В биохимии и фармакологии лиганд — это вещество , образующее комплекс с биомолекулой для достижения биологической цели. Этимология происходит от латинского ligare , что означает «связывать». При связывании белок-лиганд лиганд обычно представляет собой молекулу , которая производит сигнал путем связывания с сайтом белка- мишени . Связывание обычно приводит к изменению конформационной изомерии (конформации) целевого белка. В исследованиях связывания ДНК с лигандом лиганд может представлять собой небольшую молекулу, ион [ 1] или белок [2] , который связывается с двойной спиралью ДНК . Отношения между лигандом и партнером по связыванию зависят от 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 на самом деле обратима посредством диссоциации . Измеримо необратимая ковалентная связь между лигандом и молекулой-мишенью нетипична для биологических систем. В отличие от определения лиганда в металлоорганической и неорганической химии , в биохимии неоднозначно, связывается ли лиганд вообще с металлическим сайтом, как в случае с гемоглобином . В общем, интерпретация лиганда зависит от того, какой тип связывания наблюдался.
Связывание лиганда с белком-рецептором 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 аффинностью, и это измерение характеризует тенденцию или силу эффекта. Сродство связывания реализуется не только за счет взаимодействия хозяин-гость , но также за счет эффектов растворителя, которые могут играть доминирующую стерическую роль, приводящую к нековалентному связыванию в растворе. [3] Растворитель обеспечивает химическую среду, в которой лиганд и рецептор могут адаптироваться и, таким образом, принимать или отвергать друг друга как партнеров.
Радиолиганды представляют собой меченые радиоизотопами соединения, используемые in vivo в качестве индикаторов в исследованиях ПЭТ и исследованиях связывания in vitro .
Взаимодействие лигандов с их сайтами связывания можно охарактеризовать с точки зрения аффинности связывания. В общем, связывание лиганда с высоким сродством является результатом более сильных сил притяжения между лигандом и его рецептором , тогда как связывание лиганда с низким сродством предполагает меньшую силу притяжения. В общем, 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. Высокоаффинное связывание лигандов с рецепторами часто физиологически важно, когда некоторая часть энергии связывания может быть использована для того, чтобы вызвать конформационные изменения в рецепторе, что приводит к изменению поведения, например, связанного ионного канала или фермента .
Лиганд, который может связываться с рецептором и изменять его функцию, вызывающую физиологический ответ, называется агонистом рецептора . Лиганды, которые связываются с рецептором, но не активируют физиологический ответ, являются антагонистами рецептора .
Связывание агониста с рецептором можно охарактеризовать как с точки зрения того, насколько сильный физиологический ответ может быть вызван (т.е. эффективностью ) , так и с точки зрения концентрации агониста, которая необходима для возникновения физиологического ответа (часто измеряется как ЕС 50 , концентрация, необходимая для получения полумаксимального ответа). Высокоаффинное связывание лиганда означает, что относительно низкая концентрация лиганда достаточна для максимального занятия сайта связывания лиганда и запуска физиологического ответа. Сродство к рецептору измеряется константой ингибирования или значением K i , концентрацией, необходимой для того, чтобы занять 50% рецептора. Сродство к лиганду чаще всего измеряют косвенно как значение IC 50 из эксперимента по конкурентному связыванию, в котором определяют концентрацию лиганда, необходимую для замещения 50% фиксированной концентрации эталонного лиганда. Значение K i можно оценить по IC 50 с помощью уравнения Ченга Прусоффа . Сродство к лигандам также можно измерить непосредственно как константу диссоциации (Kd ) с использованием таких методов, как тушение флуоресценции , изотермическая титровальная калориметрия или поверхностный плазмонный резонанс . [4]
Низкое сродство связывания (высокий уровень K i ) 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 лишь частично активировать физиологический ответ, называется частичным агонистом . В этом примере концентрация, при которой полный агонист (красная кривая) может наполовину активировать рецептор, составляет около 5 x 10 -9 Молярная (нМ = наномолярная ).
Сродство связывания чаще всего определяют с использованием радиоактивно меченного лиганда, известного как меченый лиганд. Эксперименты по гомологическому конкурентному связыванию включают конкуренцию по связыванию между меченым и нетегированным лигандом. [5] Методы в реальном времени, которые часто не содержат меток, такие как поверхностный плазмонный резонанс , интерферометрия двойной поляризации и многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс (MP-SPR), могут не только количественно определять сродство на основе анализов на основе концентрации; но также и от кинетики ассоциации и диссоциации, а в более поздних случаях – от конформационных изменений, вызванных связыванием. MP-SPR также позволяет проводить измерения в буферах диссоциации с высоким содержанием соли благодаря уникальной оптической установке. Разработан безиммобилизационный метод микротермофореза (МСТ) [6] . Этот метод позволяет определять аффинность связывания без каких-либо ограничений по молекулярной массе лиганда. [7]
Для использования статистической механики в количественном исследовании сродства связывания лиганд-рецептор см. подробную статью [8] о конфигурационной статистической сумме .
