I biokemi og farmakologi er en ligand en kemisk forbindelse (ofte, men ikke altid, et lille molekyle), der danner et kompleks med et bestemt biomolekyle (oftest et protein , f.eks. en cellulær receptor , men nogle gange f.eks. DNA ) og frembringer, som et resultat af denne binding, visse biokemiske, fysiologiske eller farmakologiske virkninger. I tilfælde af binding af en ligand til et protein, er liganden typisk et lille signalmolekyle, der binder til et specifikt bindingssted på målproteinet (f.eks. en receptor). I tilfælde af ligandbinding til DNA er liganden normalt også et lille molekyle eller ion [1] eller protein [2] , der binder til DNA-dobbelthelixen.
Bindingen af en ligand til en receptor sker normalt ved hjælp af intermolekylære interaktionskræfter, såsom ionbindinger , hydrogenbindinger, Van der Waals-kræfter (Vander Waals-kræfter) - intermolekylære (og interatomiske ) interaktionskræfter med en energi på 10-20 kJ / mol . Udtrykket refererede oprindeligt til alle sådanne kræfter, i moderne videnskab anvendes det normalt til de kræfter, der opstår fra polarisering af molekyler og dannelse af dipoler . Opdaget af JD Van der Waals i 1869 .
Van der Waals kræfter af interatomisk interaktion af inerte gasser bestemmer muligheden for eksistensen af aggregerede tilstande af inerte gasser ( gas , væske og faste stoffer ).
van der Waals-kræfter omfatter interaktioner mellem dipoler (permanente og inducerede). Navnet kommer fra det faktum, at disse kræfter er årsagen til korrektionen for indre tryk i van der Waals tilstandsligning for en rigtig gas . Disse interaktioner, såvel som hydrogenbindinger , bestemmer dannelsen af den rumlige struktur af biologiske makromolekyler.
Van der Waals-kræfter opstår også mellem en partikel (makroskopisk partikel eller nanopartikel) og et molekyle og mellem to partikler. Binding eller association af en ligand med en receptor (den såkaldte "docking" af en ligand til en specifik "niche" i receptoren) er sædvanligvis reversibel og kortvarig. Den omvendte proces kaldes ligandens dissociation fra bindingen med receptoren. Irreversibel kovalent binding af en ligand til en receptor eller et andet molekylært mål for den ligand er sjælden i biologiske systemer, i det mindste under fysiologiske forhold. Men kunstige, eksogene ligander, der irreversibelt kovalent binder til målmolekyler, eksisterer selvfølgelig og er endda af stor betydning i medicin, såsom for eksempel irreversibelt alkylerende DNA-antitumorlægemidler af den alkylerende type eller irreversibelt inaktiverende MAO-antidepressiva af MAOI gruppe eller irreversibelt inaktiverende a-adrenoreceptorer phenoxybenzamin. I modsætning til den accepterede definition af en ligand i organometallisk og uorganisk kemi er det for processen med interaktion af en ligand med målbiomolekyler fuldstændig ligegyldigt (og ikke påkrævet), at liganden interagerer præcist med cofaktormetallet i sammensætningen af en biologisk molekyle (især da ikke alle biologiske molekyler indeholder metaller). som cofaktorer). Bindingen af en ligand til det metalholdige sted i et biologisk molekyle findes dog ofte i biologiske systemer og er af stor biologisk betydning for transportproteiner, såsom hæmoglobin (som transporterer ilt , kuldioxid og også er i stand til at transportere andre endogene gasser, især endogene kulilte), gas , endogent svovlbrinte og endogent svovloxid (IV) ) og for katalytiske enzymer , hvoraf mange er metalloenzymer (de indeholder en ion af et eller andet metal i sammensætningen af aktivt katalytisk center i et koordinationskompleks med et protein).
