Ligand (biokémia) - Ligand (biochemistry)

Mioglobin (kék), ligandum hem (narancssárga) kötve. Az EKT alapján : 1 MB

A biokémia és a farmakológia területén a ligandum olyan anyag , amely komplexet képez egy biomolekulával , hogy biológiai célt szolgáljon. Az etimológia a ligare -ból ered , ami azt jelenti, hogy „kötni”. A protein-ligandum kötődését, a ligandum általában egy molekula, amely létrehoz egy jelet a kötődés egy helyén egy target fehérje . A kötődés jellemzően a célfehérje konformációs izomerizmusának (konformációjának) megváltozását eredményezi . A DNS-ligandum-kötési vizsgálatokban a ligandum lehet egy kis molekula, ion vagy fehérje, amely a DNS kettős hélixhez kötődik . A ligandum és a kötőpartner közötti kapcsolat a töltés, a hidrofóbitás és a molekulaszerkezet függvénye. A kötődés egy végtelen kis idő- és tértartományban történik, így a sebességállandó általában nagyon kicsi.

A kötés intermolekuláris erők által történik , például ionos kötések , hidrogénkötések és Van der Waals erők . Az asszociáció vagy dokkolás valójában a disszociáció révén visszafordítható. A ligandum és a célmolekula közötti mérhetetlenül visszafordíthatatlan kovalens kötés atipikus a biológiai rendszerekben. Ezzel szemben a meghatározását ligandum a fémorganikus és szervetlen kémia , biokémia, hogy nem egyértelmű, hogy a ligandum általában kötődik egy fém helyén, mint ahogy az a hemoglobin . Általánosságban elmondható, hogy a ligandum értelmezése kontextuális ahhoz képest, hogy milyen kötődést figyeltek meg.

A ligandum receptor receptorhoz kötődése megváltoztatja a konformációt azáltal, hogy befolyásolja a háromdimenziós formaorientációt. A receptorfehérje konformációja alkotja a funkcionális állapotot. A ligandumok közé tartoznak a szubsztrátok , inhibitorok , aktivátorok , jelző lipidek és neurotranszmitterek . A kötődés sebességét affinitásnak nevezzük , és ez a mérés a hatás tendenciáját vagy erősségét jelzi. A kötődési affinitást nemcsak a gazda-vendég interakciók valósítják meg, hanem az oldószer hatások is, amelyek meghatározó, sztérikus szerepet játszhatnak, és amelyek nem kovalens kötődést hajtanak végre az oldatban. Az oldószer kémiai környezetet biztosít a ligandum és a receptor alkalmazkodásához, és így elfogadja vagy elutasítja egymást partnerként.

Radioligandumokhoz olyan radioizotóp jelzett vegyületek alkalmazott in vivo , mint jelölőanyagok a PET- vizsgálatok és az in vitro kötési vizsgálatokban.

Receptor/ligandum kötési affinitás

A ligandumok és kötőhelyeik kölcsönhatása kötési affinitás alapján jellemezhető. Általában a nagy affinitású ligandumkötés a ligand és a receptor közötti nagyobb vonzóerőkből ered, míg az alacsony affinitású ligandumkötés kevésbé vonzó erőt jelent. Általában a nagy affinitású kötődés a receptor nagyobb elfoglaltságát eredményezi ligandusa által, mint az alacsony affinitású kötődés esetén; a tartózkodási idő (a receptor-ligandum komplex élettartama) nem korrelál. A ligandumoknak a receptorokhoz való nagy affinitású kötődése gyakran élettanilag fontos, amikor a kötési energia egy része felhasználható a receptor konformációs változásának kiváltására, ami megváltozott viselkedést eredményez, például egy kapcsolódó ioncsatornát vagy enzimet .

Azt a ligandumot, amely képes megkötni és megváltoztatni a fiziológiás választ kiváltó receptor működését, receptor agonistának nevezik . A ligandumok, amelyek kötődnek egy receptorhoz, de nem aktiválják a fiziológiai választ, receptor antagonisták .

