Ligand (Biochemie) - Ligand (biochemistry)

Myoglobin (blau) mit gebundenem Liganden Häm (orange). Basierend auf PDB : 1MBO

In der Biochemie und Pharmakologie ist ein Ligand eine Substanz , die einen Komplex mit einem Biomolekül bildet , um einem biologischen Zweck zu dienen. Die Etymologie stammt von ligare , was „binden“ bedeutet. In Protein-Liganden - Bindung, ist der Ligand in der Regel ein Molekül , das ein produziertes Signal durch Bindung an einem Ort auf einem Zielprotein . Die Bindung führt typischerweise zu einer Änderung der Konformationsisomerie (Konformation) des Zielproteins. In DNA-Liganden-Bindungsstudien kann der Ligand ein kleines Molekül, Ion oder Protein sein, das an die DNA-Doppelhelix bindet . Die Beziehung zwischen Ligand und Bindungspartner ist eine Funktion von Ladung, Hydrophobie und Molekülstruktur. Die Bindung erfolgt über einen infinitesimalen Zeit- und Raumbereich, sodass die Geschwindigkeitskonstante normalerweise eine sehr kleine Zahl ist.

Die Bindung erfolgt durch intermolekulare Kräfte , wie Ionenbindungen , Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte . Die Assoziation oder das Andocken ist durch Dissoziation tatsächlich reversibel. Eine messbar irreversible kovalente Bindung zwischen einem Liganden und einem Zielmolekül ist in biologischen Systemen untypisch. Im Gegensatz zur Definition von Ligand in der metallorganischen und anorganischen Chemie ist es in der Biochemie mehrdeutig, ob der Ligand im Allgemeinen an eine Metallstelle bindet , wie dies beim Hämoglobin der Fall ist . Im Allgemeinen ist die Interpretation des Liganden kontextabhängig in Bezug darauf, welche Art von Bindung beobachtet wurde.

Die Bindung eines Liganden an ein Rezeptorprotein verändert die Konformation durch Beeinflussung der dreidimensionalen Formorientierung. Die Konformation eines Rezeptorproteins bildet den funktionellen Zustand. Liganden umfassen Substrate , Inhibitoren , Aktivatoren , Signallipide und Neurotransmitter . Die Bindungsrate wird Affinität genannt , und diese Messung gibt eine Tendenz oder Stärke des Effekts an. Die Bindungsaffinität wird nicht nur durch Wirt-Gast- Wechselwirkungen aktualisiert , sondern auch durch Lösungsmitteleffekte, die eine dominante, sterische Rolle spielen können, die die nichtkovalente Bindung in Lösung vorantreibt . Das Lösungsmittel bietet eine chemische Umgebung für den Liganden und den Rezeptor, um sich anzupassen und sich somit gegenseitig als Partner anzunehmen oder abzulehnen.

Radioliganden sind mit Radioisotopen markierte Verbindungen, die in vivo als Tracer in PET- Studien und für in vitro- Bindungsstudien verwendet werden.

Rezeptor/Liganden-Bindungsaffinität

Die Wechselwirkung von Liganden mit ihren Bindungsstellen kann durch eine Bindungsaffinität charakterisiert werden. Im Allgemeinen resultiert die Ligandenbindung mit hoher Affinität aus größeren Anziehungskräften zwischen dem Liganden und seinem Rezeptor, während die Ligandenbindung mit niedriger Affinität eine geringere Anziehungskraft beinhaltet. Im Allgemeinen führt eine Bindung mit hoher Affinität zu einer höheren Besetzung des Rezeptors durch seinen Liganden als dies bei einer Bindung mit niedriger Affinität der Fall ist; die Verweilzeit (Lebensdauer des Rezeptor-Ligand-Komplexes) korreliert nicht. Die hochaffine Bindung von Liganden an Rezeptoren ist oft physiologisch wichtig, wenn ein Teil der Bindungsenergie verwendet werden kann, um eine Konformationsänderung des Rezeptors zu bewirken, was zu einem veränderten Verhalten beispielsweise eines assoziierten Ionenkanals oder Enzyms führt .

Ein Ligand, der an und verändern die Funktion des Rezeptors binden kann , die eine physiologische Reaktion auslöst , ist ein Rezeptor genannt Agonisten . Liganden , die an einen Rezeptor binden , aber nicht die physiologische Reaktion sind Rezeptor aktivieren Antagonisten .

