Inom biokemi och molekylärbiologi är ett bindningsställe (bindningsställe) en region av en makromolekyl, såsom ett protein, som specifikt binder till en annan molekyl [1] . Bindningspartnern till en makromolekyl kallas ofta för en ligand [2] . Ligander kan inkludera andra proteiner (som resulterar i protein-proteininteraktion ) [3] [4] , enzymsubstrat [5] , andra budbärare , hormoner eller allosteriska modulatorer [6] . Bindningshändelsen åtföljs ofta, men inte alltid, av en konformationsförändring som förändrar proteinets funktion [7] . Bindning till proteinbindningsställen är oftast reversibel (övergående och icke-kovalent), men kan också vara kovalent reversibel [8] eller irreversibel [9] .
Bindning av en ligand till ett bindningsställe på ett protein orsakar ofta en konformationsförändring i proteinet och resulterar i en förändring i cellulär funktion. Därför är bindningsställen på ett protein kritiska delar av signaltransduktionsvägar [ 10] . Ligandtyper inkluderar neurotransmittorer , toxiner , neuropeptider och steroidhormoner [11] . Bindningsställen genomgår funktionella förändringar i ett antal sammanhang, inklusive enzymatisk katalys, signalering av molekylvägar, homeostatisk reglering och fysiologisk funktion. Den elektriska laddningen , steriska formen och platsgeometrin tillåter selektivt bindning av mycket specifika ligander, vilket aktiverar en viss kaskad av cellulära interaktioner som proteinet är ansvarigt för [12] [13] .
Enzymer orsakar katalys, binder starkare till övergångstillstånd än substrat och produkter. Flera olika interaktioner kan verka på substratet vid det katalytiska bindningsstället. De sträcker sig från elektrokatalys, syra- och baskatalys till kovalent katalys och metalljonkatalys [11] . Dessa interaktioner minskar aktiveringsenergin för en kemisk reaktion, vilket ger gynnsamma interaktioner för att stabilisera högenergimolekylen. Bindningen av enzymer ger en närmare lokalisering och uteslutning av ämnen som inte är relevanta för reaktionen. Denna specifika bindning förhindrar också sidoreaktioner [14] [11] .
Enzymtyper som kan utföra dessa åtgärder inkluderar oxidoreduktaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser och ligaser [15] .
Till exempel katalyserar hexokinastransferas fosforyleringen av glukos för att bilda glukos-6-fosfat . Rester av det aktiva stället för hexokinas gör det möjligt att stabilisera glukosmolekylen i det aktiva stället och stimulera initieringen av en alternativ väg med gynnsamma interaktioner, vilket minskar aktiveringsenergin [16] .
Hämning av ett protein genom inhibitorbindning kan orsaka dysreglering av vägen, homeostatisk reglering och fysiologisk funktion.
Kompetitiva inhibitorer konkurrerar med substratet om bindning till fria enzymer vid aktiva ställen och förhindrar således bildningen av ett enzym-substratkomplex vid bindning. Till exempel orsakas kolmonoxidförgiftning av konkurrerande bindning av kolmonoxid i motsats till syre i hemoglobin.
Alternativt binder icke-konkurrerande inhibitorer samtidigt till substratet vid aktiva ställen. Vid bindning till enzymsubstratkomplexet (ES) bildas ett enzymsubstratinhibitorkomplex (ESI). Liksom kompetitiva inhibitorer minskar också hastigheten för produktbildning [5] .
Slutligen kan blandade inhibitorer binda både till det fria enzymet och till enzym-substratkomplexet. Men till skillnad från kompetitiva och icke-konkurrerande hämmare, binder blandade hämmare till ett allosteriskt ställe. Allosterisk bindning orsakar konformationsförändringar som kan öka proteinets affinitet för substratet. Detta fenomen kallas positiv modulering. Omvänt är allosterisk bindning, som minskar affiniteten hos ett protein för ett substrat, en negativ modulering [17] .
