I biokemi og molekylærbiologi er et bindingssted (bindingssted) en region af et makromolekyle, såsom et protein, der specifikt binder til et andet molekyle [1] . Bindingspartneren til et makromolekyle omtales ofte som en ligand [2] . Ligander kan omfatte andre proteiner (som resulterer i protein-protein-interaktion ) [3] [4] , enzymsubstrater [5] , second messengers , hormoner eller allosteriske modulatorer [6] . Den bindende begivenhed er ofte, men ikke altid, ledsaget af en konformationsændring,som ændrer proteinets funktion [7] . Binding til proteinbindingssteder er oftest reversibel (forbigående og ikke-kovalent), men kan også være kovalent reversibel [8] eller irreversibel [9] .
Binding af en ligand til et bindingssted på et protein forårsager ofte en konformationsændring i proteinet og resulterer i en ændring i cellulær funktion. Derfor er bindingssteder på et protein kritiske dele af signaltransduktionsveje [10] . Ligandtyper omfatter neurotransmittere , toksiner , neuropeptider og steroidhormoner [11] . Bindingssteder gennemgår funktionelle ændringer i en række sammenhænge, herunder enzymatisk katalyse, molekylær vejsignalering, homøostatisk regulering og fysiologisk funktion. Den elektriske ladning , steriske form og sitegeometri tillader selektivt binding af meget specifikke ligander, hvilket aktiverer en bestemt kaskade af cellulære interaktioner, som proteinet er ansvarlig for [12] [13] .
Enzymer forårsager katalyse, binder sig stærkere til overgangstilstande end substrater og produkter. Adskillige forskellige interaktioner kan virke på substratet ved det katalytiske bindingssted. De spænder fra elektrokatalyse, syre- og basekatalyse til kovalent katalyse og metalionkatalyse [11] . Disse interaktioner reducerer aktiveringsenergien af en kemisk reaktion, hvilket giver gunstige interaktioner for at stabilisere højenergimolekylet. Bindingen af enzymer giver en tættere placering og udelukkelse af stoffer, der ikke er relevante for reaktionen. Denne specifikke binding forhindrer også bivirkninger [14] [11] .
Enzymtyper, der kan udføre disse handlinger, omfatter oxidoreduktaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser og ligaser [15] .
For eksempel katalyserer hexokinasetransferase phosphoryleringen af glucose til dannelse af glucose-6-phosphat . Rester af det aktive sted af hexokinase gør det muligt at stabilisere glukosemolekylet i det aktive sted og stimulere initieringen af en alternativ vej med gunstige interaktioner, hvilket reducerer aktiveringsenergien [16] .
Hæmning af et protein ved inhibitorbinding kan forårsage dysregulering af pathwayen, homeostatisk regulering og fysiologisk funktion.
Konkurrerende inhibitorer konkurrerer med substratet om binding til frie enzymer på aktive steder og forhindrer således dannelsen af et enzym-substratkompleks ved binding. For eksempel er kulilteforgiftning forårsaget af konkurrerende binding af kulilte i modsætning til ilt i hæmoglobin.
Alternativt binder ikke-kompetitive inhibitorer sig samtidigt til substratet på aktive steder. Ved binding til enzymsubstratet (ES) komplekset dannes et enzymsubstrat inhibitor (ESI) kompleks. Ligesom konkurrerende inhibitorer falder også hastigheden af produktdannelse [5] .
Endelig er blandede inhibitorer i stand til at binde både til det frie enzym og til enzym-substratkomplekset. Men i modsætning til konkurrerende og ikke-konkurrerende inhibitorer binder blandede inhibitorer sig til et allosterisk sted. Allosterisk binding forårsager konformationelle ændringer, der kan øge affiniteten af proteinet til substratet. Dette fænomen kaldes positiv modulation. Omvendt er allosterisk binding, som reducerer affiniteten af et protein til et substrat, en negativ modulation [17] .
