En bioquímica y farmacología , un ligando es una sustancia que forma un complejo con una biomolécula para cumplir un propósito biológico. La etimología proviene del latín ligare , que significa 'unir'. En la unión proteína-ligando, el ligando suele ser una molécula que produce una señal al unirse a un sitio en una proteína objetivo . La unión generalmente da como resultado un cambio de isomería conformacional (conformación) de la proteína objetivo. En los estudios de unión ADN-ligando, el ligando puede ser una molécula pequeña, un ion [1] o una proteína [2] que se une a la doble hélice del ADN . La relación entre el ligando y el compañero de unión es una función de la carga, la hidrofobicidad y la estructura molecular.
La unión se produce por fuerzas intermoleculares , como enlaces iónicos , enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals . La asociación o acoplamiento es en realidad reversible a través de la disociación . La unión covalente irreversible mensurablemente entre un ligando y una molécula objetivo es atípica en los sistemas biológicos. A diferencia de la definición de ligando en la química metalorgánica e inorgánica , en bioquímica es ambiguo si el ligando generalmente se une a un sitio metálico , como es el caso de la hemoglobina . En general, la interpretación de ligando es contextual con respecto a qué tipo de unión se ha observado.
La unión del ligando a una proteína receptora altera la conformación al afectar la orientación de la forma tridimensional. La conformación de una proteína receptora compone el estado funcional. Los ligandos incluyen sustratos , inhibidores , activadores , lípidos de señalización y neurotransmisores . La tasa de unión se llama afinidad, y esta medida tipifica una tendencia o fuerza del efecto. La afinidad de unión se actualiza no solo por interacciones huésped-anfitrión , sino también por efectos del solvente que pueden desempeñar un papel dominante y estérico que impulsa la unión no covalente en solución. [3] El solvente proporciona un entorno químico para que el ligando y el receptor se adapten y, por lo tanto, se acepten o rechacen mutuamente como socios.
Los radioligandos son compuestos marcados con radioisótopos que se utilizan in vivo como trazadores en estudios PET y para estudios de unión in vitro .
La interacción de los ligandos con sus sitios de unión se puede caracterizar en términos de una afinidad de unión. En general, la unión de ligando de alta afinidad resulta de mayores fuerzas de atracción entre el ligando y su receptor , mientras que la unión de ligando de baja afinidad implica una fuerza de atracción menor. En general, la unión de alta afinidad resulta en una mayor ocupación del receptor por su ligando que en el caso de la unión de baja afinidad; el tiempo de residencia (vida útil del complejo receptor-ligando) no se correlaciona. La unión de alta afinidad de ligandos a receptores es a menudo fisiológicamente importante cuando parte de la energía de unión se puede utilizar para provocar un cambio conformacional en el receptor, lo que resulta en un comportamiento alterado, por ejemplo, de un canal iónico o enzima asociado .
Un ligando que puede unirse al receptor y alterar su función, lo que desencadena una respuesta fisiológica, se denomina agonista del receptor . Los ligandos que se unen a un receptor pero no activan la respuesta fisiológica son antagonistas del receptor .
