Inom biokemi och farmakologi är en ligand en kemisk förening (ofta, men inte alltid, en liten molekyl) som bildar ett komplex med en viss biomolekyl (oftast ett protein , t.ex. en cellulär receptor , men ibland t.ex. DNA ) och producerar, som ett resultat av denna bindning, vissa biokemiska, fysiologiska eller farmakologiska effekter. I fallet med bindning av en ligand till ett protein är liganden typiskt en liten signalmolekyl som binder till ett specifikt bindningsställe på målproteinet (t.ex. en receptor). Vid ligandbindning till DNA är liganden vanligtvis också en liten molekyl eller jon [1] eller protein [2] som binder till DNA-dubbelhelixen.
Bindningen av en ligand till en receptor sker vanligtvis med hjälp av intermolekylära interaktionskrafter, såsom jonbindningar , vätebindningar, Van der Waals krafter (Vander Waals krafter) - intermolekylära (och interatomiska ) interaktionskrafter med en energi på 10-20 kJ / mol . Termen hänvisade ursprungligen till alla sådana krafter, i modern vetenskap tillämpas det vanligtvis på de krafter som uppstår från polariseringen av molekyler och bildandet av dipoler . Upptäckt av JD Van der Waals 1869 .
Van der Waals krafter av interatomisk interaktion av inerta gaser bestämmer möjligheten av förekomsten av aggregerade tillstånd av inerta gaser ( gas , vätska och fasta ämnen ).
van der Waals krafter inkluderar interaktioner mellan dipoler (permanenta och inducerade). Namnet kommer från det faktum att dessa krafter är orsaken till korrigeringen för inre tryck i van der Waals tillståndsekvation för en riktig gas . Dessa interaktioner, såväl som vätebindningar , bestämmer bildandet av den rumsliga strukturen för biologiska makromolekyler.
Van der Waals krafter uppstår också mellan en partikel (makroskopisk partikel eller nanopartikel) och en molekyl, och mellan två partiklar. Bindning eller association av en ligand med en receptor (den så kallade "dockningen" av en ligand till en specifik "nisch" i receptorn) är vanligtvis reversibel och kortlivad. Den omvända processen kallas dissociationen av liganden från bindningen med receptorn. Irreversibel kovalent bindning av en ligand till en receptor eller annat molekylärt mål för den liganden är sällsynt i biologiska system, åtminstone under fysiologiska förhållanden. Men konstgjorda, exogena ligander som irreversibelt kovalent binder till målmolekyler finns förstås och är till och med av stor betydelse inom medicinen, såsom till exempel irreversibelt alkylerande DNA-antitumörläkemedel av alkylerande typ eller irreversibelt inaktiverande MAO-antidepressiva medel av MAOI. grupp, eller irreversibelt inaktiverande a-adrenoreceptorer fenoxibensamin. I motsats till den accepterade definitionen av en ligand i organometallisk och oorganisk kemi, för processen för interaktion av en ligand med målbiomolekyler, är det helt oviktigt (och inte nödvändigt) att liganden interagerar exakt med kofaktormetallen i sammansättningen av en biologisk molekyl (särskilt eftersom inte alla biologiska molekyler innehåller metaller). som kofaktorer). Bindningen av en ligand till det metallinnehållande stället i en biologisk molekyl återfinns dock ofta i biologiska system och är av stor biologisk betydelse för transportproteiner, såsom hemoglobin (som transporterar syre , koldioxid och även kan transportera andra endogena gaser, särskilt endogen kolmonoxid), gas , endogen vätesulfid och endogen svaveloxid (IV) ) och för katalytiska enzymer , av vilka många är metalloenzymer (de innehåller en jon av en eller annan metall i sammansättningen av aktivt katalytiskt centrum i ett koordinationskomplex med ett protein).
