stringtranslate.com

Лиганд (биохимия)

Миоглобин (синий) со связанным лигандом гемом (оранжевый). На основе PDB : 1MBO

В биохимии и фармакологии лиганд — это вещество , которое образует комплекс с биомолекулой для выполнения биологической задачи. Этимология происходит от латинского ligare , что означает «связывать». В связывании белок-лиганд лиганд обычно представляет собой молекулу , которая производит сигнал , связываясь с сайтом на целевом белке . Связывание обычно приводит к изменению конформационной изомерии (конформации) целевого белка. В исследованиях связывания ДНК-лиганд лиганд может быть небольшой молекулой, ионом [1] или белком [ 2], который связывается с двойной спиралью ДНК . Связь между лигандом и партнером по связыванию является функцией заряда, гидрофобности и молекулярной структуры.

Связывание происходит за счет межмолекулярных сил , таких как ионные связи , водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса . Ассоциация или стыковка фактически обратимы посредством диссоциации . Измеримо необратимая ковалентная связь между лигандом и целевой молекулой нетипична для биологических систем. В отличие от определения лиганда в металлоорганической и неорганической химии , в биохимии неоднозначно, связывается ли лиганд в целом с металлическим сайтом, как в случае гемоглобина . В целом, интерпретация лиганда является контекстуальной по отношению к тому, какой вид связывания наблюдался.

Связывание лиганда с рецепторным белком изменяет конформацию, влияя на ориентацию трехмерной формы. Конформация рецепторного белка составляет функциональное состояние. Лиганды включают субстраты , ингибиторы , активаторы , сигнальные липиды и нейротрансмиттеры . Скорость связывания называется сродством, и это измерение характеризует тенденцию или силу эффекта. Сродство связывания реализуется не только за счет взаимодействий хозяин-гость , но и за счет эффектов растворителя, которые могут играть доминирующую стерическую роль, которая управляет нековалентным связыванием в растворе. [3] Растворитель обеспечивает химическую среду для адаптации лиганда и рецептора и, таким образом, принятия или отклонения друг друга в качестве партнеров.

Радиолиганды — это меченые радиоизотопами соединения, используемые in vivo в качестве меток в исследованиях ПЭТ и для исследований связывания in vitro .

Сродство связывания рецептора/лиганда

Взаимодействие лигандов с их сайтами связывания можно охарактеризовать с точки зрения сродства связывания. В целом, связывание лиганда с высоким сродством является результатом больших сил притяжения между лигандом и его рецептором , тогда как связывание лиганда с низким сродством подразумевает меньшую силу притяжения. В целом, связывание с высоким сродством приводит к более высокой занятости рецептора его лигандом, чем в случае связывания с низким сродством; время пребывания (время жизни комплекса рецептор-лиганд) не коррелирует. Связывание лигандов с высоким сродством к рецепторам часто имеет физиологическое значение, когда часть энергии связывания может быть использована для того, чтобы вызвать конформационное изменение рецептора, что приводит к изменению поведения, например, связанного ионного канала или фермента .

Лиганд, который может связываться с рецептором и изменять его функцию, вызывая физиологическую реакцию, называется агонистом рецептора . Лиганды, которые связываются с рецептором, но не активируют физиологическую реакцию, называются антагонистами рецептора .

Два агониста с одинаковой аффинностью связывания

Связывание агониста с рецептором можно охарактеризовать как с точки зрения того, насколько физиологический ответ может быть вызван (то есть эффективность ) , так и с точки зрения концентрации агониста, которая требуется для получения физиологического ответа (часто измеряется как EC 50 , концентрация, необходимая для получения полумаксимального ответа). Высокоаффинное связывание лиганда подразумевает, что относительно низкой концентрации лиганда достаточно для максимального занятия места связывания лиганда и запуска физиологического ответа. Сродство рецептора измеряется константой ингибирования или значением Ki , концентрацией, необходимой для занятия 50% рецептора. Сродство лиганда чаще всего измеряется косвенно как значение IC 50 из эксперимента по конкурентному связыванию, где определяется концентрация лиганда, необходимая для вытеснения 50% фиксированной концентрации эталонного лиганда. Значение Ki можно оценить из IC 50 с помощью уравнения Ченга-Прусоффа . Сродство лигандов также можно измерить непосредственно как константу диссоциации (Kd ) , используя такие методы, как тушение флуоресценции , изотермическая титрационная калориметрия или поверхностный плазмонный резонанс . [4]