Binding af en ligand til en receptor (receptorprotein) ændrer dens konformationelle tilstand (tredimensionel rumlig konfiguration). Og dette kan igen føre til en ændring i proteinets funktionelle tilstand (for eksempel til aktivering eller inaktivering af en receptor eller et enzym, til dissociering af en af underenhederne af det sammensatte protein, eller omvendt, til proteinets erhvervelse af evnen til at binde en anden specifik ligand eller et andet protein, eller åbningen af en proteinkoblet ionkanal, eller selvfosforylering eller anden selvmodifikation af proteinet, eller muligheder for, at det kan phosphoryleres eller ellers modificeret af et andet protein osv.). Begrebet "ligand" omfatter både substrater af enzymer og antigener , der genkendes af antistoffer , og forskellige agonister , antagonister og omvendte agonister , herunder endogene, såsom neurotransmittere , hormoner , cytokiner og kemokiner, og inhibitorer og aktivatorer af visse enzymer eller regulatoriske proteiner og transkriptionsfaktorer og eksogene, såsom lægemidler osv. Bindingsstyrken af en ligand til et målprotein (f.eks. receptor) kaldes "affiniteten" eller affiniteten af liganden til målproteinet (f.eks. receptor). Bindingsstyrken af en ligand til et målprotein bestemmes ikke kun af styrken af direkte interaktioner af liganden med et givet protein (f.eks. en receptor), men også af mikromiljøet af proteinmolekylet, især af opløsningsmiddel molekyler til stede omkring, som kan spille en dominerende rolle i at sikre tilstrækkelige ikke-kovalente intermolekylære interaktioner mellem ligand og målprotein ( vand [3] , cellemembranlipider ) og partnerproteiner (i tilfælde af f.eks. oligomere receptorer eller G- proteinkoblede receptorer). Især stigningen i affiniteten af transmembrane receptorer for endogene agonister i nærvær af kolesterol og sphingolipider er årsagen til, at disse receptorer har tendens til at være lokaliseret visse steder på cellemembranen, kaldet lipid rafts og beriget med kolesterol og sphingolipider.
Radioligander kaldes radioaktivt mærkede (en eller anden radioaktiv isotop) forbindelser, der har tilstrækkelig høj affinitet og selektive med hensyn til en ønsket undertype af receptorer og bruges både in vivo til positronemissionstomografi (PET) for at studere fordelingen af disse receptorer i en levende organisme og graden af binding til disse receptorer af visse lægemidler i klinisk anvendte doser og in vitro som "varme ligander" for at bestemme affiniteten (graden af affinitet for receptoren) af den "kolde ligand".
Interaktionen mellem de fleste ligander og deres bindingssteder kan karakteriseres i form af graden af affinitet af liganden til receptoren (ligandreceptoraffinitet). Generelt er en høj grad af affinitet af en bestemt ligand for en given specifik receptorundertype (høj ligandaffinitet for denne receptorundertype) resultatet af en stærkere intermolekylær interaktion mellem receptoren og dens ligand, og omvendt - en lavere grad af ligandaffinitet for denne receptor (lavere affinitet for denne receptor) er som regel en konsekvens af den lavere styrke af den intermolekylære interaktion mellem dem. Dette betyder også, at høj affinitet (det vil sige høj affinitet, med andre ord stærk) binding af liganden til receptoren generelt indebærer en længere opholdstid for liganden på receptoren (og dermed en større procentdel af receptorbelægning). ved relativt lave doser eller koncentrationer). ligand). Derudover har en høj bindingsaffinitet af en ligand til en receptor (en høj affinitet af liganden for den) ofte vigtige fysiologiske konsekvenser, da noget af ligandens bindingsenergi til receptoren (som naturligt er højere med "høj affinitet") ", høj affinitetsbinding, som indebærer større styrke af intermolekylær interaktion) kan bruges til at ændre den rumlige konfiguration af receptoren, hvilket igen kan føre til aktivering eller omvendt deaktivering af receptoren og til åbningen af ionen kanal forbundet med receptoren eller til en ændring i adfærd (stigning eller fald i aktivitet) forbundet med receptorenzymet eller det regulerende protein. En ligand med højere affinitet (som har en højere affinitet for receptoren) er således mere tilbøjelig til at være fysiologisk og farmakologisk aktiv (det vil sige at udvise en vis grad af intern agonistisk aktivitet, uanset om den er en agonist eller en omvendt agonist). Dette er dog ikke garanteret - "neutrale antagonister" med høj affinitet, eller rettere sagt, midler tæt på neutrale antagonister, det vil sige, at de har et meget lavt modul for intern agonistisk aktivitet, tæt på nul, men viser ikke desto mindre en høj eller meget høj grad af affinitet til receptoren, findes der også affiniteter til den.