Bindning av en ligand till en receptor (receptorprotein) ändrar dess konformationstillstånd (tredimensionell rumslig konfiguration). Och detta kan i sin tur leda till en förändring i proteinets funktionella tillstånd (till exempel till aktivering eller inaktivering av en receptor eller ett enzym, till dissociering av en av underenheterna i det sammansatta proteinet, eller omvänt, till proteinets förvärvande av förmågan att fästa en annan specifik ligand eller ett annat protein, eller öppning av en proteinkopplad jonkanal, eller självfosforylering eller annan självmodifiering av proteinet, eller möjligheter för det att fosforyleras eller annars modifierad av ett annat protein, etc.). Begreppet "ligand" inkluderar både substrat för enzymer och antigener som känns igen av antikroppar , och olika agonister , antagonister och omvända agonister , inklusive endogena sådana, såsom neurotransmittorer , hormoner , cytokiner och kemokiner, och hämmare och aktivatorer av vissa enzymer eller regulatoriska proteiner och transkriptionsfaktorer och exogena, såsom läkemedel , etc. Bindningsstyrkan för en ligand till ett målprotein (t.ex. receptor) kallas "affiniteten" eller affiniteten för liganden till målproteinet (t.ex. receptor). Bindningsstyrkan för en ligand till ett målprotein bestäms inte bara av styrkan av direkta interaktioner mellan liganden och ett givet protein (till exempel en receptor), utan också av mikromiljön hos proteinmolekylen, i synnerhet av lösningsmedel molekyler som finns runt omkring, vilket kan spela en dominerande roll för att säkerställa adekvata icke-kovalenta intermolekylära interaktioner mellan ligand och målprotein ( vatten [3] , cellmembranlipider ) och partnerproteiner (i fallet med till exempel oligomera receptorer eller G- proteinkopplade receptorer). I synnerhet är ökningen av affiniteten hos transmembranreceptorer för endogena agonister i närvaro av kolesterol och sfingolipider anledningen till att dessa receptorer tenderar att vara lokaliserade på vissa ställen på cellmembranet, kallade lipidflottar och berikade på kolesterol och sfingolipider.
Radioligander kallas radioaktivt märkta (en eller annan radioaktiv isotop) föreningar som har tillräckligt hög affinitet och selektiva med avseende på någon önskad subtyp av receptorer och används både in vivo för positronemissionstomografi (PET) för att studera fördelningen av dessa receptorer i en levande organism och graden av bindning med dessa receptorer av vissa läkemedel i kliniskt använda doser, och in vitro som "heta ligander" för att bestämma affiniteten (graden av affinitet för receptorn) för den "kalla liganden".
Interaktionen mellan de flesta ligander och deras bindningsställen kan karakteriseras i termer av graden av affinitet hos liganden för receptorn (ligandreceptoraffinitet). I allmänhet är en hög grad av affinitet för en viss ligand för en given specifik receptorsubtyp (hög ligandaffinitet för denna receptorsubtyp) resultatet av en starkare intermolekylär interaktion mellan receptorn och dess ligand, och vice versa - en lägre grad av ligandaffinitet för denna receptor (lägre affinitet för denna receptor) är som regel en konsekvens av den lägre styrkan hos den intermolekylära interaktionen mellan dem. Detta betyder också att bindning av liganden till receptorn med hög affinitet (det vill säga hög affinitet, med andra ord stark) generellt sett innebär en längre uppehållstid för liganden på receptorn (och följaktligen en större procentandel av receptorbeläggningen) vid relativt låga doser eller koncentrationer). Dessutom har en hög bindningsaffinitet för en ligand till en receptor (en hög affinitet hos liganden för den) ofta viktiga fysiologiska konsekvenser, eftersom en del av bindningsenergin för liganden till receptorn (som naturligt är högre med "hög affinitet) ", bindning med hög affinitet, vilket innebär en ökad styrka av intermolekylär interaktion) kan användas för att ändra receptorns rumsliga konfiguration, vilket i sin tur kan leda till aktivering eller, omvänt, deaktivering av receptorn och till öppnandet av jonen kanal associerad med receptorn eller till en förändring i beteendet (ökning eller minskning av aktivitet) associerad med receptorenzymet eller det regulatoriska proteinet. Således är en ligand med högre affinitet (som har en högre affinitet för receptorn) mer sannolikt att vara fysiologiskt och farmakologiskt aktiv (det vill säga uppvisa en viss grad av intern agonistisk aktivitet, oavsett om den är en agonist eller en omvänd agonist). Detta är dock inte garanterat - "neutrala antagonister" med hög affinitet, eller snarare, medel nära neutrala antagonister, det vill säga har en mycket låg modul för intern agonistisk aktivitet, nära noll, men som ändå visar en hög eller mycket hög grad av affinitet för receptorn, finns också affiniteter till den.
