În biochimie și farmacologie , un ligand este un compus chimic (adesea, dar nu întotdeauna, o moleculă mică) care formează un complex cu o anumită biomoleculă (cel mai adesea o proteină , de exemplu, un receptor celular , dar uneori, de exemplu, cu ADN ) și produce, ca urmare a acestei legături, anumite efecte biochimice, fiziologice sau farmacologice. în cazul legării unui ligand la o proteină, ligandul este în mod obişnuit o moleculă de semnalizare mică care se leagă la un situs specific de legare pe proteina ţintă (de exemplu, un receptor). În cazul legării ligandului de ADN, ligandul este de obicei și o moleculă sau un ion mic,[1] sau o proteină [2] care se leagă de dubla helix ADN.
Legarea unui ligand de un receptor are loc de obicei cu ajutorul forțelor de interacțiune intermoleculară, cum ar fi legăturile ionice, legăturile de hidrogen, forțele Van der Waals (forțele Vander Waals) - forțele de interacțiune intermoleculare (și interatomice ) cu o energie de 10-20 kJ / mol . Termenul se referea inițial la toate astfel de forțe, în știința modernă este de obicei aplicat forțelor care decurg din polarizarea moleculelor și formarea de dipoli . Descoperit de JD Van der Waals în 1869 .
Forțele Van der Waals de interacțiune interatomică a gazelor inerte determină posibilitatea existenței unor stări agregate ale gazelor inerte ( gaz , lichid și solide ).
Forțele van der Waals includ interacțiuni între dipoli (permanenți și indus). Denumirea provine de la faptul că aceste forțe sunt cauza corecției presiunii interne în ecuația de stare van der Waals pentru un gaz real . Aceste interacțiuni, precum și legăturile de hidrogen , determină formarea structurii spațiale a macromoleculelor biologice.
Forțele Van der Waals apar și între o particulă (particulă macroscopică sau nanoparticulă) și o moleculă și între două particule. Legarea sau asocierea unui ligand cu un receptor (așa-numita „ancopare” a unui ligand într-o „nișă” specifică în receptor) este de obicei reversibilă și de scurtă durată. Procesul invers se numește disocierea ligandului de legătura cu receptorul. Legarea covalentă ireversibilă a unui ligand la un receptor sau altă țintă moleculară pentru acel ligand este rară în sistemele biologice, cel puțin în condiții fiziologice. Cu toate acestea, liganzi artificiali, exogeni, care se leagă ireversibil covalent la moleculele țintă, există, desigur, și chiar sunt de mare importanță în medicină, cum ar fi, de exemplu, medicamentele antitumorale ADN alchilatoare ireversibile de tip alchilant sau antidepresivele MAO ale IMAO care inactivează ireversibil. grup, sau inactivarea ireversibilă a α-adrenoreceptorilor fenoxibenzamină. Spre deosebire de definiția acceptată a unui ligand în chimia organometalică și anorganică, pentru procesul de interacțiune a unui ligand cu biomoleculele țintă, este complet neimportant (și nu este necesar) ca ligandul să interacționeze exact cu metalul cofactor în compoziția unui molecula biologica (mai ales ca nu toate moleculele biologice contin metale).ca cofactori). Totuși, legarea unui ligand de locul care conține metal al unei molecule biologice se găsește adesea în sistemele biologice și are o mare importanță biologică pentru proteinele de transport, cum ar fi hemoglobina (care transportă oxigen , dioxid de carbon și este, de asemenea, capabilă să transporte ). alte gaze endogene, în special monoxid de carbon endogen), gaz , hidrogen sulfurat endogen și oxid de sulf endogen (IV) ), și pentru enzimele catalitice , multe dintre acestea fiind metaloenzime (conțin un ion al unuia sau altul metal în compoziția centru catalitic activ într-un complex de coordonare cu o proteină).