På det aktiva stället binder substratet till enzymet, vilket orsakar en kemisk reaktion [18] [19] . Substrat, övergångstillstånd och produkter kan binda till det aktiva stället, precis som alla konkurrerande hämmare [18] . Till exempel, i samband med proteinfunktion, kan bindningen av kalcium till troponin i muskelceller orsaka konformationsförändringar i troponin. Detta tillåter tropomyosin att öppna aktin-myosin-bindningsstället till vilket myosinhuvudet binder för att bilda en tvärbro och inducera muskelkontraktion [20] .
I samband med blod är ett exempel på kompetitiv bindning kolmonoxid som tävlar med syre om det hemaktiva stället . Den höga affiniteten för kolmonoxid kan överträffa syre i närvaro av låg syrekoncentration. Under dessa omständigheter orsakar kolmonoxidbindning en konformationsförändring som förhindrar hem från att binda till syre, vilket resulterar i kolmonoxidförgiftning [5] .
På det regulatoriska stället kan ligandbindning orsaka förbättring eller hämning av proteinfunktionen [5] [21] . Bindning av en ligand till det allosteriska stället för ett multimert enzym inducerar ofta positiv kooperativitet, dvs bindning av ett substrat inducerar en gynnsam förändring i konformation och ökar sannolikheten för att enzymet binder till ett andra substrat [22] . Regulatory site-ligander kan inkludera homotropa och heterotropa ligander, i vilka en eller flera typer av molekyler påverkar enzymets aktivitet respektive [23] .
Reglerade enzymer spelar ofta en viktig roll i metabola vägar. Till exempel är fosfofruktokinas (PFC), som fosforylerar fruktos under glykolys , kraftigt reglerat av ATP. Dess reglering i glykolys är absolut nödvändigt eftersom det är det hastighetsbegränsande steget i metabolismen. FFK kontrollerar också mängden glukos som är avsedd för bildandet av ATP genom den katabola vägen. Därför, vid en tillräcklig nivå av ATP, hämmas PFK allosteriskt av ATP. Denna reglering bevarar effektivt glukoslager som andra vägar kan kräva. Citrat, en mellanprodukt i citronsyracykeln, fungerar också som en allosterisk regulator av PPA [23] [24] .
Bindningsplatser kan också kännetecknas av sina strukturella egenskaper. Enkelsträngade ställen ("monodesmic" ligander, μόνος: enkel, δεσμός: bindande) bildas av en enkel proteinkedja, medan flersträngade ställen ("polydesmiska" ligander, πολοί: många) [25] ofta finns i proteinkomplex och bildas av ligander som binder mer än en proteinkedja, vanligtvis vid eller nära proteingränssnitt. Nyligen genomförda studier visar att strukturen av bindningsstället har starka implikationer för proteinkomplexens biologi (utveckling av funktion, allosteri) [26] [27] .
Dolda bindningsställen är bindningsställen som temporärt bildas i form av "apo" eller induceras av bindning av en ligand. Att ta hänsyn till dolda bindningsställen ökar storleken på det mänskliga proteomet potentiellt läkemedelskänsligt från ~40% till ~78% av sjukdomsassocierade proteiner [28] . Bindningsplatser har undersökts med hjälp av: en stödvektormaskin applicerad på CryptoSite-datauppsättningen [28] , en förlängning av CryptoSite-datauppsättningen [29] , långsiktiga simuleringar av molekylär dynamik med hjälp av en Markov-tillståndsmodell och biofysiska experiment [30] och ett index över dolda platser baserat på den relativa tillgängliga ytan [31] .
Bindningskurvor beskriver processen att binda en ligand till ett protein. Kurvorna kan karakteriseras av sin form, sigmoid eller hyperbolisk, vilket återspeglar om proteinet uppvisar kooperativt respektive icke-samverkande bindningsbeteende [32] . Typiskt beskriver x-axeln koncentrationen av liganden, och y-axeln beskriver den fraktionerade mättnaden av liganderna som är associerade med alla tillgängliga bindningsställen [5] . Michaelis Mentens ekvation används vanligtvis för att bestämma formen på en kurva. Michaelis Mentens ekvation är härledd på basis av stationära förhållanden och tar hänsyn till enzymatiska reaktioner som uppstår i lösning. Men när reaktionen sker när enzymet är bundet till substratet utvecklas kinetiken annorlunda [33] .