En receptorligand, der kan binde til en receptor, ændre den rumlige konfiguration af denne receptor på en sådan måde, at den fører til dens aktivering, og som et resultat heraf være i stand til at forårsage en eller anden fysiologisk eller biokemisk reaktion af cellen (til være en udløser for et sådant respons) kaldes en agonist mod denne receptor. Bindingen af en agonist til en receptor kan karakteriseres både i forhold til, hvor stor den maksimale fysiologiske respons, der kan opnås ved at stimulere det maksimalt tilgængelige antal receptorer med den pågældende agonist ("intrinsic agonist activity"), og i forhold til hvad molær koncentration af en given agonist er påkrævet for at fremkalde et fysiologisk respons af en eller anden styrke ("dosis-respons kurve"), og med hensyn til hvilken molær koncentration af en given agonist der kræves for at fremkalde en fysiologisk respons på 50 % af maksimalt opnåeligt for en given agonist ("halv maksimal effektiv koncentration" eller EC 50 , EC 50 ). Den bestemte og målte værdi af EC50 er således kun en kvantitativ karakteristik af målet for agonistens affinitet til receptoren (et mål for dens affinitet for den). Hvis vi derimod måler den koncentration, der kræves for at opnå 50 % af den "maksimalt opnåelige fysiologiske respons generelt ", og ikke 50 % af den maksimalt opnåelige for denne særlige agonist (der tages som den maksimalt opnåelige, dvs. for 100 % - den maksimale effekt fra den endogene agonist ), så får vi EC 50 værdien , som afhænger både af agonistens affinitetsværdi (graden af dens affinitet til receptoren) og af forholdet mellem dens interne agonistiske aktivitet og den interne agonistiske aktiviteten af den endogene agonist, taget som 100%. Således defineret EC 50 vil ikke kun være et kvantitativt mål for affinitet, men for den molære aktivitet af et stof (dets "styrke"), som er en funktion af både affiniteten (affiniteten til receptoren) og den interne agonistiske aktivitet (" receptoreffektivitet") af en given ligand.
Således betyder høj affinitet (høj affinitet) binding af en ligand til en receptor, at der kræves en relativt lav koncentration af liganden for at sikre fuldstændig (maksimalt muligt for et givet receptorsystem) besættelse af bindingsstederne for en given ligand på receptorerne og inducere den maksimalt mulige fysiologiske respons for en given ligand (værdi, der afhænger af ligandens "iboende agonistiske aktivitet"). Det vil sige , at jo lavere Ki- værdien er, som karakteriserer ligandens bindingsaffinitet til receptoren, jo mere sandsynligt er dannelsen af en kemisk binding mellem ligandmolekylerne og receptormolekylerne som følge af en tilfældig kollision af molekyler under Brownsk bevægelse (da der er en større intermolekylær interaktionskraft mellem dem). Og en større styrke af intermolekylær interaktion betyder også en længere gennemsnitlig retentionstid for liganden på receptoren (længere varighed af eksistensen af en ikke-kovalent kemisk binding). Omvendt betyder lav affinitetsbinding (lav affinitet for receptoren), dvs. en høj Ki- værdi , at der kræves relativt høje koncentrationer af en given ligand for at opnå maksimal belægning af alle tilgængelige bindingssteder og fremkalde den maksimale fysiologiske respons, der er mulig for en givet agonist. Dette betyder også, at dannelsen af en kemisk binding mellem en given ligand og en receptor som følge af en tilfældig kollision af molekyler under Brownsk bevægelse er mindre sandsynlig for en agonist med lavere affinitet (som har mindre affinitet til receptoren), da der er mindre intermolekylær kraft mellem dem, og den er mindre specifik. Og den gennemsnitlige retentionstid for liganden på receptoren for lav affinitet (der har lav affinitet for receptoren) er kortere, den frigiver receptoren hurtigere og dissocierer hurtigere fra dens forbindelse med den. En højere koncentration for en lavaffinitetsligand er nødvendig, netop fordi det øger sandsynligheden for en "tilfældig kollision" af lavaffinitetsligandmolekyler med receptoren og sandsynligheden for kemisk binding mellem dem.