En receptorligand som kan binda till en receptor, ändra den rumsliga konfigurationen av denna receptor på ett sådant sätt att den leder till dess aktivering, och som ett resultat, kunna orsaka ett eller annat fysiologiskt eller biokemiskt svar hos cellen (till vara en utlösare för ett sådant svar) kallas en agonist mot denna receptor. Bindningen av en agonist till en receptor kan karakteriseras både i termer av hur stor den maximala fysiologiska responsen som kan erhållas genom att stimulera det maximala tillgängliga antalet receptorer med just den agonisten (”intrinsic agonist activity”), och i termer av vad molär koncentration av en given agonist krävs för att framkalla ett fysiologiskt svar av en eller annan styrka ("dos-responskurva") och i termer av vilken molär koncentration av en given agonist som krävs för att framkalla ett fysiologiskt svar på 50 % av maximalt uppnåeligt för en given agonist ("halva maximala effektiva koncentrationen", eller EC 50 , EC 50 ). Således är det bestämda och uppmätta värdet av EC50 bara en kvantitativ egenskap av måttet på agonistens affinitet till receptorn (ett mått på dess affinitet för den). Om vi däremot mäter koncentrationen som krävs för att erhålla 50 % av det "maximalt uppnåbara fysiologiska svaret i allmänhet ", och inte 50 % av det maximalt uppnåbara för just denna agonist (med det maximalt uppnåbara, det vill säga för 100 % - den maximala effekten från den endogena agonisten ), då får vi EC 50 -värdet , som beror både på agonistaffinitetsvärdet (graden av dess affinitet för receptorn) och på förhållandet mellan dess interna agonistiska aktivitet och den interna agonistiska aktiviteten hos den endogena agonisten, taget som 100 %. Sålunda definierat EC 50 kommer att vara ett kvantitativt mått inte bara på affinitet, utan på molaraktiviteten hos ett ämne (dess "styrka"), vilket är en funktion av både affiniteten (affiniteten för receptorn) och den interna agonistiska aktiviteten (" receptoreffektivitet") för en given ligand.
Således innebär hög affinitet (hög affinitet) bindning av en ligand till en receptor att en relativt låg koncentration av liganden krävs för att säkerställa fullständig (högst möjlig för ett givet receptorsystem) ockupation av bindningsställena för en given ligand på receptorerna och inducera det maximala möjliga fysiologiska svaret för en given ligand (värde som beror på ligandens "inneboende agonistiska aktivitet"). Det vill säga, ju lägre Ki -värdet är, vilket kännetecknar bindningsaffiniteten för liganden till receptorn, desto mer sannolikt är det att en kemisk bindning bildas mellan ligandmolekylerna och receptormolekylerna som ett resultat av en slumpmässig kollision av molekyler under Brownsk rörelse (eftersom det finns en större intermolekylär interaktionskraft mellan dem). Och en större styrka av intermolekylär interaktion betyder också en längre genomsnittlig retentionstid för liganden på receptorn (längre varaktighet av förekomsten av en icke-kovalent kemisk bindning). Omvänt innebär låg affinitetsbindning (låg affinitet för receptorn), dvs ett högt Ki - värde , att relativt höga koncentrationer av en given ligand krävs för att uppnå maximal ockupation av alla tillgängliga bindningsställen och framkalla det maximala fysiologiska svaret som är möjligt för en given agonist. Detta betyder också att bildandet av en kemisk bindning mellan en given ligand och en receptor som ett resultat av en slumpmässig kollision av molekyler under Brownsk rörelse är mindre sannolikt för en agonist med lägre affinitet (som har mindre affinitet för receptorn), eftersom det finns mindre intermolekylär kraft mellan dem och den är mindre specifik. Och den genomsnittliga retentionstiden för liganden på receptorn för låg affinitet (har låg affinitet för receptorn) är kortare, den frisätter receptorn snabbare och dissocierar från dess koppling med den snabbare. En högre koncentration för en lågaffinitetsligand är nödvändig just för att det ökar sannolikheten för en "slumpmässig kollision" av lågaffinitetsligandmolekyler med receptorn och sannolikheten för kemisk bindning mellan dem.