På det aktive sted binder substratet sig til enzymet, hvilket forårsager en kemisk reaktion [18] [19] . Substrater, overgangstilstande og produkter kan binde til det aktive sted, ligesom alle konkurrerende inhibitorer [18] . For eksempel, i forbindelse med proteinfunktion, kan bindingen af calcium til troponin i muskelceller forårsage konformationelle ændringer i troponin. Dette gør det muligt for tropomyosin at åbne actin-myosin-bindingsstedet, som myosinhovedet binder til for at danne en tværbro og inducere muskelkontraktion [20] .
I forbindelse med blod er et eksempel på konkurrerende binding carbonmonoxid, som konkurrerer med oxygen om det hæm -aktive sted . Den høje affinitet af carbonmonoxid kan udkonkurrere oxygen i nærværelse af lav oxygenkoncentration. Under disse omstændigheder forårsager carbonmonoxidbinding en konformationsændring, der forhindrer hæm i at binde sig til ilt, hvilket resulterer i carbonmonoxidforgiftning [5] .
På det regulatoriske sted kan ligandbinding forårsage forbedring eller hæmning af proteinfunktionen [5] [21] . Binding af en ligand til det allosteriske sted af et multimert enzym inducerer ofte positiv kooperativitet, dvs. binding af et substrat inducerer en gunstig ændring i konformation og øger sandsynligheden for, at enzymet binder til et andet substrat [22] . Regulatoriske site-ligander kan omfatte homotrope og heterotrope ligander, hvor henholdsvis en eller flere typer molekyler påvirker enzymets aktivitet [23] .
Regulerede enzymer spiller ofte en vigtig rolle i metaboliske veje. For eksempel er phosphofructokinase (PFC), som phosphorylerer fructose under glykolyse , stærkt reguleret af ATP. Dets regulering i glykolyse er bydende nødvendigt, fordi det er det hastighedsbegrænsende trin i stofskiftet. FFK kontrollerer også mængden af glukose, der er bestemt til dannelsen af ATP gennem den katabolske vej. Derfor, ved et tilstrækkeligt niveau af ATP, hæmmes PFK allosterisk af ATP. Denne regulering bevarer effektivt glukoselagre, som andre veje kan kræve. Citrat, et mellemprodukt i citronsyrecyklussen, fungerer også som en allosterisk regulator af PPA [23] [24] .
Bindingssteder kan også karakteriseres ved deres strukturelle træk. Enkeltstrengede steder ("monodesmiske" ligander, μόνος: enkelt, δεσμός: binding) dannes af en enkelt proteinkæde, mens multistrengede steder ("polydemiske" ligander, πολοί: mange) [25] ofte findes i proteinkomplekser og dannes af ligander, der binder mere end én proteinkæde, sædvanligvis ved eller nær proteingrænseflader. Nylige undersøgelser viser, at strukturen af bindingsstedet har stærke implikationer for proteinkompleksers biologi (udvikling af funktion, allosteri) [26] [27] .
Skjulte bindingssteder er bindingssteder, der midlertidigt dannes i form af "apo" eller induceres ved binding af en ligand. At tage skjulte bindingssteder i betragtning øger størrelsen af det humane proteom, der potentielt reagerer på lægemidler fra ~40% til ~78% af sygdomsassocierede proteiner [28] . Bindingssteder er blevet undersøgt ved hjælp af: en støttevektormaskine anvendt på CryptoSite-datasættet [28] , en udvidelse af CryptoSite-datasættet [29] , langsigtede molekylære dynamiksimuleringer ved hjælp af en Markov-tilstandsmodel og biofysiske eksperimenter [30] og et indeks over skjulte steder baseret på det relative tilgængelige overfladeareal [31] .
Bindingskurver beskriver processen med at binde en ligand til et protein. Kurverne kan karakteriseres ved deres form, sigmoid eller hyperbolsk, hvilket afspejler, om proteinet udviser henholdsvis kooperativ eller ikke-samarbejdsvillig bindingsadfærd [32] . Typisk beskriver x-aksen koncentrationen af liganden, og y-aksen beskriver den fraktionelle mætning af liganderne forbundet med alle tilgængelige bindingssteder [5] . Michaelis Menten-ligningen bruges almindeligvis til at bestemme formen på en kurve. Michaelis Menten-ligningen er udledt på basis af stationære forhold og tager hensyn til enzymatiske reaktioner, der forekommer i opløsning. Men når reaktionen sker, når enzymet er bundet til substratet, udvikler kinetikken sig anderledes [33] .