Legarea unui ligand la un receptor (proteina receptorului) îi modifică starea conformațională (configurația spațială tridimensională). Și aceasta, la rândul său, poate duce la o schimbare a stării funcționale a proteinei (de exemplu, la activarea sau inactivarea unui receptor sau a unei enzime, la disocierea uneia dintre subunitățile proteinei compozite sau, dimpotrivă, la dobândirea de către proteină a capacității de a atașa un alt ligand specific sau o altă proteină, sau deschiderea unui canal ionic cuplat cu proteine, sau autofosforilarea sau altă automodificare a proteinei sau oportunitățile ca aceasta să fie fosforilată sau altfel modificat de o altă proteină etc.). Conceptul de „ligand” include atât substraturi ale enzimelor, cât și antigeni recunoscuți de anticorpi , precum și diverși agoniști , antagoniști și agonişti inversi , inclusiv cei endogene, cum ar fi neurotransmițători , hormoni , citokine și chemokine, precum și inhibitori și activatori ai anumitor enzime sau de reglare. proteine și factori de transcripție și exogeni, cum ar fi medicamentele etc. Forța de legare a unui ligand la o proteină țintă (de exemplu, receptor) se numește „afinitate”, sau afinitate, a ligandului față de proteina țintă (de exemplu, receptor). Forța de legare a unui ligand la o proteină țintă este determinată nu numai de puterea interacțiunilor directe ale ligandului cu o anumită proteină (de exemplu, un receptor), ci și de micromediul moleculei de proteină, în special de solvent. moleculele prezente în jur, care pot juca un rol dominant în asigurarea interacțiunilor intermoleculare necovalente adecvate între ligand și proteina țintă ( apă [3] , lipidele membranei celulare ) și proteinele partenere (în cazul, de exemplu, receptorii oligomerici sau G- receptori cuplati cu proteine). În special, creșterea afinității receptorilor transmembranari pentru agoniștii endogeni în prezența colesterolului și a sfingolipidelor este motivul pentru care acești receptori tind să fie localizați în anumite locuri ale membranei celulare, numite rafturi lipidice și îmbogățiți în colesterol și sfingolipide.
Radioliganzii sunt numiți compuși marcați radioactiv (unul sau altul izotop radioactiv) care au afinitate suficient de mare și selectivi față de un subtip dorit de receptori și sunt utilizați atât in vivo pentru tomografia cu emisie de pozitroni (PET) pentru a studia distribuția acestor receptori. într-un organism viu și gradul de legare cu acești receptori a anumitor medicamente în doze utilizate clinic și in vitro ca „liganzi fierbinți” pentru a determina afinitatea (gradul de afinitate pentru receptor) a „ligandului rece”.
Interacțiunea majorității liganzilor cu situsurile lor de legare poate fi caracterizată prin prisma gradului de afinitate a ligandului pentru receptor (afinitatea receptorului ligand). În general, un grad ridicat de afinitate a unui anumit ligand pentru un anumit subtip de receptor specific (afinitate mare a ligandului pentru acest subtip de receptor) este rezultatul unei interacțiuni intermoleculare mai puternice între receptor și ligandul său și invers - un grad mai scăzut de afinitatea ligandului pentru acest receptor (afinitate mai mică pentru acest receptor) este, de regulă, o consecință a puterii mai scăzute a interacțiunii intermoleculare dintre ele. Aceasta înseamnă, de asemenea, că, în general, legarea cu afinitate mare (adică afinitate mare, cu alte cuvinte, puternică) a ligandului la receptor implică un timp de rezidență mai lung al ligandului pe receptor (și, prin urmare, un procent mai mare de ocupare a receptorului). la doze sau concentraţii relativ mici).ligand). În plus, o afinitate mare de legare a unui ligand la un receptor (o afinitate mare a ligandului pentru acesta) are adesea consecințe fiziologice importante, deoarece o parte din energia de legare a ligandului la receptor (care este în mod natural mai mare cu „afinitate ridicată". ", legarea cu afinitate mare, deoarece implică mai multă putere a interacțiunii intermoleculare) poate fi utilizată pentru a modifica configurația spațială a receptorului, care, la rândul său, poate duce la activarea sau, dimpotrivă, dezactivarea receptorului și la deschiderea ionului . canal asociat cu receptorul sau unei modificări a comportamentului (creștere sau scădere a activității) asociată cu enzima receptorului sau proteina reglatoare. Astfel, un ligand cu afinitate mai mare (care are o afinitate mai mare pentru receptor) este mai probabil să fie activ din punct de vedere fiziologic și farmacologic (adică să prezinte un anumit grad de activitate agonistă internă, indiferent dacă este un agonist sau un agonist invers). Totuși, acest lucru nu este garantat - „antagoniști neutri” cu afinitate mare, sau mai degrabă, agenți apropiați de antagoniști neutri, adică având un modul foarte scăzut de activitate agonistă internă, aproape de zero, dar care prezintă totuși un grad ridicat sau foarte mare. de afinitate pentru receptor, există și afinități pentru acesta.
