dublă și rezonanța plasmonică multiparametrică de suprafață (MP-SPR) nu numai că pot cuantifica afinitatea din testele bazate pe concentrație; dar și din cinetica asocierii și disocierii și, în cazurile ulterioare, schimbarea conformațională indusă la legare. MP-SPR permite, de asemenea, măsurători în tampoane de disociere ridicate cu soluție salină, datorită unei configurări optice unice. S-a dezvoltat o termoforeză la scară microscopică (MST), o metodă fără imobilizare. Această metodă permite determinarea afinității de legare fără nicio limitare la greutatea moleculară a ligandului.

Pentru utilizarea mecanicii statistice într-un studiu cantitativ al afinității de legare a ligandului-receptor, consultați articolul cuprinzător despre funcția de partiție configurațională .

Potența medicamentului și afinitatea de legare

Datele de afinitate obligatorii singure nu determină potența generală a unui medicament. Potența este rezultatul interacțiunii complexe atât a afinității de legare, cât și a eficacității ligandului. Eficacitatea ligandului se referă la capacitatea ligandului de a produce un răspuns biologic la legarea de receptorul țintă și la amploarea cantitativă a acestui răspuns. Acest răspuns poate fi un agonist , antagonist sau agonist invers , în funcție de răspunsul fiziologic produs.

Selectiv și neselectiv

Liganzii selectivi au tendința de a se lega de tipuri foarte limitate de receptori, în timp ce liganzii neselectivi se leagă de mai multe tipuri de receptori. Acest lucru joacă un rol important în farmacologie , în care medicamentele neselective tind să aibă mai multe efecte adverse , deoarece se leagă de alți receptori în plus față de cel care generează efectul dorit.

Liganzi hidrofobi

Pentru liganzi hidrofobi (de exemplu, PIP2) în complex cu o proteină hidrofobă (de ex. Canale ionice lipidice ) determinarea afinității este complicată de interacțiuni hidrofobe nespecifice. Interacțiunile hidrofobe nespecifice pot fi depășite atunci când afinitatea ligandului este mare. De exemplu, PIP2 se leagă cu o afinitate ridicată la canalele ionice închise PIP2.

Ligand bivalent

Liganzii bivalenți constau din două molecule asemănătoare medicamentelor (farmacofori sau liganzi) conectate printr-un linker inert. Există diferite tipuri de liganzi bivalenți și sunt adesea clasificați în funcție de ceea ce vizează farmacoforii. Liganzii homobivalenți vizează doi dintre aceiași tipuri de receptori. Liganzii heterobivalenți vizează două tipuri diferite de receptori. Liganzii bitopici vizează un situsuri de legare ortosterică și situsuri de legare alosterice pe același receptor.

În cercetarea științifică, liganzii bivalenți au fost folosiți pentru a studia dimerii receptorilor și pentru a investiga proprietățile acestora. Această clasă de liganzi a fost inițiată de Philip S. Portoghese și colegi în timpul studierii sistemului receptorilor opioizi. Liganzii bivalenți au fost, de asemenea, raportați la început de Micheal Conn și colegii săi pentru receptorul hormonal de eliberare a gonadotropinei. De la aceste rapoarte timpurii, au fost raportați mulți liganzi bivalenți pentru diverse sisteme de receptori cuplați la proteina G (GPCR), inclusiv sisteme de receptori canabinoizi, serotoninici, oxitocinici și melanocortinici, precum și pentru sistemele GPCR - LIC ( receptori D2 și nACh ).

Liganzii bivalenți tind, de obicei, să fie mai mari decât omologii lor monovalenți și, prin urmare, să nu fie „asemănători medicamentelor”. (A se vedea regula celor cinci de la Lipinski .) Mulți cred că acest lucru le limitează aplicabilitatea în mediile clinice. În ciuda acestor convingeri, au existat mulți liganzi care au raportat studii preclinice de succes pe animale. Având în vedere că unii liganzi bivalenți pot avea multe avantaje în comparație cu omologii lor monovalenți (cum ar fi selectivitatea țesuturilor, afinitatea de legare crescută și potența sau eficacitatea crescută), bivalenții pot oferi și unele avantaje clinice.

Liganzi mono- și polidesmici

Liganzii proteinelor pot fi caracterizați și prin numărul de lanțuri proteice pe care le leagă. Liganzii „monodesmici” (μόνος: unici, δεσμός: legarea) sunt liganzi care leagă un singur lanț proteic, în timp ce liganzii „polidesmici” (πολοί: mulți) sunt frecvenți în complexele proteice și sunt liganzi care leagă mai mult de un lanț proteic, de obicei în sau în apropierea interfețelor proteice.Cercetări recente arată că tipul liganzilor și structura sitului de legare are consecințe profunde asupra evoluției, funcției, alosteriei și plierii compexelor proteice.

Schelă privilegiată

Un eșafod privilegiat este un cadru molecular sau o porțiune chimică care este recurentă statistic printre medicamentele cunoscute sau dintr-o gamă specifică de compuși biologic activi. Aceste elemente privilegiate pot fi utilizate ca bază pentru proiectarea de noi compuși biologici activi sau biblioteci de compuși.

Metode utilizate pentru a studia legarea

Principalele metode de studiu a interacțiunilor proteină-ligand sunt principalele tehnici hidrodinamice și calorimetrice, precum și principalele metode spectroscopice și structurale, cum ar fi

Alte tehnici includ: intensitatea fluorescenței, complementarea fluorescenței bimoleculare, FRET (transfer de energie prin rezonanță fluorescentă) / rezonanța plasmonei de stingere a FRET, interferometrie bi-strat , ELISA indirectă de coimmunoprecifiere, dializă de echilibru, electroforeză pe gel, far western blot, anisotropie de polarizare a fluorescenței, paramagnetică electronică rezonanță, microscop termoforeză

Puterea de calcul crescută dramatic a supercomputerelor și a computerelor personale a făcut posibilă studierea interacțiunilor proteină-ligand și prin intermediul chimiei de calcul . De exemplu, o grilă mondială de peste un milion de computere obișnuite a fost exploatată pentru cercetarea cancerului în cadrul proiectului grid.org , care s-a încheiat în aprilie 2007. Grid.org a fost succedat de proiecte similare precum World Community Grid , Human Proteome Folding Project , Calculați împotriva cancerului și Folding @ Home .

Vezi si

Referințe

linkuri externe

  • BindingDB , o bază de date publică a afinităților măsurate de legare a proteinei-ligand.
  • BioLiP , o bază de date cuprinzătoare pentru interacțiunile ligand-proteine.