På billedet vist til højre binder to forskellige agonistligander til det samme receptorbindingssted. Kun én af dem er i stand til maksimalt (det vil sige mest effektivt, mest sandsynligt) at stimulere receptoren og kan derfor defineres som en "fuld agonist" for denne receptorundertype. En agonist, der kun delvist er i stand til at aktivere receptorer (dvs. gør det mindre effektivt end en fuld agonist, mindre tilbøjelig til at føre til den "ønskede" ændring i receptorens konfiguration og til dens aktivering efter binding, sammenlignet med en fuld agonist ), og er derfor i stand til at forårsage en mindre fysiologisk respons end en fuld agonist kaldes en partiel agonist eller partiel agonist. I dette eksempel er den koncentration, ved hvilken en fuld agonist (rød kurve) er i stand til at fremkalde 50 % af den maksimale fysiologiske respons (dvs. EC50 ) ca. 5 x 10-9 nanomol ( nM ).
Ligander, der binder til receptorer, kan imidlertid ikke eller næsten ikke aktivere receptoren (eller rettere sagt, de gør dette med en ubetydelig sandsynlighed) og kan derfor i sig selv ikke og forårsage en fysiologisk reaktion af receptorsystemet, men kun forhindre binding af både agonister og omvendte agonister, og den fysiologiske respons på dem, kaldes antagonister .
I eksemplet vist til venstre er dosis-respons-kurver vist for to ligander med forskellige grader af affinitet til receptoren (forskellige affiniteter for den). Bindingen af en ligand til en receptor er ofte karakteriseret ved, hvilken koncentration af ligand der kræves for at optage 50 % af alle tilgængelige receptorbindingssteder - de såkaldte IC 50 . Værdien af IC 50 er relateret til dissociationskonstanten Ki , men adskiller sig fra den. Den adskiller sig også fra EC 50 -værdien , da besættelse af 50 % af de tilgængelige receptorer ikke nødvendigvis fører til produktion af 50 % af den maksimale fysiologiske respons for en given agonist, eller 50 % af den maksimale fysiologiske respons “totalt” ( IC 50 kan enten være højere eller og mindre end EC 50 , afhængigt af karakteristikaene ved reguleringen af et bestemt fysiologisk receptorsystem - der er både receptorsystemer, hvor besættelsen af et relativt lille antal receptorer frembringer en stor fysiologisk effekt, og omvendt, systemer, hvor en stor procentdel af tilgængelige receptorer, og afhængigheden af størrelsen af den fysiologiske effekt af procentdelen af receptorbelægning, såvel som af dosis af agonisten, slet ikke behøver at være lineær). Liganden, hvis dosis-respons-kurve er vist med rødt, har en højere grad af affinitet for receptoren (højere bindingsaffinitet) end liganden, hvis kurve er vist med grønt. Hvis begge ligander er til stede på samme tid, vil en større procentdel af liganden med høj affinitet (som har en højere affinitet for receptoren) binde til de tilgængelige receptorbindingssteder end liganden med lavere affinitet. Denne mekanisme forklarer især, hvorfor carbonmonoxid (II), selv ved lave koncentrationer, kan konkurrere med oxygen om binding til hæmoglobin , idet det er en højere affinitet (som har en større affinitet for hæmoglobin) "agonist" af dette transportprotein, og hvorfor dette fører ofte til kulilteforgiftning.