Un ligand receptor care se poate lega de un receptor, modifică configurația spațială a acestui receptor în așa fel încât să conducă la activarea acestuia și, ca urmare, să poată provoca unul sau altul răspuns fiziologic sau biochimic al celulei (pentru a fi un declanșator al unui astfel de răspuns) se numește agonist.față de acest receptor. Legarea unui agonist la un receptor poate fi caracterizată atât în ceea ce privește cât de mare este răspunsul fiziologic maxim care poate fi obținut prin stimularea numărului maxim disponibil de receptori cu acel agonist special („activitate agonistă intrinsecă”), cât și în ceea ce privește concentrația molară a unui agonist dat este necesară pentru a provoca un răspuns fiziologic de o putere sau alta („curba doză-răspuns”) și în ceea ce privește concentrația molară a unui agonist dat este necesară pentru a provoca un răspuns fiziologic de 50% din maxim realizabil pentru un agonist dat („concentrație eficientă maximă jumătate”, sau EC50 , EC50 ). Astfel, valoarea determinată și măsurată a EC50 este doar o caracteristică cantitativă a măsurării afinității agonistului față de receptor (o măsură a afinității acestuia pentru acesta). Dacă, totuși, măsurăm concentrația necesară pentru a obține 50% din „răspunsul fiziologic maxim realizabil în general ”, și nu 50% din maximul realizabil pentru acest agonist particular (luând drept maxim realizabil, adică pentru 100 % - efectul maxim de la agonistul endogen ), apoi obținem valoarea EC 50 , care depinde atât de valoarea afinității agonistului (gradul de afinitate a acestuia pentru receptor), cât și de raportul dintre activitatea sa agonistă internă și agonistul intern. activitatea agonistului endogen, luată ca 100%. EC50 astfel definită va fi o măsură cantitativă nu numai a afinității, ci și a activității molare a unei substanțe („potența sa”), care este o funcție atât a afinității (afinității pentru receptor) , cât și a activității agoniste interne („ eficiența receptorului") a unui ligand dat.
Astfel, legarea cu afinitate mare (afinitate mare) a unui ligand la un receptor înseamnă că este necesară o concentrație relativ scăzută a ligandului pentru a asigura ocuparea completă (maximum posibil pentru un sistem de receptor dat) a situsurilor de legare ale unui ligand dat pe receptori. și induce răspunsul fiziologic maxim posibil pentru un ligand dat (valoare care depinde de „activitatea agonistă intrinsecă” a ligandului). Adică, cu cât valoarea Ki este mai mică , care caracterizează afinitatea de legare a ligandului la receptor, cu atât este mai probabilă formarea unei legături chimice între moleculele ligandului și moleculele receptorului ca urmare a unei coliziuni aleatorii a moleculelor în timpul Mișcarea browniană (deoarece există o forță de interacțiune intermoleculară mai mare între ele). Iar o putere mai mare a interacțiunii intermoleculare înseamnă și un timp mediu de retenție mai lung al ligandului pe receptor (durată mai mare a existenței unei legături chimice necovalente). Dimpotrivă, legarea cu afinitate scăzută (afinitate scăzută pentru receptor), adică o valoare ridicată a Ki , înseamnă că sunt necesare concentrații relativ mari ale unui ligand dat pentru a obține ocuparea maximă a tuturor locurilor de legare disponibile și pentru a genera răspunsul fiziologic maxim posibil pentru un agonist dat. Aceasta înseamnă, de asemenea, că formarea unei legături chimice între un ligand dat și un receptor ca urmare a unei coliziuni aleatorii a moleculelor în timpul mișcării browniene este mai puțin probabilă pentru un agonist cu afinitate mai mică (care are afinitate mai mică pentru receptor), deoarece există mai puțin forța intermoleculară dintre ele și este mai puțin specifică. Iar timpul mediu de retenție al ligandului pe receptor pentru afinitate scăzută (care are afinitate scăzută pentru receptor) este mai scurt, eliberează receptorul mai repede și se disociază de conexiunea cu acesta mai repede. O concentrație mai mare pentru un ligand cu afinitate scăzută este necesară tocmai pentru că crește probabilitatea unei „coliziuni aleatoare” a moleculelor de ligand cu afinitate scăzută cu receptorul și probabilitatea unei legături chimice între ele.