På bilden till höger binder två olika agonistligander till samma receptorbindningsställe. Endast en av dem kan maximalt (det vill säga mest effektivt, mest troligt) stimulera receptorn och kan därför definieras som en "full agonist" för denna receptorsubtyp. En agonist som endast delvis kan aktivera receptorer (dvs. gör det mindre effektivt än en hel agonist, mindre sannolikt att leda till den "önskade" förändringen i receptorns konfiguration och till dess aktivering efter bindning, jämfört med en full agonist ) och därför kan orsaka ett mindre fysiologiskt svar än en hel agonist kallas en partiell agonist eller partiell agonist. I detta exempel är koncentrationen vid vilken en hel agonist (röd kurva) kan framkalla 50 % av det maximala fysiologiska svaret (dvs. EC50 ) ungefär 5 x 10-9 nanomol ( nM ).
Ligander som binder till receptorer kan dock inte eller nästan inte aktivera receptorn (eller snarare, de gör detta med en försumbar sannolikhet) och kan följaktligen i sig själva inte orsaka och orsaka ett fysiologiskt svar från receptorsystemet, utan endast förhindra bindning av både agonister och omvända agonister, och det fysiologiska svaret på dem, kallas antagonister .
I exemplet som visas till vänster visas dos-responskurvor för två ligander med olika grad av affinitet för receptorn (olika affiniteter för den). Bindningen av en ligand till en receptor karakteriseras ofta i termer av vilken koncentration av ligand som krävs för att ockupera 50 % av alla tillgängliga receptorbindningsställen - den så kallade IC50 . Värdet på IC50 är relaterat till dissociationskonstanten Ki , men skiljer sig från den. Det skiljer sig också från EC 50 -värdet , eftersom ockupation av 50 % av de tillgängliga receptorerna inte nödvändigtvis leder till produktion av 50 % av det maximala fysiologiska svaret för en given agonist, eller 50 % av det maximala fysiologiska svaret "totalt" ( IC 50 kan vara antingen högre eller och mindre än EC 50 , beroende på egenskaperna hos regleringen av ett visst fysiologiskt receptorsystem - det finns både receptorsystem där ockupationen av ett relativt litet antal receptorer ger en stor fysiologisk effekt, och omvänt, system i vilka en stor procentandel av tillgängliga receptorer, och beroendet av storleken på den fysiologiska effekten på procentandelen receptorbeläggning, såväl som på dosen av agonisten, inte alls behöver vara linjär). Liganden vars dos-responskurva visas i rött har en högre grad av affinitet för receptorn (högre bindningsaffinitet) än liganden vars kurva visas i grönt. Om båda liganderna är närvarande samtidigt, kommer en större procentandel av liganden med hög affinitet (som har en högre affinitet för receptorn) att binda till de tillgängliga receptorbindningsställena än liganden med lägre affinitet. Denna mekanism förklarar i synnerhet varför kolmonoxid (II), även vid låga koncentrationer, kan konkurrera med syre för bindning till hemoglobin , eftersom det är en högre affinitet (har en större affinitet för hemoglobin) "agonist" för detta transportprotein, och varför detta leder ofta till kolmonoxidförgiftning.