Низкоаффинное связывание (высокий уровень Ki ) подразумевает, что требуется относительно высокая концентрация лиганда, прежде чем сайт связывания будет максимально занят и будет достигнут максимальный физиологический ответ на лиганд. В примере, показанном справа, два разных лиганда связываются с одним и тем же сайтом связывания рецептора. Только один из показанных агонистов может максимально стимулировать рецептор и, таким образом, может быть определен как полный агонист . Агонист, который может только частично активировать физиологический ответ, называется частичным агонистом . В этом примере концентрация, при которой полный агонист (красная кривая) может активировать рецептор наполовину максимально, составляет около 5 x 10−9 Молярный ( нМ = наномолярный ).

Два лиганда с разной аффинностью связывания с рецептором.

Сродство связывания чаще всего определяется с использованием радиоактивно меченого лиганда, известного как меченый лиганд. Эксперименты по гомологичному конкурентному связыванию включают конкуренцию за связывание между меченым лигандом и немеченым лигандом. [5] Методы в режиме реального времени, которые часто не содержат меток, такие как поверхностный плазмонный резонанс , двухполяризационная интерферометрия и многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс (MP-SPR), могут не только количественно определять сродство из анализов на основе концентрации; но также из кинетики ассоциации и диссоциации, а в более поздних случаях и конформационного изменения, вызванного связыванием. MP-SPR также позволяет проводить измерения в буферах диссоциации с высоким содержанием солей благодаря уникальной оптической установке. Был разработан микромасштабный термофорез (MST), метод без иммобилизации [6] . Этот метод позволяет определять сродство связывания без каких-либо ограничений по молекулярной массе лиганда. [7]

Для использования статистической механики в количественном исследовании сродства связывания лиганда с рецептором см. подробную статью [8] о конфигурационной функции распределения .

Эффективность связывания лекарственных препаратов или гормонов

Данные по связывающей способности сами по себе не определяют общую эффективность препарата или естественно вырабатываемого (биосинтезированного) гормона. [9]

Эффективность является результатом сложного взаимодействия как связывающей способности, так и эффективности лиганда. [9]

Эффективность связывания лекарств или гормонов

Эффективность лиганда относится к способности лиганда вызывать биологический ответ при связывании с целевым рецептором и количественной величине этого ответа. Этот ответ может быть как агонист , антагонист или обратный агонист , в зависимости от произведенного физиологического ответа. [10]

Селективный и неселективный

Селективные лиганды имеют тенденцию связываться с очень ограниченными типами рецепторов, тогда как неселективные лиганды связываются с несколькими типами рецепторов. Это играет важную роль в фармакологии , где препараты, которые являются неселективными, имеют тенденцию иметь больше побочных эффектов , поскольку они связываются с несколькими другими рецепторами в дополнение к тому, который генерирует желаемый эффект.

Гидрофобные лиганды

Для гидрофобных лигандов (например, PIP2) в комплексе с гидрофобным белком (например, липид-управляемые ионные каналы ) определение сродства осложняется неспецифическими гидрофобными взаимодействиями. Неспецифические гидрофобные взаимодействия могут быть преодолены, когда сродство лиганда высокое. [11] Например, PIP2 связывается с высоким сродством с PIP2-управляемыми ионными каналами.

Двухвалентный лиганд

Бивалентные лиганды состоят из двух молекул, подобных лекарственным препаратам (фармакофоров или лигандов), соединенных инертным линкером. Существуют различные виды бивалентных лигандов, и их часто классифицируют на основе того, на что нацелены фармакофоры. Гомобивалентные лиганды нацелены на два одинаковых типа рецепторов. Гетеробивалентные лиганды нацелены на два разных типа рецепторов. [12] Битопные лиганды нацелены на ортостерические сайты связывания и аллостерические сайты связывания на одном и том же рецепторе. [13] В научных исследованиях бивалентные лиганды использовались для изучения димеров рецепторов и исследования их свойств. Этот класс лигандов был впервые предложен Филиппом С. Портогезе и его коллегами при изучении системы опиоидных рецепторов. [14] [15] [16] Бивалентные лиганды также были ранее описаны Майклом Конном и его коллегами для рецептора гонадотропин-рилизинг-гормона . [17] [18] После этих ранних сообщений было сообщено о многих двухвалентных лигандах для различных систем рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR), включая системы рецепторов каннабиноидов, [19] серотонина, [20] [21] окситоцина, [22] и меланокортина , [23] [24] [25] и для систем GPCR - LIC (рецепторы D2 и nACh ). [12]