La unión del agonista a un receptor se puede caracterizar tanto en términos de cuánta respuesta fisiológica se puede desencadenar (es decir, la eficacia ) como en términos de la concentración del agonista que se requiere para producir la respuesta fisiológica (a menudo medida como CE50 , la concentración requerida para producir la mitad de la respuesta máxima). La unión del ligando de alta afinidad implica que una concentración relativamente baja de un ligando es adecuada para ocupar al máximo un sitio de unión del ligando y desencadenar una respuesta fisiológica. La afinidad del receptor se mide mediante una constante de inhibición o valor Ki , la concentración requerida para ocupar el 50% del receptor. Las afinidades del ligando se miden con mayor frecuencia de forma indirecta como un valor IC50 a partir de un experimento de unión competitiva donde se determina la concentración de un ligando necesaria para desplazar el 50% de una concentración fija de ligando de referencia. El valor Ki se puede estimar a partir de IC50 a través de la ecuación de Cheng Prusoff . Las afinidades de los ligandos también se pueden medir directamente como una constante de disociación (K d ) utilizando métodos como extinción de fluorescencia , calorimetría de titulación isotérmica o resonancia de plasmón superficial . [4]
La unión de baja afinidad (nivel alto de Ki ) implica que se requiere una concentración relativamente alta de un ligando antes de que el sitio de unión esté ocupado al máximo y se logre la respuesta fisiológica máxima al ligando. En el ejemplo que se muestra a la derecha, dos ligandos diferentes se unen al mismo sitio de unión del receptor. Solo uno de los agonistas mostrados puede estimular al máximo el receptor y, por lo tanto, puede definirse como un agonista completo . Un agonista que solo puede activar parcialmente la respuesta fisiológica se denomina agonista parcial . En este ejemplo, la concentración a la que el agonista completo (curva roja) puede activar al receptor a la mitad del máximo es de aproximadamente 5 x 10 −9 Molar (nM = nanomolar ).
La afinidad de unión se determina más comúnmente utilizando un ligando radiomarcado , conocido como ligando marcado. Los experimentos de unión competitiva homóloga implican la competencia de unión entre un ligando marcado y un ligando no marcado. [5] Los métodos basados en tiempo real, que a menudo no utilizan marcadores, como la resonancia de plasmón de superficie , la interferometría de polarización dual y la resonancia de plasmón de superficie multiparamétrica (MP-SPR), no solo pueden cuantificar la afinidad a partir de ensayos basados en la concentración; sino también a partir de la cinética de asociación y disociación, y en los últimos casos, el cambio conformacional inducido por la unión. La MP-SPR también permite mediciones en tampones de disociación con alto contenido salino gracias a una configuración óptica única. Se desarrolló la termoforesis a microescala (MST), un método sin inmovilización [6] . Este método permite la determinación de la afinidad de unión sin ninguna limitación en el peso molecular del ligando. [7]
Para el uso de la mecánica estadística en un estudio cuantitativo de la afinidad de unión ligando-receptor, consulte el artículo completo [8] sobre la función de partición configuracional .
Los datos de afinidad de unión por sí solos no determinan la potencia general de un fármaco o de una hormona producida naturalmente (biosintetizada). [9]
La potencia es el resultado de la interacción compleja entre la afinidad de unión y la eficacia del ligando. [9]
La eficacia del ligando se refiere a la capacidad del ligando de producir una respuesta biológica al unirse al receptor diana y a la magnitud cuantitativa de esta respuesta. Esta respuesta puede ser como agonista , antagonista o agonista inverso , dependiendo de la respuesta fisiológica producida. [10]
Los ligandos selectivos tienden a unirse a tipos muy limitados de receptores, mientras que los ligandos no selectivos se unen a varios tipos de receptores. Esto desempeña un papel importante en farmacología , donde los fármacos que no son selectivos tienden a tener más efectos adversos , porque se unen a varios receptores además del que genera el efecto deseado.
En el caso de ligandos hidrófobos (p. ej., PIP2) en complejos con una proteína hidrófoba (p. ej. , canales iónicos regulados por lípidos ), determinar la afinidad se complica por interacciones hidrófobas no específicas. Las interacciones hidrófobas no específicas se pueden superar cuando la afinidad del ligando es alta. [11] Por ejemplo, PIP2 se une con alta afinidad a los canales iónicos regulados por PIP2.