Bindningsaffiniteten för en ligand till en receptor (graden av affinitet för en ligand för en receptor) bestäms oftast med användning av metoden att ersätta en märkt radioaktiv ligand (refererad till som "het ligand") av liganden som testas (refererad till till som "kall" eller "test" ligand). Homologa kompetitiva bindningsexperiment av en ligand till en receptor är experiment där en "het" (radiomärkt) och en "kall" (omärkt) ligand är samma kemiska substans och de konkurrerar med varandra om tillgängliga bindningsställen med receptorn. [4] Det finns också metoder utan användning av en radioaktiv märkning, såsom ytplasmonresonans, dubbelpolarisationsinterferometri. Dessa metoder gör det möjligt att bestämma inte bara affiniteten (graden av affinitet) hos en agonist för receptorn, utan också kinetiken för dess association och dissociation från bindningen med receptorn, och i fallet med dubbelpolarisationsinterferometri, även konfigurationsförändringar i receptorn orsakade av bindningen av agonisten till den. Nyligen har också en mikrotermoforesmetod utvecklats. [5] Denna metod tillåter bestämning av bindningsaffinitet utan att införa några restriktioner för ligandens molekylvikt. [6]
För att analysera erhållna data om kinetiken för ligandbindning till receptorn och om dess affinitet används metoder för statistisk mekanik, i synnerhet beräkningen av den så kallade. konfigurationsintegral. [7] .
Graden av ligandaffinitet för receptorer, eller den så kallade "affiniteten" hos en ligand för receptorer, bestämmer inte i sig den molära aktiviteten (allmän "potensen") för en viss ligand. Den molära aktiviteten (styrkan) hos ett ämne är resultatet av en komplex interaktion mellan dess grad av affinitet för receptorer och dess inneboende agonistaktivitet (med andra ord dess receptoreffektivitet). Intern agonistaktivitet (receptoreffektivitet) är ett kvantitativt kännetecken på förmågan hos en given ligand att inducera ett visst biologiskt svar efter bindning till en receptor, och ett mått på storleken på det biologiska svaret det framkallar, i procent av det maximala möjliga biologiskt svar, vilket tas som maximal stimulering av en endogen agonist (100 %). Beroende på naturen, naturen, tecknet och storleken på det biologiska svaret som orsakas av liganden, klassificeras den antingen som en agonist eller till och med superagonist , eller som en partiell agonist , eller som en neutral antagonist , eller som en omvänd agonist . [åtta]
Selektiva ligander tenderar att binda kliniskt/fysiologiskt relevanta (vanligtvis nanomolära) koncentrationer till endast en ganska begränsad uppsättning receptorsubtyper (inte nödvändigtvis alla dessa subtyper kommer att vara receptorer för samma endogena ligand). Samtidigt tenderar icke-selektiva ligander att binda signifikant vid relevanta koncentrationer till ett ganska brett spektrum av receptorsubtyper (ofta till olika endogena ligander) och därigenom producera ett bredare utbud av kliniska, biokemiska och fysiologiska effekter, båda önskvärda och, ofta, oönskade biverkningar.
Ligandselektivitet är ett ganska villkorat och relativt koncept, eftersom det finns mycket få verkligt selektiva ligander som binder till endast en receptorsubtyp i hela intervallet av "rimliga", kliniskt uppnåbara koncentrationer hos människor och ännu färre ligander som kan upprätthålla 100% selektivitet vid dessa koncentrationer. , som kan skapas i experiment på djur och ännu mer "in vitro" ( in vitro ). Ofta försvinner den skenbara relativa selektiviteten för en viss ligand med ökande dos eller koncentration (dvs. vid högre koncentrationer eller doser börjar den interagera med andra receptorsubtyper), och detta har viktiga kliniska implikationer (till exempel höga doser av selektiv opioidreceptoragonist buprenorfin kan avsevärt sänka andningen och orsaka eufori, eftersom selektiviteten jämfört med morfin går förlorad; på samma sätt kan höga doser av selektiva β-blockerare orsaka bronkospasm , eftersom selektiviteten för β 1 -subtypen går förlorad , och höga doser av β 2 -agonister, förutom att eliminera bronkospasm, kan också orsaka takykardi ; höga doser av atypiska antipsykotika som risperidon och olanzapin kan orsaka extrapyramidala biverkningar, som typiska antipsykotika ).