Бивалентные лиганды обычно имеют тенденцию быть больше, чем их моновалентные аналоги, и, следовательно, не являются «подобными лекарствам», как в правиле пяти Липински . Многие считают, что это ограничивает их применимость в клинических условиях. [26] [27] Несмотря на эти убеждения, было много лигандов, которые сообщили об успешных доклинических исследованиях на животных. [24] [25] [22] [ 28] [29] [30] Учитывая, что некоторые бивалентные лиганды могут иметь много преимуществ по сравнению с их моновалентными аналогами (такими как селективность к тканям, повышенная связывающая способность и повышенная сила или эффективность), биваленты также могут иметь некоторые клинические преимущества.

Моно- и полидесмические лиганды

Лиганды белков можно также охарактеризовать по числу связываемых ими белковых цепей. «Монодесмические» лиганды (μόνος: одиночный, δεσμός: связывающий) — это лиганды, связывающие одну белковую цепь, в то время как «полидесмические» лиганды (πολοί: много) [31] часто встречаются в белковых комплексах и являются лигандами, связывающими более одной белковой цепи, как правило, в белковых интерфейсах или вблизи них. Недавние исследования показывают, что тип лигандов и структура сайта связывания имеют глубокие последствия для эволюции, функционирования, аллостерии и сворачивания белковых комплексов. [32] [33]

Привилегированные леса

Привилегированный каркас [34] представляет собой молекулярный каркас или химическую часть, которая статистически повторяется среди известных лекарств или среди определенного массива биологически активных соединений. Эти привилегированные элементы [35] могут быть использованы в качестве основы для проектирования новых активных биологических соединений или библиотек соединений.

Методы, используемые для изучения связывания

Основными методами изучения взаимодействия белок-лиганд являются основные гидродинамические и калориметрические методы, а также основные спектроскопические и структурные методы, такие как

Другие методы включают: интенсивность флуоресценции, бимолекулярную флуоресцентную комплементацию, FRET (флуоресцентный резонансный перенос энергии) / FRET-гашение поверхностного плазмонного резонанса, интерферометрию биослоя , коиммунопреципитацию непрямого ИФА, равновесный диализ, гель-электрофорез, дальний вестерн-блот, анизотропию поляризации флуоресценции, электронный парамагнитный резонанс, микромасштабный термофорез , switchSENSE .