Bindingsaffiniteten af en ligand til en receptor (graden af en ligands affinitet for en receptor) bestemmes mest almindeligt ved at bruge metoden til at fortrænge en mærket radioaktiv ligand (benævnt "varm ligand") af liganden under test (benævnt til som "kold" eller "test" ligand). Homologe kompetitive bindingseksperimenter af en ligand til en receptor er eksperimenter, hvor en "varm" (radiomærket) og en "kold" (umærket) ligand er det samme kemiske stof, og de konkurrerer med hinanden om tilgængelige bindingssteder med receptor. [4] Der findes også metoder uden brug af et radioaktivt mærke, såsom overfladeplasmonresonans, dobbeltpolariseringsinterferometri. Disse metoder gør det muligt at bestemme ikke kun affiniteten (graden af affinitet) af en agonist til receptoren, men også kinetikken af dens association og dissociation fra bindingen med receptoren, og i tilfælde af dobbeltpolarisationsinterferometri også konfigurationsændringer i receptoren forårsaget af bindingen af agonisten til den. For nylig er der også udviklet en mikrotermoforesemetode. [5] Denne metode tillader bestemmelse af bindingsaffinitet uden at pålægge nogen restriktioner på ligandens molekylvægt. [6]
For at analysere de opnåede data om kinetikken af ligandbinding til receptoren og på dens affinitet, anvendes metoder til statistisk mekanik, især beregningen af den såkaldte. konfigurationsintegral. [7] .
Graden af ligandaffinitet for receptorer, eller den såkaldte "affinitet" af en ligand til receptorer, bestemmer ikke i sig selv den molære aktivitet (generelle "styrke") af en bestemt ligand. Et stofs molære aktivitet (styrke) er resultatet af en kompleks interaktion mellem dets grad af affinitet for receptorer og dets iboende agonistaktivitet (med andre ord dets receptoreffektivitet). Intern agonistaktivitet (receptoreffektivitet) er en kvantitativ karakteristik af en given ligands evne til at inducere en bestemt biologisk respons efter binding til en receptor og et mål for størrelsen af den biologiske respons den fremkalder, som en procentdel af det maksimalt mulige biologisk respons, som tages som den maksimale stimulering af en endogen agonist (100 %). Afhængigt af arten, naturen, tegn og størrelsen af den biologiske respons forårsaget af liganden, klassificeres den enten som en agonist eller endda superagonist eller som en delvis agonist eller som en neutral antagonist eller som en omvendt agonist . [otte]
Selektive ligander har tendens til kun at binde klinisk/fysiologisk relevante (normalt nanomolære) koncentrationer til et ret begrænset sæt af receptorundertyper (ikke nødvendigvis alle disse undertyper vil være receptorer for den samme endogene ligand). Samtidig har ikke-selektive ligander en tendens til at binde signifikant i relevante koncentrationer til en temmelig bred vifte af receptorundertyper (ofte til forskellige endogene ligander) og producerer derved en bredere vifte af kliniske, biokemiske og fysiologiske effekter, begge ønskværdige og ofte uønskede bivirkninger.
Ligandselektivitet er et ret betinget og relativt begreb, da der er meget få virkelig selektive ligander, der kun binder til én receptorsubtype i hele rækken af "rimelige", klinisk opnåelige koncentrationer hos mennesker, og endnu færre ligander, der kan opretholde 100% selektivitet ved de koncentrationer., som kan skabes i forsøg på dyr og endnu mere "in vitro" ( in vitro ). Ofte går den tilsyneladende relative selektivitet af en bestemt ligand tabt med stigende dosis eller koncentration (dvs. ved højere koncentrationer eller doser begynder den at interagere med andre receptorundertyper), og dette har vigtige kliniske implikationer (f.eks. høje doser af selektiv opioidreceptoragonist buprenorphin kan undertrykke vejrtrækningen betydeligt og forårsage eufori, da selektivitet sammenlignet med morfin går tabt; på samme måde kan høje doser af selektive β-blokkere forårsage bronkospasme , da selektivitet for β 1 -subtypen er tabt , og høje doser af β 2 -agonister kan ud over at eliminere bronkospasme også forårsage takykardi ; høje doser af atypiske antipsykotika som risperidon og olanzapin kan forårsage ekstrapyramidale bivirkninger, som typiske antipsykotika ).