Utvecklingen av nya, mer selektiva ligander är en viktig uppgift för modern experimentell och klinisk farmakologi, eftersom selektiva ligander, genom att selektivt aktivera eller blockera endast en "önskad" receptorsubtyp eller flera av deras subtyper, tenderar att visa färre biverkningar, medan icke-selektiva ligander. Genom att binda till ett brett spektrum av receptorer producerar de både önskvärda och oönskade biverkningar. Ett bra exempel är jämförelsen av det relativt icke-selektiva klorpromazinet med det mer selektiva haloperidolet : klorpromazin ger, på grund av sin låga selektivitet, många biverkningar förutom en användbar antipsykotisk effekt (alltså leder α 1 -adrenoblockad till hypotoni och takykardi , H 1 -histaminblockad leder till dåsighet , sedering , ökad aptit och viktökning, M-kolinerg blockad - till muntorrhet och förstoppning etc. medan haloperidol orsakar dessa fenomen i mycket mindre utsträckning och i kliniskt använda doser orsakar huvudsakligen extrapyramidala biverkningar, direkt förknippade med dess huvudsakliga D2 -blockerande verkan).
Ett mått på den relativa selektiviteten för en viss ligand är värdet av förhållandet mellan dess affinitet (affinitet) till den "önskade", "huvud" receptorsubtypen (till exempel till D 2 , i fallet med antipsykotika), och till närmast nästa i storleksordning av affinitets- (affinitets-) subtypreceptorerna - det vill säga värdet av förhållandet Ki (1) / Ki (2) . Högre affinitet för den "önskade" typen av receptor, mer högaktiva ("högre potenta") föreningar är ofta, men inte alltid, också mer selektiva, åtminstone vid låga koncentrationer (vilket återigen är möjligt just genom högre affinitet av föreningen för receptorn och större aktivitet hos föreningen). En viktig uppgift för experimentell och klinisk farmakologi är således utvecklingen av nya, högre affinitet (som har en högre affinitet för receptorn) och mer aktiva (”högre potenta”) föreningar med avseende på vissa typer av receptorer.
Bivalenta ligander består av två sammankopplade molekyler, som var och en är en ligand för en viss undertyp av receptorer (samma eller olika), och på grund av särdragen i den rumsliga strukturen kan båda delarna av molekylen samtidigt binda till två delar av det "sammansatta" homo- eller heterodimera receptorkomplexet. Bivalenta ligander används i vetenskaplig forskning för att upptäcka och studera homo- och heterodimera receptorkomplex och studera deras egenskaper. Bivalenta ligander är vanligtvis stora molekyler och tenderar att inte ha önskvärda egenskaper för läkemedel , såsom bekväm farmakokinetik (acceptabel biotillgänglighet, enkel klinisk användning, acceptabel halveringstid, etc.), låg allergenicitet och acceptabel toxicitet och biverkningar, vilket gör dem i allmänhet olämplig eller olämplig för användning i klinisk praxis utanför forskningslaboratorier. [9] [10]
En föredragen struktur [11] är en strukturell del av en molekyl, ett radikalt eller kemiskt element, som eller som statistiskt ofta upprepas bland redan kända läkemedel av en given farmakologisk klass, bland redan kända ligander av en given typ eller subtyp av receptorer, eller kända inhibitorer av ett givet enzym, eller bland några andra isolerade enligt några gemensamma särdrag hos en specifik undergrupp av redan kända biologiskt aktiva föreningar. Dessa statistiskt framstående privilegierade element i den kemiska strukturen [12] kan senare användas som grund för utvecklingen av nya biologiskt aktiva föreningar eller nya läkemedel med egenskaper liknande eller möjligen till och med förbättrade jämfört med de ursprungliga föreningarna, och till och med för utveckling av hela bibliotek av sådana föreningar. .
Typiska exempel är till exempel tricykliska strukturer av olika kemiska strukturer i molekylerna av tricykliska antidepressiva medel , eller förekomsten av kemiskt likartade hela underklasser av antipsykotika , såsom butyrofenonderivat ( haloperidol , spiperon , droperidol , etc.), indolderivat ( reserpin ). karbidin, etc.), fenotiazinderivat ( klorpromazin , perfenazin , etc.).