În imaginea din dreapta, doi liganzi agonişti diferiţi se leagă la acelaşi situs de legare la receptor. Doar unul dintre ei este capabil să stimuleze maxim (adică cel mai eficient, cel mai probabil) receptorul și, prin urmare, poate fi definit ca un „agonist complet” pentru acest subtip de receptor. Un agonist care este doar parțial capabil să activeze receptorii (adică o face mai puțin eficient decât un agonist complet, mai puțin probabil să conducă la modificarea „dorită” a configurației receptorului și la activarea acestuia după legare, în comparație cu un agonist complet ), și, prin urmare, este capabil să provoace un răspuns fiziologic mai mic decât un agonist complet este numit agonist parțial sau agonist parțial. În acest exemplu, concentrația la care un agonist complet (curbă roșie) este capabil să obțină 50% din răspunsul fiziologic maxim (adică EC50 ) este de aproximativ 5 x 10-9 nanomoli ( nM ).
Liganzii care se leagă de receptori, totuși, nu pot sau aproape nu pot activa receptorul (sau mai degrabă, fac acest lucru cu o probabilitate neglijabilă) și, în consecință, prin ei înșiși nu pot și nu provoacă un răspuns fiziologic al sistemului receptor, ci doar împiedică legarea atât a agoniştilor, cât şi a agoniştilor inversi, precum şi răspunsul fiziologic la aceştia, se numesc antagonişti .
În exemplul prezentat în stânga, curbele doză-răspuns sunt prezentate pentru doi liganzi cu grade diferite de afinitate pentru receptor (afinități diferite pentru acesta). Legarea unui ligand la un receptor este adesea caracterizată în ceea ce privește concentrația de ligand necesară pentru a ocupa 50% din toate situsurile de legare la receptor - așa-numita IC50 . Valoarea IC50 este legată de constanta de disociere Ki , dar diferă de aceasta. De asemenea, diferă de valoarea EC50 , deoarece ocuparea a 50% din receptorii disponibili nu conduce neapărat la producerea a 50% din răspunsul fiziologic maxim pentru un anumit agonist sau 50% din răspunsul fiziologic maxim „total” ( IC50 poate fi fie mai mare, fie și mai mică decât EC50 , în funcție de caracteristicile de reglare a unui anumit sistem receptor fiziologic - există ambele sisteme de receptor în care ocuparea unui număr relativ mic de receptori produce un efect fiziologic mare și , dimpotrivă, sistemele în care un procent mare de receptori disponibili și dependența mărimii efectului fiziologic de procentul de ocupare a receptorului, precum și de doza de agonist, nu trebuie să fie deloc liniară). Ligandul a cărui curbă doză-răspuns este prezentată în roșu are un grad mai mare de afinitate pentru receptor (afinitate de legare mai mare) decât ligandul a cărui curbă este prezentată în verde. Dacă ambii liganzi sunt prezenți în același timp, atunci un procent mai mare din ligand cu afinitate mare (care are o afinitate mai mare pentru receptor) se va lega la situsurile de legare la receptor disponibile decât ligandul cu afinitate mai mică. Acest mecanism explică, în special, de ce monoxidul de carbon (II), chiar și la concentrații scăzute, poate concura cu oxigenul pentru legarea de hemoglobină , fiind o afinitate mai mare (având o afinitate mai mare pentru hemoglobină) „agonist” al acestei proteine de transport, și de ce acest lucru duce adesea la otrăvire cu monoxid de carbon.