Сами по себе данные об аффинности связывания не определяют общую эффективность лекарственного средства. Эффективность является результатом сложного взаимодействия как аффинности связывания, так и эффективности лиганда. Эффективность лиганда относится к способности лиганда вызывать биологический ответ при связывании с целевым рецептором и количественной величиной этого ответа. Этот ответ может быть агонистическим , антагонистическим или обратным агонистом , в зависимости от вызванного физиологического ответа. [9]
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 неселективные препараты имеют тенденцию оказывать более неблагоприятное воздействие , поскольку они связываются с несколькими другими рецепторами в дополнение к тому, который вызывает желаемый эффект.
Для гидрофобных лигандов (например, PIP2) в комплексе с гидрофобным белком (например, липид-управляемыми ионными каналами ) определение сродства осложняется неспецифическими гидрофобными взаимодействиями. Неспецифические гидрофобные взаимодействия можно преодолеть, если сродство лиганда велико. [10] Например, PIP2 с высоким сродством связывается с PIP2-управляемыми ионными каналами.
Бивалентные лиганды состоят из двух молекул, подобных лекарству (фармакофоров или лигандов), соединенных инертным линкером. Существуют различные виды двухвалентных лигандов, которые часто классифицируются в зависимости от того, на что нацелены фармакофоры. Гомобивалентные лиганды нацелены на два одинаковых типа рецепторов. Гетеробивалентные лиганды нацелены на два разных типа рецепторов. [11] Битопические лиганды нацелены на ортостерические сайты связывания и аллостерические сайты связывания на одном и том же рецепторе. [12] В научных исследованиях двухвалентные лиганды использовались для изучения димеров рецепторов и изучения их свойств. Этот класс лигандов был впервые открыт Филипом С. Портогезе и его коллегами при изучении системы опиоидных рецепторов. [13] [14] [15] Ранее Майкл Конн и его коллеги также сообщили о двухвалентных лигандах рецептора гонадотропин-высвобождающего гормона. [16] [17] Со времени этих ранних сообщений сообщалось о многих двухвалентных лигандах для различных систем рецепторов, связанных с G-белком (GPCR), включая каннабиноид, [18] серотонин, [19] [20] окситоцин, [21] и меланокортин. рецепторные системы, [22] [23] [24] и для систем GPCR - LIC (рецепторы D2 и nACh ). [11]
Двухвалентные лиганды обычно больше, чем их одновалентные аналоги, и, следовательно, не «лекарственные», как в правиле пяти Липинского . Многие считают, что это ограничивает их применимость в клинических условиях. [25] [26] Несмотря на эти убеждения, было много лигандов, которые сообщили об успешных доклинических исследованиях на животных. [23] [24] [21] [27] [28] [29] Учитывая, что некоторые двухвалентные лиганды могут иметь много преимуществ по сравнению с их моновалентными аналогами (например, селективность к тканям, повышенное сродство связывания и повышенная активность или эффективность), биваленты может также предложить некоторые клинические преимущества.
Лиганды белков можно охарактеризовать также количеством белковых цепей, с которыми они связываются. «Монодесмические» лиганды (μόνος: одиночный, δεσμός: связывание) — это лиганды, связывающие одну белковую цепь, тогда как «полидесмические» лиганды (πολοί: многие) [30] часто встречаются в белковых комплексах и представляют собой лиганды, связывающие более одного белка. цепи, обычно внутри или вблизи границ раздела белков. Недавние исследования показывают, что тип лигандов и структура сайтов связывания имеют глубокие последствия для эволюции, функции, аллостерии и сворачивания белковых комплексов. [31] [32]
Привилегированный каркас [33] представляет собой молекулярный каркас или химическую часть, которая статистически повторяется среди известных лекарств или среди определенного набора биологически активных соединений. Эти привилегированные элементы [34] могут быть использованы в качестве основы для создания новых активных биологических соединений или библиотек соединений.
Основными методами изучения белок-лигандных взаимодействий являются основные гидродинамические и калориметрические методы, а также основные спектроскопические и структурные методы, такие как
Другие методы включают: интенсивность флуоресценции, бимолекулярную комплементацию флуоресценции, FRET (флуоресцентный резонансный перенос энергии) / FRET тушение поверхностного плазмонного резонанса, биослойную интерферометрию , непрямой ИФА коиммунопреципитации, равновесный диализ, гель-электрофорез, дальний вестерн-блоттинг, анизотропию поляризации флуоресценции, электронный парамагнитный метод. резонанс, микромасштабный термофорез , переключательSENSE .
Резко возросшая вычислительная мощность суперкомпьютеров и персональных компьютеров позволила изучать взаимодействия белок-лиганд также средствами вычислительной химии . Например, всемирная сеть, состоящая из более чем миллиона обычных компьютеров, была использована для исследования рака в рамках проекта Grid.org , который завершился в апреле 2007 года. На смену Grid.org пришли аналогичные проекты, такие как World Community Grid , Human Proteome Folding Project. , Вычисления против рака и Folding@Home .