Zwei Agonisten mit ähnlicher Bindungsaffinität

Agonist Bindung an einen Rezeptor kann sowohl in Hinblick darauf, wie viel physiologische Antwort charakterisiert werden kann ausgelöst werden (das heißt, die Wirksamkeit ) , und im Hinblick auf die Konzentration des Agonisten, die die physiologische Reaktion zu erzeugen (oft als gemessen , die erforderlich ist , EC 50 , die Konzentration, die erforderlich ist, um die halbmaximale Reaktion zu erzeugen). Eine Ligandenbindung mit hoher Affinität impliziert, dass eine relativ niedrige Konzentration eines Liganden ausreichend ist, um eine Ligandenbindungsstelle maximal zu besetzen und eine physiologische Reaktion auszulösen. Die Rezeptoraffinität wird durch eine Hemmkonstante oder einen K i -Wert gemessen , die Konzentration, die erforderlich ist, um 50% des Rezeptors zu besetzen. Ligandenaffinitäten werden am häufigsten indirekt als IC 50 -Wert aus einem kompetitiven Bindungsexperiment gemessen, bei dem die Konzentration eines Liganden bestimmt wird, die erforderlich ist, um 50 % einer festen Konzentration des Referenzliganden zu verdrängen. Die K i Wert kann von IC abschätzbar 50 durch die Cheng Prusoff Gleichung . Ligandenaffinitäten können auch direkt als Dissoziationskonstante (K d ) mit Methoden wie Fluoreszenzlöschung , isothermer Titrationskalorimetrie oder Oberflächenplasmonenresonanz gemessen werden .

Bindung mit niedriger Affinität (hoher K i -Spiegel) impliziert, dass eine relativ hohe Konzentration eines Liganden erforderlich ist, bevor die Bindungsstelle maximal besetzt ist und die maximale physiologische Reaktion auf den Liganden erreicht wird. Im rechts gezeigten Beispiel binden zwei verschiedene Liganden an dieselbe Rezeptorbindungsstelle. Nur einer der gezeigten Agonisten kann den Rezeptor maximal stimulieren und kann daher als vollständiger Agonist definiert werden . Ein Agonist, der die physiologische Reaktion nur teilweise aktivieren kann, wird als partieller Agonist bezeichnet . In diesem Beispiel beträgt die Konzentration, bei der der volle Agonist (rote Kurve) den Rezeptor halbmaximal aktivieren kann, etwa 5 x 10 –9 molar (nM = nanomolar ).

Zwei Liganden mit unterschiedlicher Rezeptorbindungsaffinität.

Die Bindungsaffinität wird am häufigsten unter Verwendung eines radioaktiv markierten Liganden bestimmt, der als markierter Ligand bekannt ist. Homologe kompetitive Bindungsexperimente beinhalten die Bindungskompetition zwischen einem markierten Liganden und einem nicht markierten Liganden. Echtzeitbasierte Methoden, die oft markierungsfrei sind, wie Oberflächenplasmonenresonanz , Dual-Polarisationsinterferometrie und multiparametrische Oberflächenplasmonenresonanz (MP-SPR) können nicht nur die Affinität von konzentrationsbasierten Assays quantifizieren; aber auch von der Kinetik der Assoziation und Dissoziation und in den späteren Fällen von der durch die Bindung induzierten Konformationsänderung. MP-SPR ermöglicht dank eines einzigartigen optischen Aufbaus auch Messungen in Puffern mit hoher Salzdissoziation. Mikroskalige Thermophorese (MST), eine immobilisierungsfreie Methode, wurde entwickelt. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der Bindungsaffinität ohne Beschränkung auf das Molekulargewicht des Liganden.

Für die Verwendung von statistischer Mechanik in einer quantitativen Untersuchung der Ligand-Rezeptor - Bindungsaffinität, siehe den umfassenden Artikel über die konfigurative Partitionsfunktion .

Wirkstoffpotenz und Bindungsaffinität

Bindungsaffinitätsdaten allein bestimmen nicht die Gesamtwirksamkeit eines Arzneimittels. Die Wirksamkeit ist das Ergebnis des komplexen Zusammenspiels sowohl der Bindungsaffinität als auch der Ligandenwirksamkeit. Die Wirksamkeit des Liganden bezieht sich auf die Fähigkeit des Liganden, bei Bindung an den Zielrezeptor eine biologische Reaktion hervorzurufen, und das quantitative Ausmaß dieser Reaktion. Diese Reaktion kann in Abhängigkeit von der erzeugten physiologischen Reaktion als Agonist , Antagonist oder inverser Agonist erfolgen.

Selektiv und nicht selektiv

Selektive Liganden haben die Tendenz, an sehr begrenzte Arten von Rezeptoren zu binden, während nicht-selektive Liganden an mehrere Arten von Rezeptoren binden. Dies spielt eine wichtige Rolle in der Pharmakologie , wo nicht-selektive Medikamente eher nachteilige Wirkungen haben , weil sie zusätzlich zu dem, der die gewünschte Wirkung erzeugt, an mehrere andere Rezeptoren binden.

Hydrophobe Liganden

Für hydrophobe Liganden (zB PIP2) im Komplex mit einem hydrophoben Protein (zB Lipid-gesteuerte Ionenkanäle ) wird die Affinitätsbestimmung durch unspezifische hydrophobe Wechselwirkungen erschwert. Unspezifische hydrophobe Wechselwirkungen können überwunden werden, wenn die Affinität des Liganden hoch ist. Zum Beispiel bindet PIP2 mit hoher Affinität an PIP2-gesteuerte Ionenkanäle.