Резко возросшая вычислительная мощность суперкомпьютеров и персональных компьютеров сделала возможным изучение взаимодействия белок-лиганд также с помощью вычислительной химии . Например, всемирная сеть из более чем миллиона обычных ПК была задействована для исследования рака в проекте grid.org , который завершился в апреле 2007 года. За Grid.org последовали похожие проекты, такие как World Community Grid , Human Proteome Folding Project , Compute Against Cancer и Folding@Home .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Teif VB (октябрь 2005 г.). «Конденсация ДНК, вызванная лигандом: выбор модели». Biophysical Journal . 89 (4): 2574–2587. Bibcode :2005BpJ....89.2574T. doi :10.1529/biophysj.105.063909. PMC  1366757 . PMID  16085765.
  2. ^ Teif VB, Rippe K (октябрь 2010 г.). "Статистически-механические решеточные модели для связывания белка с ДНК в хроматине". Journal of Physics: Condensed Matter . 22 (41): 414105. arXiv : 1004.5514 . Bibcode : 2010JPCM...22O4105T. doi : 10.1088/0953-8984/22/41/414105. PMID  21386588. S2CID  103345.
  3. ^ Baron R, Setny P, McCammon JA (сентябрь 2010 г.). «Вода в распознавании лигандов в полости». Журнал Американского химического общества . 132 (34): 12091–12097. doi :10.1021/ja1050082. PMC 2933114. PMID  20695475 . 
  4. ^ "Разница между значениями Ki, Kd, ​​IC50 и EC50". The Science Snail . 31 декабря 2019 г.
  5. ^ См. Гомологичные кривые конкурентного связывания, архивировано 19 декабря 2007 г. на Wayback Machine , полное руководство по нелинейной регрессии, curvefit.com.
  6. ^ Бааске П., Винкен С.Дж., Райнек П., Дур С., Браун Д. (март 2010 г.). «Оптический термофорез для количественной оценки буферной зависимости связывания аптамеров». Ангеванде Хеми . 49 (12): 2238–2241. дои : 10.1002/anie.200903998. ПМИД  20186894.
    • «Горячая дорога к новым лекарствам». Phys.org . 24 февраля 2010 г.
  7. ^ Винкен CJ, Бааске П., Ротбауэр У, Браун Д., Дур С. (октябрь 2010 г.). «Анализ связывания белков в биологических жидкостях с использованием микромасштабного термофореза». Природные коммуникации . 1 (7): 100. Бибкод : 2010NatCo...1..100W. дои : 10.1038/ncomms1093 . ПМИД  20981028.
  8. Vu-Quoc, L., Конфигурационный интеграл (статистическая механика), 2008. Этот вики-сайт недоступен; см. эту статью в веб-архиве 28 апреля 2012 г.
  9. ^ ab Hammes, Stephen R.; Mendelson, Carole R. (2011). «Механизмы действия гормонов». Учебник эндокринной физиологии. Oxford University Press. doi : 10.1093/oso/9780199744121.003.0006. ISBN 978-0-19-974412-1.
  10. ^ Kenakin TP (2006). Фармакологический учебник: теория, применение и методы. Academic Press . стр. 79. ISBN 978-0-12-370599-0.
  11. ^ Кабанос, C; Ван, M; Хан, X; Хансен, SB (8 августа 2017 г.). «Анализ растворимого флуоресцентного связывания выявляет антагонизм PIP2 каналов TREK-1». Cell Reports . 20 (6): 1287–1294. doi :10.1016/j.celrep.2017.07.034. PMC 5586213. PMID  28793254 . 
  12. ^ аб Матера, Карло; Пуччи, Лука; Фиорентини, Кьяра; Фучиле, Серхио; Миссале, Кристина; Грациозо, Джованни; Клементи, Франческо; Золи, Мишель; Де Амичи, Марко (28 августа 2015 г.). «Бифункциональные соединения, нацеленные как на рецепторы D2, так и на не-α7-нАХ: разработка, синтез и фармакологическая характеристика». Европейский журнал медицинской химии . 101 : 367–383. doi :10.1016/j.ejmech.2015.06.039. ПМИД  26164842.
  13. ^ Matera, Carlo; Flammini, Lisa; Quadri, Marta; Vivo, Valentina; Ballabeni, Vigilio; Holzgrabe, Ulrike; Mohr, Klaus; De Amici, Marco; Barocelli, Elisabetta (2014-03-21). "Агонисты мускариновых ацетилхолиновых рецепторов бис(аммонио)алканового типа: синтез, функциональная характеристика in vitro и оценка их анальгетической активности in vivo". European Journal of Medicinal Chemistry . 75 : 222–232. doi :10.1016/j.ejmech.2014.01.032. PMID  24534538.