Los ligandos bivalentes consisten en dos moléculas similares a fármacos (farmacóforos o ligandos) conectadas por un conector inerte. Hay varios tipos de ligandos bivalentes y a menudo se clasifican en función de a qué se dirigen los farmacóforos. Los ligandos homobivalentes se dirigen a dos del mismo tipo de receptores. Los ligandos heterobivalentes se dirigen a dos tipos de receptores diferentes. [12] Los ligandos bitópicos se dirigen a sitios de unión ortostéricos y sitios de unión alostéricos en el mismo receptor. [13] En la investigación científica, los ligandos bivalentes se han utilizado para estudiar los dímeros de receptores e investigar sus propiedades. Esta clase de ligandos fue desarrollada por primera vez por Philip S. Portoghese y colaboradores mientras estudiaban el sistema de receptores opioides. [14] [15] [16] Los ligandos bivalentes también fueron informados tempranamente por Micheal Conn y colaboradores para el receptor de la hormona liberadora de gonadotropina . [17] [18] Desde estos primeros informes, se han informado muchos ligandos bivalentes para varios sistemas de receptores acoplados a proteína G (GPCR), incluidos los sistemas de receptores de cannabinoides, [19] serotonina, [20] [21] oxitocina, [22] y melanocortina , [23] [24] [25] y para sistemas GPCR - LIC (receptores D2 y nACh ). [12]
Los ligandos bivalentes suelen ser más grandes que sus homólogos monovalentes y, por lo tanto, no son "similares a fármacos" como en la regla de cinco de Lipinski . Muchos creen que esto limita su aplicabilidad en entornos clínicos. [26] [27] A pesar de estas creencias, ha habido muchos ligandos que han informado estudios preclínicos exitosos en animales. [24] [25] [22] [28] [29] [30] Dado que algunos ligandos bivalentes pueden tener muchas ventajas en comparación con sus homólogos monovalentes (como selectividad tisular, mayor afinidad de unión y mayor potencia o eficacia), los bivalentes también pueden ofrecer algunas ventajas clínicas.
Los ligandos de proteínas también se pueden caracterizar por el número de cadenas proteicas a las que se unen. Los ligandos "monodésmicos" (μόνος: único, δεσμός: de unión) son ligandos que se unen a una sola cadena proteica, mientras que los ligandos "polidésmicos" (πολοί: muchos) [31] son frecuentes en los complejos proteicos y son ligandos que se unen a más de una cadena proteica, típicamente en o cerca de las interfaces proteicas. Investigaciones recientes muestran que el tipo de ligandos y la estructura del sitio de unión tienen profundas consecuencias para la evolución, función, alosterio y plegamiento de los complejos proteicos. [32] [33]
Un andamiaje privilegiado [34] es un marco molecular o una fracción química que es estadísticamente recurrente entre fármacos conocidos o entre una serie específica de compuestos biológicamente activos. Estos elementos privilegiados [35] se pueden utilizar como base para diseñar nuevos compuestos biológicos activos o bibliotecas de compuestos.
Los principales métodos para estudiar las interacciones proteína-ligando son las principales técnicas hidrodinámicas y calorimétricas, y los principales métodos espectroscópicos y estructurales como
Otras técnicas incluyen: intensidad de fluorescencia, complementación de fluorescencia bimolecular, FRET (transferencia de energía de resonancia fluorescente) / resonancia plasmónica de superficie de extinción de FRET, interferometría de biocapa , co-inmunopreciptación ELISA indirecta, diálisis de equilibrio, electroforesis en gel, transferencia Western lejana, anisotropía de polarización de fluorescencia, resonancia paramagnética electrónica, termoforesis a microescala , switchSENSE .
El espectacular aumento de la capacidad de procesamiento de los superordenadores y los ordenadores personales ha hecho posible estudiar las interacciones proteína-ligando también mediante la química computacional . Por ejemplo, una red mundial de más de un millón de ordenadores comunes se aprovechó para la investigación del cáncer en el proyecto grid.org , que finalizó en abril de 2007. A Grid.org le han sucedido proyectos similares como World Community Grid , Human Proteome Folding Project , Compute Against Cancer y Folding@Home .