Udviklingen af nye, mere selektive ligander er en vigtig opgave for moderne eksperimentel og klinisk farmakologi, eftersom selektive ligander ved selektivt at aktivere eller blokere kun én "ønsket" receptorundertype eller flere af deres undertyper har tendens til at vise færre bivirkninger, mens ikke-selektive ligander, Ved binding til en lang række receptorer frembringer de både ønskelige og uønskede bivirkninger. Et godt eksempel er sammenligningen af det relativt ikke-selektive chlorpromazin med det mere selektive haloperidol : chlorpromazin giver på grund af dets lave selektivitet mange bivirkninger ud over en nyttig antipsykotisk effekt (alfa 1 -adrenoblokade fører således til hypotension og takykardi , H 1 -histaminblokade fører til døsighed , sedation , øget appetit og vægtøgning, M-cholinerg blokade - til mundtørhed og forstoppelse osv., mens haloperidol forårsager disse fænomener i meget mindre grad og i klinisk anvendte doser forårsager hovedsageligt ekstrapyramidale bivirkninger, direkte forbundet med dens vigtigste D 2 -blokerende virkning).
Et mål for den relative selektivitet af en bestemt ligand er værdien af forholdet mellem dens affinitet (affinitet) til den "ønskede", "hoved" receptorundertype (f.eks. til D 2 , i tilfælde af antipsykotika) og til den nærmeste næste i størrelsesorden af affinitets (affinitets) subtype receptorer - det vil sige værdien af forholdet Ki (1) / Ki (2) . Højere affinitet for den "ønskede" type receptor, mere stærkt aktive ("højere potente") forbindelser er ofte, men ikke altid, også mere selektive, i det mindste ved lave koncentrationer (hvilket igen er muliggjort netop af mere høj affinitet af forbindelsen for receptoren og større aktivitet af forbindelsen). En vigtig opgave for eksperimentel og klinisk farmakologi er således udviklingen af nye, højere affinitet (som har en højere affinitet for receptoren) og mere aktive (“højere potente”) forbindelser med hensyn til visse typer receptorer.
Bivalente ligander består af to forbundne molekyler, som hver er en ligand for en bestemt undertype af receptorer (den samme eller forskellige), og på grund af den rumlige strukturs ejendommeligheder er begge dele af molekylet i stand til at binde sig til to dele samtidigt af det "sammensatte" homo- eller heterodimere receptorkompleks. Bivalente ligander bruges i videnskabelig forskning til at opdage og studere homo- og heterodimere receptorkomplekser og studere deres egenskaber. Bivalente ligander er sædvanligvis store molekyler og har en tendens til ikke at have ønskværdige egenskaber for lægemidler , såsom bekvem farmakokinetik (acceptabel biotilgængelighed, let klinisk brug, acceptabel halveringstid osv.), lav allergenicitet og acceptabel toksicitet og bivirkninger, hvilket gør dem generelt uegnet eller uegnet til brug i klinisk praksis uden for forskningslaboratorier. [9] [10]
En foretrukken struktur [11] er en strukturel del af et molekyle, et radikal eller kemisk grundstof, som eller som statistisk ofte gentages blandt allerede kendte lægemidler af en given farmakologisk klasse, blandt allerede kendte ligander af en given type eller undertype af receptorer, eller kendte inhibitorer af et givet enzym, eller blandt nogle andre isoleret ifølge nogle fælles træk ved en specifik undergruppe af allerede kendte biologisk aktive forbindelser. Disse statistisk adskilte privilegerede elementer i den kemiske struktur [12] kan senere bruges som grundlag for udviklingen af nye biologisk aktive forbindelser eller nye lægemidler med egenskaber, der ligner eller muligvis endda forbedres sammenlignet med de oprindelige forbindelser, og endda til udvikling af hele biblioteker af sådanne forbindelser. .
Typiske eksempler er for eksempel tricykliske strukturer af forskellige kemiske strukturer i molekylerne af tricykliske antidepressiva eller eksistensen af kemisk lignende hele underklasser af antipsykotika , såsom butyrophenonderivater ( haloperidol , spiperon , droperidol osv.), indolderivater ( reserpin ). , carbidin, etc.).), phenothiazinderivater ( chlorpromazin , perphenazin , etc.).