  14. ^ Erez M, Takemori AE, Portoghese PS (июль 1982 г.). «Наркотическая антагонистическая активность двухвалентных лигандов, содержащих бета-налтрексамин. Доказательства мостиков между проксимальными сайтами распознавания». Journal of Medicinal Chemistry . 25 (7): 847–849. doi :10.1021/jm00349a016. PMID  7108900.
  15. ^ Portoghese PS, Ronsisvalle G, Larson DL, Yim CB, Sayre LM, Takemori AE (1982). «Опиоидные агонисты и антагонисты двухвалентных лигандов как рецепторные зонды». Life Sciences . 31 (12–13): 1283–1286. doi :10.1016/0024-3205(82)90362-9. PMID  6292615.
  16. ^ Portoghese PS, Akgün E, Lunzer MM (январь 2017 г.). «Индукция гетеромера: подход к уникальной фармакологии?». ACS Chemical Neuroscience . 8 (3): 426–428. doi : 10.1021/acschemneuro.7b00002 . PMID  28139906.
  17. ^ Blum JJ, Conn PM (декабрь 1982 г.). «Стимуляция гонадотропин-рилизинг-гормоном высвобождения лютеинизирующего гормона: модель лиганд-рецептор-эффектор». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 79 (23): 7307–7311. Bibcode : 1982PNAS...79.7307B. doi : 10.1073/pnas.79.23.7307 . JSTOR  13076. PMC 347328. PMID  6296828 . 
  18. ^ Conn PM, Rogers DC, Stewart JM, Niedel J, Sheffield T (апрель 1982 г.). «Преобразование антагониста гонадотропин-рилизинг-гормона в агонист». Nature . 296 (5858): 653–655. Bibcode :1982Natur.296..653C. doi :10.1038/296653a0. PMID  6280058. S2CID  4303982.
  19. ^ Nimczick M, Pemp D, Darras FH, Chen X, Heilmann J, Decker M (август 2014 г.). «Синтез и биологическая оценка лигандов бивалентных каннабиноидных рецепторов на основе селективных бензимидазолов hCB₂R выявляют неожиданные внутренние свойства». Bioorganic & Medicinal Chemistry . 22 (15): 3938–3946. doi :10.1016/j.bmc.2014.06.008. PMID  24984935.
  20. ^ Russo O, Berthouze M, Giner M, Soulier JL, Rivail L, Sicsic S, Lezoualc'h F, Jockers R, Berque-Bestel I (сентябрь 2007 г.). «Синтез специфических двухвалентных зондов, которые функционально взаимодействуют с димерами рецепторов 5-HT(4)». Журнал медицинской химии . 50 (18): 4482–4492. doi :10.1021/jm070552t. PMID  17676726.
  21. ^ Сулье Дж.Л., Руссо О., Гинер М., Ривайл Л., Бертуз М., Онгери С., Мегрэ Б., Фишмейстер Р., Лезуальк ​​Ф., Сиксич С., Берк-Бестель I (октябрь 2005 г.). «Разработка и синтез специфических зондов для исследований димеризации рецептора 5-HT4 человека» (PDF) . Журнал медицинской химии . 48 (20): 6220–6228. дои : 10.1021/jm050234z. ПМИД  16190749.
  22. ^ ab Busnelli M, Kleinau G, Muttenthaler M, Stoev S, Manning M, Bibic L, Howell LA, McCormick PJ, Di Lascio S, Braida D, Sala M, Rovati GE, Bellini T, Chini B (август 2016 г.). «Разработка и характеристика суперпотенциальных двухвалентных лигандов, нацеленных на димеры рецепторов окситоцина через каналоподобную структуру». Журнал медицинской химии . 59 (15): 7152–7166. doi : 10.1021/acs.jmedchem.6b00564 . hdl : 2434/430357 . PMID  27420737.
  23. ^ Lensing CJ, Adank DN, Wilber SL, Freeman KT, Schnell SM, Speth RC, Zarth AT, Haskell-Luevano C (февраль 2017 г.). «Прямое сравнение in vivo моновалентного агониста меланокортина Ac-His-DPhe-Arg-Trp-NH2 с бивалентным агонистом Ac-His-DPhe-Arg-Trp-PEDG20-His-DPhe-Arg-Trp-NH2: преимущество бивалента». ACS Chemical Neuroscience . 8 (6): 1262–1278. doi :10.1021/acschemneuro.6b00399. PMC 5679024 . PMID  28128928. 
  24. ^ ab Xu L, Josan JS, Vagner J, Caplan MR, Hruby VJ, Mash EA, Lynch RM, Morse DL, Gillies RJ (декабрь 2012 г.). «Гетеробивалентные лиганды нацелены на комбинации рецепторов клеточной поверхности in vivo». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (52): 21295–21300. Bibcode : 2012PNAS..10921295X. doi : 10.1073/pnas.1211762109 . JSTOR  42553664. PMC 3535626. PMID  23236171 . 
