Ligand (biokemi) - Ligand (biochemistry)
Inom biokemi och farmakologi är en ligand ett ämne som bildar ett komplex med en biomolekyl för att tjäna ett biologiskt syfte. Etymologin härrör från ligare , vilket betyder 'att binda'. I protein-ligandbindning är liganden vanligen en molekyl som producerar en signal genom att binda till ett site på ett mål -protein . Bindningen resulterar vanligtvis i en förändring av konformationell isomerism (konformation) av målproteinet. I DNA-ligandbindningsstudier kan liganden vara en liten molekyl, jon eller protein som binder till DNA-helixen . Förhållandet mellan ligand och bindningspartner är en funktion av laddning, hydrofobicitet och molekylstruktur. Bindningsinstansen förekommer över ett oändligt litet tidsintervall och rum, så hastighetskonstanten är vanligtvis ett mycket litet antal.
Bindning sker genom intermolekylära krafter , såsom joniska bindningar , vätebindningar och Van der Waals krafter . Föreningen eller dockningen är faktiskt reversibel genom dissociation. Mätbart irreversibel kovalent bindning mellan en ligand och målmolekyl är atypisk i biologiska system. I motsats till definitionen av ligand i metallorganisk och oorganisk kemi , är det i biokemi tvetydigt om liganden generellt binder vid en metallplats , som är fallet i hemoglobin . I allmänhet är tolkningen av ligand kontextuell med avseende på vilken typ av bindning som har observerats.
Ligandbindning till ett receptorprotein förändrar konformationen genom att påverka den tredimensionella formorienteringen. Konformationen av ett receptorprotein komponerar det funktionella tillståndet. Ligander inkluderar substrat , hämmare , aktivatorer , signallipider och signalsubstanser . Bindningshastigheten kallas affinitet , och denna mätning typiserar en tendens eller styrka hos effekten. Bindande affinitet aktualiseras inte bara av värd- gästinteraktioner, utan också av lösningsmedelseffekter som kan spela en dominerande, sterisk roll som driver icke-kovalent bindning i lösning. Lösningsmedlet ger en kemisk miljö för liganden och receptorn att anpassa sig, och på så sätt acceptera eller avvisa varandra som partners.
Radioligander är radioisotopmärkta föreningar som används in vivo som spårämnen i PET -studier och för in vitro -bindningsstudier.
Receptor/ligandbindningsaffinitet
Interaktionen mellan ligander och deras bindningsställen kan karakteriseras i termer av en bindningsaffinitet. I allmänhet är bindning med hög affinitet resultatet av större attraktionskrafter mellan liganden och dess receptor medan ligandbindning med låg affinitet involverar mindre attraktiv kraft. I allmänhet resulterar bindning med hög affinitet i en högre beläggning av receptorn med dess ligand än vad som är fallet för bindning med låg affinitet; den uppehållstiden (livslängden för receptor-ligand-komplex) inte korrelerar. Högaffinitetsbindning av ligander till receptorer är ofta fysiologiskt viktigt när en del av bindningsenergin kan användas för att orsaka en konformationsförändring i receptorn, vilket resulterar i förändrat beteende till exempel för en associerad jonkanal eller enzym .
En ligand som kan binda till och ändra funktionen av receptom som utlöser ett fysiologiskt svar kallas en receptoragonist . Ligander som binder till en receptor men misslyckas med att aktivera det fysiologiska svaret är receptorantagonister .
Agonistbindning till en receptor kan kännetecknas både vad gäller hur mycket fysiologiskt svar som kan utlösas (det vill säga effekten ) och när det gäller koncentrationen av agonisten som krävs för att producera det fysiologiska svaret (ofta mätt som EC 50 , den koncentration som krävs för att producera det halvmaximala svaret). Högaffinitetsligandbindning innebär att en relativt låg koncentration av en ligand är tillräcklig för att maximalt uppta en ligandbindande plats och utlösa ett fysiologiskt svar. Receptoraffinitet mäts av en hämningskonstant eller K i -värde, den koncentration som krävs för att ockupera 50% av receptorn. Ligand affiniteter oftast mäts indirekt som en IC 50 värde från en konkurrensbindningsexperiment där koncentrationen av en ligand som krävs för att tränga undan 50% av en bestämd koncentration av referens ligand bestämmes. K i -värde kan beräknas från IC 50 genom Cheng Prusoff-ekvationen . Ligandaffiniteter kan också mätas direkt som en dissociationskonstant ( Kd ) med användning av metoder såsom fluorescenssläckning , isotermisk titreringskalorimetri eller ytplasmonresonans .