Afinitatea de legare a unui ligand la un receptor (gradul de afinitate a unui ligand pentru un receptor) este determinată cel mai frecvent folosind metoda de înlocuire a unui ligand radioactiv marcat (denumit „ligand fierbinte”) de către ligandul testat (denumit ca ligand „rece” sau „de testare”. Experimentele omoloage de legare competitivă a unui ligand la un receptor sunt experimente în care un ligand „fierbinte” (radiomarcat) și un ligand „rece” (nemarcat) sunt aceeași substanță chimică și concurează unul cu celălalt pentru situsurile de legare disponibile cu receptorul. [4] Există, de asemenea, metode fără utilizarea unei etichete radioactive, cum ar fi rezonanța plasmonilor de suprafață, interferometria cu dublă polarizare. Aceste metode fac posibilă determinarea nu numai a afinității (gradului de afinitate) a unui agonist pentru receptor, ci și a cineticii asocierii și disocierii acestuia de legătura cu receptorul, iar în cazul interferometriei cu dublă polarizare, de asemenea, modificări de configurație ale receptorului cauzate de legarea agonistului de acesta. Recent, a fost dezvoltată și o metodă de microtermoforeză. [5] Această metodă permite determinarea afinității de legare fără a impune nicio restricție asupra greutății moleculare a ligandului. [6]
Pentru a analiza datele obținute cu privire la cinetica legării ligandului la receptor și asupra afinității acestuia, se folosesc metode de mecanică statistică, în special calculul așa-numitului. integrală de configurare. [7] .
Gradul de afinitate a ligandului pentru receptori, sau așa-numita „afinitate” a unui ligand pentru receptori, nu determină în sine activitatea molară („potența” generală) a unui anumit ligand. Activitatea molară (potența) unei substanțe este rezultatul unei interacțiuni complexe între gradul său de afinitate pentru receptori și activitatea sa agonistă intrinsecă (cu alte cuvinte, eficacitatea receptorului său). Activitatea agonistului intern (eficacitatea receptorului) este o caracteristică cantitativă a capacității unui ligand dat de a induce un anumit răspuns biologic după legarea de un receptor și o măsură a mărimii răspunsului biologic pe care îl evocă, ca procent din maximul posibil. răspuns biologic, care este luat ca stimulare maximă de către un agonist endogen (100 %). În funcție de natura, natura, semnul și amploarea răspunsului biologic cauzat de ligand, acesta este clasificat fie ca agonist sau chiar superagonist , fie ca agonist parțial , fie ca antagonist neutru , fie ca agonist invers . [opt]
Liganzii selectivi tind să lege concentrațiile relevante clinic/fiziologic (de obicei nanomolare) doar la un set destul de limitat de subtipuri de receptori (nu neapărat toate aceste subtipuri vor fi receptori pentru același ligand endogen). În același timp, liganzii neselectivi tind să se lege semnificativ la concentrații relevante la o gamă destul de largă de subtipuri de receptori (adesea la diferiți liganzi endogeni) și, prin urmare, produc o gamă mai largă de efecte clinice, biochimice și fiziologice, ambele dezirabile. și, adesea, efecte secundare nedorite.
Selectivitatea ligandului este un concept destul de condiționat și relativ, deoarece există foarte puțini liganzi cu adevărat selectivi care se leagă de un singur subtip de receptor în întregul interval de concentrații „rezonabile”, realizabile clinic la oameni și chiar mai puțini liganzi care pot menține selectivitatea 100% la acele concentrații. , care pot fi create în experimente pe animale și cu atât mai mult „in vitro” ( in vitro ). Adesea, selectivitatea relativă aparentă a unui anumit ligand se pierde odată cu creșterea dozei sau concentrației (adică, la concentrații sau doze mai mari, începe să interacționeze cu alte subtipuri de receptori), iar acest lucru are implicații clinice importante (de exemplu, doze mari de Agonistul selectiv al receptorilor opioizi buprenorfina poate deprima semnificativ respirația și poate provoca euforie, deoarece selectivitatea în comparație cu morfina este pierdută; în mod similar, dozele mari de beta-blocante selective pot provoca bronhospasm , deoarece selectivitatea pentru subtipul β 1 este pierdută și dozele mari de β 2 -agoniștii, pe lângă eliminarea bronhospasmului, pot provoca și tahicardie ; dozele mari de antipsihotice atipice precum risperidona și olanzapina pot provoca reacții adverse extrapiramidale, cum ar fi antipsihoticele tipice ).