  25. ^ ab Lensing CJ, Freeman KT, Schnell SM, Adank DN, Speth RC, Haskell-Luevano C (апрель 2016 г.). «Исследование in vitro и in vivo двухвалентных лигандов, демонстрирующих преимущественное связывание и функциональную активность для различных гомодимеров меланокортиновых рецепторов». Журнал медицинской химии . 59 (7): 3112–3128. doi :10.1021/acs.jmedchem.5b01894. PMC 5679017. PMID  26959173 . 
  26. ^ Shonberg J, Scammells PJ, Capuano B (июнь 2011 г.). «Стратегии проектирования двухвалентных лигандов, нацеленных на GPCR». ChemMedChem . 6 (6): 963–974. doi :10.1002/cmdc.201100101. PMID  21520422. S2CID  10561038.
  27. ^ Berque-Bestel I, Lezoualc'h F, Jockers R (декабрь 2008 г.). «Двухвалентные лиганды как специфические фармакологические инструменты для димеров рецепторов, связанных с G-белком». Current Drug Discovery Technologies . 5 (4): 312–318. doi :10.2174/157016308786733591. PMID  19075611.
  28. ^ Akgün E, Javed MI, Lunzer MM, Powers MD, Sham YY, Watanabe Y, Portoghese PS (ноябрь 2015 г.). «Ингибирование воспалительной и нейропатической боли путем воздействия на гетеромер мю-опиоидного рецептора/хемокинового рецептора 5 (MOR-CCR5)». Журнал медицинской химии . 58 (21): 8647–8657. doi :10.1021/acs.jmedchem.5b01245. PMC 5055304. PMID  26451468 . 
  29. ^ Daniels DJ, Lenard NR, Etienne CL, Law PY, Roerig SC, Portoghese PS (декабрь 2005 г.). «Вызванная опиоидами толерантность и зависимость у мышей модулируются расстоянием между фармакофорами в серии двухвалентных лигандов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (52): 19208–19213. Bibcode : 2005PNAS..10219208D. doi : 10.1073 /pnas.0506627102 . JSTOR  4152590. PMC 1323165. PMID  16365317. 
  30. ^ Smeester BA, Lunzer MM, Akgün E, Beitz AJ, Portoghese PS (ноябрь 2014 г.). «Нацеливание предполагаемых гетеромеров мю-опиоидного/метаботропного глутаматного рецептора-5 вызывает мощный антиноцицептивный эффект в модели хронического рака костей у мышей». European Journal of Pharmacology . 743 : 48–52. doi :10.1016/j.ejphar.2014.09.008. PMC 4259840 . PMID  25239072. 
  31. ^ Abrusan G, Marsh JA (2019). «Структура сайта связывания лиганда формирует сворачивание, сборку и деградацию гомомерных белковых комплексов». Журнал молекулярной биологии . 431 (19): 3871–3888. doi : 10.1016/j.jmb.2019.07.014. PMC 6739599. PMID  31306664 . 
  32. ^ Abrusan G, Marsh JA (2018). «Структура сайта связывания лиганда влияет на эволюцию функции и топологии белкового комплекса». Cell Reports . 22 (12): 3265–3276. doi :10.1016/j.celrep.2018.02.085. PMC 5873459. PMID  29562182 . 
  33. ^ Abrusan G, Marsh JA (2019). «Структура сайта связывания лиганда формирует аллостерическую передачу сигнала и эволюцию аллостерии в белковых комплексах». Молекулярная биология и эволюция . 36 (8): 1711–1727. doi :10.1093/molbev/msz093. PMC 6657754. PMID  31004156 . 
  34. ^ Welsch ME, Snyder SA, Stockwell BR (июнь 2010 г.). «Привилегированные каркасы для проектирования библиотек и открытия лекарств». Current Opinion in Chemical Biology . 14 (3): 347–61. doi :10.1016/j.cbpa.2010.02.018. PMC 2908274. PMID 20303320  . 
  35. ^ Комбаров Р., Альтиери А., Генис Д., Кирпиченок М., Кочубей В., Ракитина Н., Титаренко З. (февраль 2010 г.). «BioCores: идентификация привилегированного структурного мотива на основе препарата/натурального продукта для открытия малых молекул». Молекулярное разнообразие . 14 (1): 193–200. doi :10.1007/s11030-009-9157-5. PMID  19468851. S2CID  23331540.

Внешние ссылки