Lågaffinitetsbindning (högt K i nivå) innebär att en relativt hög koncentration av en ligand krävs innan bindningsstället är maximalt ockuperade och den maximala fysiologiska responsen till liganden uppnås. I exemplet som visas till höger binder två olika ligander till samma receptorbindningsställe. Endast en av de visade agonisterna kan maximalt stimulera receptorn och kan därför definieras som en fullständig agonist . En agonist som endast delvis kan aktivera det fysiologiska svaret kallas en partiell agonist . I detta exempel är koncentrationen vid vilken hela agonisten (röd kurva) halvmaksimalt kan aktivera receptorn cirka 5 x 10 −9 molar (nM = nanomolar ).
Bindningsaffinitet bestäms oftast med användning av en radiomärkt ligand, känd som en märkt ligand. Homologa konkurrensbindande experiment innefattar bindningskonkurrens mellan en märkt ligand och en omärkt ligand. Realtidsbaserade metoder, som ofta är etikettfria, såsom ytplasmonresonans , dubbelpolarisationsinterferometri och multiparametrisk ytplasmonresonans (MP-SPR) kan inte bara kvantifiera affiniteten från koncentrationsbaserade analyser; men också från kinetiken för associering och dissociation, och i de senare fallen, orsakade konformationsförändringen vid bindning. MP-SPR möjliggör också mätningar i buffertar med hög saltlösning tack vare en unik optisk inställning. Mikroskala termofores (MST), en immobilisationsfri metod utvecklades. Denna metod möjliggör bestämning av bindningsaffiniteten utan någon begränsning till ligandens molekylvikt.
Vid användning av statistisk mekanik i en kvantitativ studie av ligand-receptorbindande affinitet finns i omfattande artikel om formpartitionsfunktionen .
Läkemedelsstyrka och bindningsaffinitet
Bindande affinitetsdata ensam bestämmer inte den totala styrkan hos ett läkemedel. Styrka är ett resultat av det komplexa samspelet mellan både bindningsaffiniteten och ligandeffekten. Ligandseffektivitet avser ligandens förmåga att producera ett biologiskt svar vid bindning till målreceptorn och den kvantitativa storleken på detta svar. Detta svar kan vara som en agonist , antagonist eller invers agonist , beroende på det fysiologiska svar som produceras.
Selektiv och icke-selektiv
Selektiva ligander har en tendens att binda till mycket begränsade typer av receptorer, medan icke-selektiva ligander binder till flera typer av receptorer. Detta spelar en viktig roll i farmakologi , där läkemedel som är icke-selektiva tenderar att ha fler negativa effekter , eftersom de binder till flera andra receptorer utöver den som genererar önskad effekt.
Hydrofoba ligander
För hydrofoba ligander (t.ex. PIP2) i komplex med ett hydrofobt protein (t.ex. lipidgaterade jonkanaler ) kompliceras bestämning av affiniteten av icke-specifika hydrofoba interaktioner. Icke-specifika hydrofoba interaktioner kan övervinnas när ligandens affinitet är hög. Till exempel binder PIP2 med hög affinitet till PIP2 -gated -jonkanaler.
Bivalent ligand
Bivalenta ligander består av två läkemedelsliknande molekyler (farmakoforer eller ligander) anslutna med en inert länk. Det finns olika typer av tvåvärda ligander och klassificeras ofta baserat på vad farmakoforerna riktar sig mot. Homobivalenta ligander riktar sig mot två av samma receptortyper. Heterobivalenta ligander riktar sig mot två olika receptortyper. Bitopiska ligander riktar sig mot ortosteriska bindningsställen och allosteriska bindningsställen på samma receptor.
