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 .
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 .
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 ).
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 .
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 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]
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.
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.
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.
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]
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.
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 .