Zweiwertiger Ligand

Bivalente Liganden bestehen aus zwei wirkstoffähnlichen Molekülen (Pharmakophoren oder Liganden), die durch einen inerten Linker verbunden sind. Es gibt verschiedene Arten von bivalenten Liganden und werden oft basierend auf dem Ziel der Pharmakophore klassifiziert. Homobivalente Liganden zielen auf zwei der gleichen Rezeptortypen ab. Heterobivalente Liganden zielen auf zwei verschiedene Rezeptortypen ab. Bitopische Liganden zielen auf orthosterische Bindungsstellen und allosterische Bindungsstellen auf demselben Rezeptor.

In der wissenschaftlichen Forschung wurden bivalente Liganden verwendet, um Rezeptordimere zu untersuchen und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Diese Klasse von Liganden wurde von Philip S. Portoghese und Mitarbeitern entwickelt, als sie das Opioidrezeptorsystem untersuchten. Bivalente Liganden wurden auch schon früh von Micheal Conn und Mitarbeitern für den Gonadotropin-Releasing-Hormon-Rezeptor beschrieben. Seit diesen frühen Berichten gibt es viele Liganden bivalent für verschiedene berichteten G - Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) Systeme einschließlich Cannabinoid, Serotonin, Oxytocin und Melanocortin - Rezeptor - Systemen und für GPCR - LIC - Systeme ( D2 und nACh - Rezeptoren ).

Zweiwertige Liganden sind normalerweise größer als ihre einwertigen Gegenstücke und daher nicht „wirkstoffähnlich“. (Siehe die Lipinski Regel fünf ) . Viele glauben , dass dies schränkt ihre Anwendbarkeit im klinischen Umfeld. Trotz dieser Überzeugungen gab es viele Liganden, die über erfolgreiche präklinische Tierstudien berichtet haben. Angesichts der Tatsache, dass einige bivalente Liganden im Vergleich zu ihren monovalenten Gegenstücken viele Vorteile haben können (wie Gewebeselektivität, erhöhte Bindungsaffinität und erhöhte Potenz oder Wirksamkeit), können bivalente auch einige klinische Vorteile bieten.

Mono- und polydesmische Liganden

Proteinliganden können auch durch die Anzahl der Proteinketten charakterisiert werden, die sie binden. „Monodesmische“ Liganden (μόνος: einzeln, δεσμός: bindend) sind Liganden, die eine einzelne Proteinkette binden, während „polydesmische“ Liganden (πολοί: viele) häufig in Proteinkomplexen vorkommen und Liganden sind, die typischerweise mehr als eine Proteinkette binden in oder in der Nähe von Proteingrenzflächen Jüngste Forschungen zeigen, dass die Art der Liganden und die Struktur der Bindungsstelle tiefgreifende Konsequenzen für die Evolution, Funktion, Allosterie und Faltung von Proteinkomplexen haben.

Privilegiertes Gerüst

Ein privilegiertes Gerüst ist ein molekulares Gerüst oder eine chemische Einheit, die statistisch unter bekannten Arzneimitteln oder unter einer bestimmten Reihe biologisch aktiver Verbindungen auftritt. Diese privilegierten Elemente können als Grundlage für das Design neuer aktiver biologischer Verbindungen oder Substanzbibliotheken verwendet werden.

Methoden zum Studium der Bindung

Hauptmethoden zur Untersuchung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen sind hauptsächliche hydrodynamische und kalorimetrische Techniken sowie hauptsächliche spektroskopische und strukturelle Methoden wie

Andere Techniken umfassen: Fluoreszenzintensität, bimolekulare Fluoreszenzkomplementation, FRET (Fluoreszenzresonanzenergietransfer) / FRET-Quenching-Oberflächenplasmonenresonanz , Bioschicht -Interferometrie , Coimmunopräzipitation, indirekter ELISA, Gleichgewichtsdialyse, Gelelektrophorese, Far Western Blot, Fluoreszenzpolarisationsanisotropie, Elektronenparamagnetik Resonanz, mikroskalige Thermophorese

Die dramatisch gestiegene Rechenleistung von Supercomputern und Personal Computern hat es möglich gemacht, Protein-Ligand-Wechselwirkungen auch mittels Computerchemie zu untersuchen . Zum Beispiel wurde im Projekt grid.org , das im April 2007 endete , ein weltweites Netz von weit über einer Million gewöhnlicher PCs für die Krebsforschung genutzt . Grid.org folgten ähnliche Projekte wie World Community Grid , Human Proteome Folding Project , Computer gegen Krebs und Folding@Home .

Siehe auch

Verweise

Externe Links

  • BindingDB , eine öffentliche Datenbank mit gemessenen Protein-Liganden-Bindungsaffinitäten.
  • BioLiP , eine umfassende Datenbank für Ligand-Protein-Interaktionen.