Modellering med bindningskurvor är användbar för att bedöma bindningsaffiniteten för syre för hemoglobin och myoglobin i blodet. Hemoglobin, som har fyra hemgrupper, uppvisar kooperativ bindning . Detta innebär att bindningen av syre till hemgruppen på hemoglobin orsakar en gynnsam förändring i konformationen, vilket gör det möjligt att öka den gynnsamma syrebindningen för följande hemgrupper. Under dessa omständigheter kommer hemoglobinbindningskurvan att vara sigmoidal på grund av dess ökade förmåga att binda till syre. Eftersom myoglobin bara har en hemgrupp, uppvisar det icke-samverkande bindning som är hyperbolisk i bindningskurvan [34] .
Biokemiska skillnader mellan olika organismer och människor är användbara för läkemedelsutveckling. Till exempel hämmar penicillin bakteriella DD-transpeptidasenzymer , stör bakteriecellväggsyntesen och orsakar celldöd. Således är studiet av bindningsställen relevant för många forskningsområden, inklusive cancermekanismer [7] , doseringsformer [35] och fysiologisk reglering [36] . Utvecklingen av inhibitorer för att undertrycka proteinfunktionen är en vanlig form av farmaceutisk terapi [37] .
Inom området för cancerbehandling används ligander som är redigerade för att ha ett utseende som liknar den naturliga liganden för att undertrycka tumörtillväxt. Till exempel fungerar det kemoterapeutiska metotrexatet som en kompetitiv hämmare av det aktiva stället för dihydrofolatreduktas [38] . Denna interaktion hämmar syntesen av tetrahydrofolat och stoppar produktionen av DNA, RNA och proteiner [38] . Hämning av denna funktion hämmar tumörtillväxt och lindrar svår psoriasis och reumatoid artrit hos vuxna [37] .
Vid hjärt- och kärlsjukdomar används läkemedel som betablockerare för att behandla patienter med högt blodtryck. Betablockerare (β-blockerare) är antihypertensiva läkemedel som blockerar bindningen av hormonerna adrenalin och noradrenalin till β1- och β2-receptorerna i hjärtat och blodkärlen. Dessa receptorer förmedlar typiskt det sympatiska fight-or-flight-svaret genom att orsaka vasokonstriktion [39] .
Konkurrensmässiga inhibitorer finns också kommersiellt tillgängliga. Botulinumtoxin , kommersiellt känt som Botox, är ett neurotoxin som orsakar slapp förlamning i muskler genom att binda till acetylkolinberoende nerver. Denna interaktion undertrycker muskelsammandragningar, vilket ger utseendet av glatt muskulatur [40] .
Ett antal beräkningsverktyg har utvecklats för att förutsäga platsen för bindningsställen på proteiner [21] [41] [42] . De kan brett klassificeras baserat på sekvens eller struktur [42] . Sekvensbaserade metoder är baserade på antagandet att sekvenserna av funktionellt konserverade delar av proteiner, såsom bindningsstället, är konserverade. Strukturbaserade metoder kräver proteinets tredimensionella struktur. Dessa metoder kan i sin tur delas in i mall- och "pocket"-metoder [42] . Mallbaserade metoder letar efter 3D-likhet mellan ett målprotein och proteiner med kända bindningsställen. Pocket-baserade metoder letar efter konkava ytor eller dolda fickor i målproteinet som har egenskaper som hydrofobicitet och förmågan att binda väte, vilket skulle göra det möjligt för dem att binda ligander med hög affinitet [42] . Även om termen "ficka" används här, kan liknande metoder användas för att förutsäga bindningsställena som används i protein-protein-interaktioner, som vanligtvis är plattare snarare än "fickor" [43] .
| Enzymer | |
|---|---|
| Aktivitet | |
| förordning | |
| Klassificering | |
| Typer |
|