Modellering med bindingskurver er nyttig til vurdering af oxygens bindingsaffinitet til hæmoglobin og myoglobin i blodet. Hæmoglobin, som har fire hæmgrupper, udviser kooperativ binding . Det betyder, at bindingen af ilt til hæmgruppen på hæmoglobin forårsager en gunstig ændring i konformationen, hvilket gør det muligt at øge den gunstige iltbinding for de følgende hæmgrupper. Under disse omstændigheder vil hæmoglobinbindingskurven være sigmoidal på grund af dens øgede evne til at binde til oxygen. Fordi myoglobin kun har én hæmgruppe, udviser det ikke-samarbejdsvillig binding, der er hyperbolsk i bindingskurven [34] .
Biokemiske forskelle mellem forskellige organismer og mennesker er nyttige til lægemiddeludvikling. For eksempel hæmmer penicillin bakterielle DD-transpeptidase- enzymer , forstyrrer bakteriel cellevægsyntese og forårsager celledød. Studiet af bindingssteder er således relevant for mange forskningsområder, herunder cancermekanismer [7] , doseringsformer [35] og fysiologisk regulering [36] . Udviklingen af inhibitorer til at undertrykke proteinfunktionen er en almindelig form for farmaceutisk terapi [37] .
Inden for kræftbehandling bruges ligander, der er redigeret til at have et udseende, der ligner den naturlige ligand, til at undertrykke tumorvækst. For eksempel virker det kemoterapeutiske methotrexat som en kompetitiv inhibitor af det aktive sted af dihydrofolatreduktase [38] . Denne interaktion hæmmer syntesen af tetrahydrofolat og stopper produktionen af DNA, RNA og proteiner [38] . Hæmning af denne funktion hæmmer tumorvækst og forbedrer svær psoriasis og leddegigt hos voksne [37] .
Ved hjerte-kar-sygdomme bruges lægemidler såsom betablokkere til at behandle patienter med hypertension. Betablokkere (β-blokkere) er antihypertensive lægemidler, der blokerer for bindingen af hormonerne epinephrin og noradrenalin til β1- og β2-receptorerne i hjertet og blodkarrene. Disse receptorer medierer typisk den sympatiske kamp-eller-flugt-respons ved at forårsage vasokonstriktion [39] .
Konkurrencedygtige inhibitorer er også kommercielt tilgængelige. Botulinumtoksin , kommercielt kendt som Botox, er et neurotoksin, der forårsager slap lammelse i muskler ved at binde sig til acetylcholin-afhængige nerver. Denne interaktion undertrykker muskelsammentrækninger, hvilket giver udseendet af glat muskulatur [40] .
En række beregningsværktøjer er blevet udviklet til at forudsige placeringen af bindingssteder på proteiner [21] [41] [42] . De kan bredt klassificeres baseret på sekvens eller struktur [42] . Sekvensbaserede metoder er baseret på den antagelse, at sekvenserne af funktionelt konserverede dele af proteiner, såsom bindingsstedet, er konserverede. Strukturbaserede metoder kræver proteinets tredimensionelle struktur. Disse metoder kan igen opdeles i skabelon- og "pocket"-metoder [42] . Skabelonbaserede metoder leder efter 3D-lighed mellem et målprotein og proteiner med kendte bindingssteder. Lommebaserede metoder leder efter konkave overflader eller skjulte lommer i målproteinet, der har egenskaber såsom hydrofobicitet og evnen til at binde hydrogen, hvilket ville give dem mulighed for at binde ligander med høj affinitet [42] . Selvom udtrykket "lomme" bruges her, kan lignende metoder bruges til at forudsige de bindingssteder, der anvendes i protein-protein-interaktioner, som normalt er fladere frem for "lommer" [43] .
| Enzymer | |
|---|---|
| Aktivitet | |
| Regulering | |
| Klassifikation | |
| Typer |
|