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 de una proteína diana . La unión normalmente da como resultado un cambio de isomería conformacional (conformación) de la proteína diana. En los estudios de unión de ADN-ligando, el ligando puede ser una pequeña molécula, ion , [1] o proteína [2] que se une a la doble hélice del ADN . La relación entre el ligando y el compañero de unión es función de la carga, la hidrofobicidad y la estructura molecular.
La unión se produce mediante fuerzas intermoleculares , como enlaces iónicos , enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals . La asociación o acoplamiento es en realidad reversible mediante disociación . El enlace covalente mensurablemente irreversible entre un ligando y una molécula objetivo es atípico en los sistemas biológicos. A diferencia de la definición de ligando en 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 del ligando es contextual con respecto al tipo de unión que 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 las interacciones huésped-huésped , sino también por los efectos del solvente que pueden desempeñar un papel estérico dominante que impulsa la unión no covalente en la solución. [3] El disolvente proporciona un entorno químico para que el ligando y el receptor se adapten y, por tanto, se acepten o rechacen mutuamente como socios.
Los radioligandos son compuestos marcados con radioisótopos que se utilizan in vivo como trazadores en estudios de PET y para estudios de unión in vitro .
La interacción de ligandos con sus sitios de unión se puede caracterizar en términos de afinidad de unión. En general, la unión de ligandos de alta afinidad resulta de mayores fuerzas de atracción entre el ligando y su receptor , mientras que la unión de ligandos de baja afinidad implica menos fuerzas de atracción. En general, la unión de alta afinidad da como resultado 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 suele ser fisiológicamente importante cuando parte de la energía de unión se puede utilizar para provocar un cambio conformacional en el receptor, lo que da como resultado un comportamiento alterado, por ejemplo, de un canal iónico o enzima asociado .
Un ligando que puede unirse y alterar la función del receptor que desencadena una respuesta fisiológica se llama agonista del receptor . Los ligandos que se unen a un receptor pero no logran activar 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 CE 50 , la concentración requerida para producir la mitad de la respuesta máxima). La unión de ligando de alta afinidad implica que una concentración relativamente baja de un ligando es adecuada para ocupar al máximo un sitio de unión de ligando y desencadenar una respuesta fisiológica. La afinidad del receptor se mide mediante una constante de inhibición o valor Ki , la concentración necesaria para ocupar el 50% del receptor. Las afinidades de los ligandos se miden con mayor frecuencia indirectamente como un valor IC50 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 de Ki se puede estimar a partir de IC 50 mediante la ecuación de Cheng Prusoff . Las afinidades de los ligandos también se pueden medir directamente como una constante de disociación (Kd ) utilizando métodos como la extinción de la fluorescencia , la calorimetría de titulación isotérmica o la resonancia de plasmones superficiales . [4]
La unión de baja afinidad (alto nivel 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 máxima respuesta fisiológica al ligando. En el ejemplo que se muestra a la derecha, dos ligandos diferentes se unen al mismo sitio de unión al receptor. Sólo uno de los agonistas mostrados puede estimular al máximo el receptor y, por tanto, puede definirse como un agonista completo . Un agonista que sólo puede activar parcialmente la respuesta fisiológica se llama agonista parcial . En este ejemplo, la concentración a la que el agonista completo (curva roja) puede activar el receptor a la mitad del máximo es 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 una competencia de unión entre un ligando marcado y un ligando no marcado. [5] Los métodos basados en tiempo real, que a menudo no tienen etiquetas, como la resonancia de plasmón de superficie , la interferometría de doble polarización 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 de la cinética de asociación y disociación y, en los últimos casos, del cambio conformacional inducido tras la unión. 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 al peso molecular del ligando. [7]
Para conocer 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 compleja interacción tanto de la afinidad de unión como de la eficacia del ligando. [9]
La eficacia del ligando se refiere a la capacidad del ligando para producir una respuesta biológica al unirse al receptor diana y 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 juega un papel importante en farmacología , donde los fármacos que no son selectivos tienden a tener más efectos adversos , porque se unen a varios otros receptores además del que genera el efecto deseado.
Para ligandos hidrófobos (p. ej., PIP2) en complejo con una proteína hidrófoba (p. ej., canales iónicos activados por lípidos ), la determinación de la afinidad se complica por interacciones hidrófobas no específicas. Las interacciones hidrofóbicas no específicas pueden superarse cuando la afinidad del ligando es alta. [11] Por ejemplo, PIP2 se une con alta afinidad a los canales iónicos activados por PIP2.
Los ligandos bivalentes constan de dos moléculas similares a fármacos (farmacóforos o ligandos) conectadas por un conector inerte. Hay varios tipos de ligandos bivalentes y, a menudo, se clasifican según el objetivo de los farmacóforos. Los ligandos homobivalentes se dirigen a dos de los mismos tipos 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 a sitios de unión alostéricos en el mismo receptor. [13] En la investigación científica, los ligandos bivalentes se han utilizado para estudiar los dímeros de los receptores e investigar sus propiedades. Philip S. Portoghese y sus compañeros de trabajo fueron pioneros en esta clase de ligandos mientras estudiaban el sistema de receptores de opioides. [14] [15] [16] Micheal Conn y sus compañeros de trabajo también informaron desde el principio sobre ligandos bivalentes 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 proteínas G (GPCR), incluidos cannabinoides, [19] serotonina, [20] [21] oxitocina, [22] y melanocortina. sistemas receptores, [23] [24] [25] y para sistemas GPCR - LIC (receptores D2 y nACh ). [12]
Los ligandos bivalentes generalmente tienden a ser más grandes que sus homólogos monovalentes y, por lo tanto, no "parecidos 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 reportado 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 puede ofrecer algunas ventajas clínicas.
Los ligandos de proteínas también se pueden caracterizar por el número de cadenas de proteínas a las que se unen. Los ligandos "monodésmicos" (μόνος: único, δεσμός: unión) son ligandos que se unen a una sola cadena proteica, mientras que los ligandos "polidésmicos" (πολοί: muchos) [ 31] son frecuentes en complejos proteicos y son ligandos que se unen a más de una proteína. cadena, típicamente en o cerca de las interfaces de proteínas. 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 andamio privilegiado [34] es una estructura molecular o fracción química que es estadísticamente recurrente entre fármacos conocidos o entre una serie específica de compuestos biológicamente activos. Estos elementos privilegiados [35] pueden utilizarse 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 por resonancia fluorescente) / resonancia de plasmón superficial de extinción FRET, interferometría de biocapa , ELISA indirecto de coinmunopreciptación, diálisis de equilibrio, electroforesis en gel, transferencia Far Western, anisotropía de polarización de fluorescencia, paramagnética electrónica. resonancia, termoforesis a microescala , switchSENSE .
El espectacular aumento de la potencia informática de los superordenadores y los ordenadores personales ha hecho posible estudiar las interacciones proteína-ligando también mediante química computacional . Por ejemplo, en el proyecto grid.org , que finalizó en abril de 2007 , se aprovechó una red mundial de más de un millón de PC comunes y corrientes para la investigación del cáncer. A Grid.org le han sucedido proyectos similares como World Community Grid , Human Proteome Folding Project. , Compute Against Cancer y Folding@Home .