Két agonista, hasonló kötési affinitással

Az agonista receptorhoz való kötődést mind a fiziológiai válasz kiválthatósága (azaz a hatékonyság ), mind az agonista koncentrációja alapján lehet jellemezni, amely szükséges a fiziológiai válasz létrehozásához (gyakran EC 50 -ként , a fele-feleletű válasz eléréséhez szükséges koncentráció). A nagy affinitású ligandumkötés azt jelenti, hogy a ligandum viszonylag alacsony koncentrációja elegendő a ligandumkötő hely maximális elfoglalásához és fiziológiai válasz kiváltásához. A receptor affinitást egy gátlási állandó vagy K i érték határozza meg, amely a receptor 50% -ának elfoglalásához szükséges koncentráció. A ligandum -affinitásokat leggyakrabban közvetve IC 50 -értékként mérik egy versenyképes kötési kísérletből, ahol meghatározzák a referencia -ligandum rögzített koncentrációjának 50% -ának kiszorításához szükséges ligandum koncentrációját. A K i érték az IC 50 -ből a Cheng Prusoff -egyenleten keresztül becsülhető meg . A ligandum affinitások közvetlenül disszociációs állandóként (K d ) is mérhetők olyan módszerekkel, mint a fluoreszcencia kioltása , az izotermikus titráló kalorimetria vagy a felületi plazmon rezonancia .

Az alacsony affinitású kötődés (magas K i szint) azt jelenti, hogy a ligandum viszonylag magas koncentrációjára van szükség, mielőtt a kötési helyet maximálisan elfoglalják, és a ligandumra adott maximális fiziológiai választ elérik. A jobb oldalon látható példában két különböző ligandum kötődik ugyanahhoz a receptor kötési helyhez. A bemutatott agonisták közül csak az egyik képes maximálisan stimulálni a receptort, és így teljes agonistaként határozható meg . Az agonistát, amely csak részben képes aktiválni a fiziológiai választ, részleges agonistának nevezzük . Ebben a példában az a koncentráció, amelynél a teljes agonista (vörös görbe) félig maximálisan aktiválhatja a receptort, körülbelül 5 x 10-9 moláris (nM = nanomoláris ).

Két ligandum, különböző receptorkötési affinitással.

A kötési affinitást leggyakrabban radioaktívan jelzett ligandummal határozzák meg, amelyet jelzett ligandumként ismerünk. A homológ kompetitív kötési kísérletek megkötési versenyt foglalnak magukban a jelzett ligandum és a nem jelölt ligandum között. A valós idejű, gyakran címke nélküli módszerek, mint például a felszíni plazmonrezonancia , a kettős polarizációjú interferometria és a többparaméteres felszíni plazmonrezonancia (MP-SPR) nem csak a koncentráció alapú vizsgálatokból számszerűsíthetik az affinitást; hanem az asszociáció és a disszociáció kinetikájából, valamint a későbbi esetekben a kötődés hatására indukált konformációs változásból is. Az MP-SPR lehetővé teszi a méréseket nagy sótartalmú disszociációs pufferekben is az egyedülálló optikai beállításnak köszönhetően. Mikroméretű termoforézist (MST), immobilizációmentes módszert fejlesztettek ki. Ez a módszer lehetővé teszi a kötési affinitás meghatározását a ligandum molekulatömegének korlátozása nélkül.

A statisztikai mechanika felhasználásáról a ligandum-receptor kötési affinitás kvantitatív vizsgálatához lásd a konfigurációs partíció funkcióról szóló átfogó cikket .

Gyógyszerhatás és kötési affinitás

A kötődési affinitási adatok önmagukban nem határozzák meg a gyógyszer általános hatékonyságát. A hatékonyság mind a kötési affinitás, mind a ligand hatékonyságának összetett kölcsönhatásából adódik. A ligand hatékonysága a ligandum azon képességére utal, hogy a célreceptorhoz való kötődéskor biológiai választ képes előállítani, és e válasz mennyiségi nagyságára. Ez a válasz lehet agonista , antagonista vagy inverz agonista , az előállított fiziológiai választól függően.

Szelektív és nem szelektív

A szelektív ligandumok hajlamosak nagyon korlátozott típusú receptorokhoz kötődni, míg a nem szelektív ligandumok többféle receptorhoz kötődnek. Ez fontos szerepet játszik a farmakológiában , ahol a nem szelektív gyógyszereknek általában több káros hatása van , mivel a kívánt hatást kiváltó receptoron kívül számos más receptorhoz kötődnek.

Hidrofób ligandumok

A hidrofób ligandumok (pl. PIP2) hidrofób fehérjével komplexben (pl. Lipid-kapu ioncsatornák ) esetén az affinitás meghatározását bonyolítja a nem specifikus hidrofób kölcsönhatások. A nem specifikus hidrofób kölcsönhatások leküzdhetők, ha a ligandum affinitása magas. Például a PIP2 nagy affinitással kötődik a PIP2 kapuzott ioncsatornákhoz.