I vetenskaplig forskning har tvåvärda ligander använts för att studera receptordimerer och för att undersöka deras egenskaper. Denna klass av ligander var banbrytande av Philip S. Portoghese och medarbetare medan de studerade opioidreceptorsystemet. Bivalenta ligander rapporterades också tidigt av Micheal Conn och medarbetare för den gonadotropinfrisättande hormonreceptorn. Eftersom dessa tidiga rapporter, har det funnits många bivalenta ligander som rapporteras för olika G-proteinkopplade receptorer (GPCR) system inklusive kannabinoid, serotonin, oxytocin, och melanokortinreceptorer receptorsystem, och för GPCR - LIC system ( D2 och nach receptorer ).
Bivalenta ligander tenderar vanligtvis att vara större än deras monovalenta motsvarigheter, och därför inte 'läkemedelsliknande'. (Se Lipinskis regel om fem .) Många tror att detta begränsar deras tillämpbarhet i kliniska miljöer. Trots dessa övertygelser har det funnits många ligander som har rapporterat framgångsrika prekliniska djurstudier. Med tanke på att vissa tvåvärda ligander kan ha många fördelar jämfört med deras monovalenta motsvarigheter (såsom vävnadsselektivitet, ökad bindningsaffinitet och ökad styrka eller effekt) kan bivalenter också erbjuda vissa kliniska fördelar.
Mono- och polydesmiska ligander
Ligander av proteiner kan också kännetecknas av antalet proteinkedjor de binder. "Monodesmiska" ligander (μόνος: enkla, δεσμός: bindande) är ligander som binder en enda proteinkedja, medan "polydesmiska" ligander (πολοί: många) är vanliga i proteinkomplex och är ligander som binder mer än en proteinkedja, vanligtvis i eller nära proteingränssnitt. Ny forskning visar att typen av ligander och bindningsställets struktur har djupgående konsekvenser för utvecklingen, funktionen, allosterin och vikningen av proteinkomplex.
Privilegierad ställning
En privilegierad byggnadsställning är ett molekylärt ramverk eller en kemisk del som är statistiskt återkommande bland kända läkemedel eller bland en specifik uppsättning biologiskt aktiva föreningar. Dessa privilegierade element kan användas som grund för att designa nya aktiva biologiska föreningar eller sammansatta bibliotek.
Metoder som används för att studera bindning
Huvudsakliga metoder för att studera protein -ligand -interaktioner är huvudsakliga hydrodynamiska och kalorimetriska tekniker och huvudsakliga spektroskopiska och strukturella metoder som t.ex.
- Fourier transform spektroskopi
- Ramans spektroskopi
- Fluorescensspektroskopi
- Cirkulär dikroism
- Nukleär magnetisk resonans
- Masspektrometri
- Atomkraftsmikroskop
- Paramagnetiska sonder
- Dubbel polarisationsinterferometri
- Multiparametrisk ytplasmonresonans
- Ligandbindningsanalys och radioligandbindningsanalys
Andra tekniker inkluderar: fluorescensintensitet, bimolekylär fluorescenskomplementering, FRET (fluorescerande resonansenergioverföring) / FRET-släckande yta plasmonresonans, bio- skiktinterferometri, Coimmunopreciptation indirekt ELISA, jämviktsdialys, gelelektrofores, far Western-blot, fluorescenspolarisationsanisotropi, elektron resonans, mikroskala termofores
Superdatornas och persondatorernas dramatiskt ökade datorkraft har gjort det möjligt att studera protein -ligandinteraktioner också med hjälp av beräkningskemi . Till exempel utnyttjades ett globalt nätverk av över en miljon vanliga datorer för cancerforskning i projektet grid.org , som slutade i april 2007. Grid.org har efterföljts av liknande projekt som World Community Grid , Human Proteome Folding Project , Beräkna mot cancer och Folding@Home .
Se även
- Agonist
- Schild regression
- Allosterisk reglering
- Ki -databas
- Dockning@hemma
- GPUGRID.net
- DNA -bindande ligand
- BindandeDB
- SAMPL -utmaning