Kétértékű ligandum

A kétértékű ligandumok két gyógyszerszerű molekulából (farmakoforok vagy ligandumok) állnak, amelyeket közömbös linker köt össze. Különféle kétértékű ligandumok léteznek, és gyakran a farmakoforok által megcélzott osztályozás alapján osztályozzák őket. A homobivalens ligandumok két azonos típusú receptort céloznak meg. A heterobivalens ligandumok két különböző típusú receptort céloznak meg. A bitópikus ligandumok ugyanazon receptor ortoszterikus kötőhelyeit és alloszterikus kötőhelyeit célozzák meg.

A tudományos kutatások során kétértékű ligandumokat használtak a receptor dimerek tanulmányozására és tulajdonságaik vizsgálatára. Ezt a ligandum osztályt Philip S. Portoghese és munkatársai úttörőnek tartották az opioid receptor rendszer tanulmányozása során. A kétértékű ligandumokról korábban Micheal Conn és munkatársai is beszámoltak a gonadotropint felszabadító hormonreceptorokról. Mivel ezek a korai jelentések, ott már sok kétértékű ligandumok jelentett különböző G-protein-kapcsolt receptor (GPCR) rendszerek, beleértve a kannabinoid, a szerotonin, oxitocin, és melanokortin receptor rendszer, és a GPCR - LIC rendszerek ( D2 és acetilkolin receptorok ).

A kétértékű ligandumok általában nagyobbak, mint egyértékű társaik, és ezért nem „drogszerűek”. (Lásd Lipinski ötös szabályát .) Sokan úgy vélik, hogy ez korlátozza alkalmazhatóságukat klinikai körülmények között. E meggyőződések ellenére számos ligandumról számoltak be sikeres preklinikai állatkísérletekről. Tekintettel arra, hogy egyes kétértékű ligandumoknak számos előnye lehet monovalens társaikhoz képest (például szövetszelektivitás, megnövekedett kötési affinitás, fokozott hatásosság vagy hatékonyság), a kétértékű vegyületek bizonyos klinikai előnyöket is kínálhatnak.

Mono- és polidézmás ligandumok

A fehérjék ligandjait az általuk megkötött fehérje láncok száma is jellemezheti. A „monodéziai” ligandumok (μόνος: egyetlen, δεσμός: kötődés) olyan ligandumok, amelyek egyetlen fehérje láncot kötnek össze, míg a „polidézmás” ligandumok (πολοί: sok) gyakoriak a fehérjekomplexekben, és olyan ligandumok, amelyek több mint egy fehérje láncot kötnek, jellemzően A legújabb kutatások azt mutatják, hogy a ligandumok típusának és a kötőhely szerkezetének mélyreható következményei vannak a fehérjekomplexek fejlődésére, működésére, alloszterációjára és hajtogatására.

Kiváltságos állvány

A kiváltságos állvány olyan molekuláris keret vagy kémiai rész, amely statisztikailag ismétlődik az ismert gyógyszerek között vagy a biológiailag aktív vegyületek meghatározott csoportja között. Ezek a kiváltságos elemek alapul szolgálhatnak új aktív biológiai vegyületek vagy vegyületkönyvtárak tervezéséhez.

A kötés tanulmányozására használt módszerek

A fehérje -ligandum kölcsönhatások tanulmányozásának fő módszerei a fő hidrodinamikai és kalorimetriai technikák, valamint a fő spektroszkópiai és szerkezeti módszerek, mint pl.

További technikák: fluoreszcencia intenzitás, bimolekuláris fluoreszcencia-komplementáció, FRET (fluoreszcens rezonancia energiaátvitel) / FRET kioltó felületi plazmonrezonancia, biológiai réteg interferometria , Coimmunopreciptation közvetett ELISA, egyensúlyi dialízis, gélelektroforézis, far Western blot, fluoreszcencia polarizációs anizotropia rezonancia, mikroméretű termoforézis

A szuperszámítógépek és személyi számítógépek drámaian megnövekedett számítási teljesítménye lehetővé tette a fehérje -ligandum kölcsönhatások tanulmányozását számítási kémia segítségével is . Például egy világszerte több mint egymillió rendes számítógépből álló hálózatot használtak fel a rák kutatására a grid.org projektben , amely 2007 áprilisában zárult. A Grid.org -ot hasonló projektek követték, mint például a World Community Grid , Human Proteome Folding Project , Számítás a rák és a hajtogatás ellen @Home .

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek

  • BindingDB , a mért fehérje-ligandum kötési affinitások nyilvános adatbázisa.
  • BioLiP , a ligandum-fehérje kölcsönhatások átfogó adatbázisa.