Dezvoltarea de liganzi noi, mai selectivi, este o sarcină importantă a farmacologiei experimentale și clinice moderne, deoarece liganzii selectivi, activând sau blocând selectiv doar un subtip de receptor „dorit” sau mai multe dintre subtipurile lor, tind să prezinte mai puține efecte secundare, în timp ce liganzi neselectivi, prin legarea la o gamă largă de receptori, ei produc atât efecte secundare dezirabile, cât și nedorite. Un bun exemplu este compararea clorpromazinei relativ neselective cu haloperidolul mai selectiv : clorpromazina, datorita selectivitatii sale scazute, produce multe reactii adverse pe langa un efect antipsihotic util (astfel, α 1 -adrenoblocked duce la hipotensiune arteriala si tahicardie ). , blocarea H 1 -histaminice duce la somnolență , sedare , creșterea apetitului și creșterea în greutate, blocarea M-colinergică - la uscăciunea gurii și constipație etc., în timp ce haloperidolul provoacă aceste fenomene într-o măsură mult mai mică și în dozele utilizate clinic provoacă în principal extrapiramidal. efecte secundare, direct asociate cu acțiunea sa principală de blocare a D2 ) .
O măsură a selectivității relative a unui anumit ligand este valoarea raportului dintre afinitatea (afinitatea) acestuia față de subtipul de receptor „dorit”, „principal” (de exemplu, față de D 2 , în cazul antipsihoticelor) și cel mai apropiat în ordinea mărimii receptorilor de subtip de afinitate (afinitate) - adică valoarea raportului Ki (1) / Ki (2) . Afinitate mai mare pentru tipul de receptor „dorit”, compușii mai activi („mai puternici”) sunt adesea, deși nu întotdeauna, și mai selectivi, cel puțin la concentrații scăzute (ceea ce, din nou, este posibil tocmai printr-o afinitate mai mare). a compusului pentru receptor și o activitate mai mare a compusului). Astfel, o sarcină importantă a farmacologiei experimentale și clinice este dezvoltarea unor compuși noi, cu afinitate mai mare (care au o afinitate mai mare pentru receptor) și mai activi („mai puternici”) în raport cu anumite tipuri de receptori.
Liganzii bivalenți constau din două molecule conectate, fiecare dintre acestea fiind un ligand pentru un anumit subtip de receptori (aceeași sau diferiți) și, datorită particularităților structurii spațiale, ambele părți ale moleculei sunt capabile să se lege simultan de două părți. a complexului receptor homo- sau heterodimeric „compozit”. Liganzii bivalenți sunt utilizați în cercetarea științifică pentru a descoperi și a studia complecși de receptori homo- și heterodimerici și pentru a studia proprietățile acestora. Liganzii bivalenți sunt de obicei molecule mari și tind să nu aibă proprietăți dezirabile pentru medicamente , cum ar fi farmacocinetica convenabilă (biodisponibilitate acceptabilă, ușurință în utilizare clinică, timp de înjumătățire acceptabil etc.), alergenitate scăzută și toxicitate acceptabilă și efecte secundare, ceea ce îi face în general, nepotrivit sau nepotrivit pentru utilizare în practica clinică în afara laboratoarelor de cercetare. [9] [10]
O structură preferată [11] este o parte structurală a unei molecule, un radical sau element chimic, care sau care se repetă statistic adesea printre medicamentele deja cunoscute dintr-o clasă farmacologică dată, printre liganzii deja cunoscuți ai unui anumit tip sau subtip de receptori, sau inhibitori cunoscuți ai unei enzime date, sau printre alți izolați conform unor caracteristici comune ale unui subset specific de compuși activi biologic deja cunoscuți. Aceste elemente privilegiate, distinse statistic, ale structurii chimice [12] pot fi utilizate ulterior ca bază pentru dezvoltarea de noi compuși biologic activi sau de noi medicamente cu proprietăți similare sau eventual chiar îmbunătățite în comparație cu compușii originali, și chiar pentru dezvoltarea întregului biblioteci de astfel de compuși...
Exemple tipice sunt, de exemplu, structurile triciclice ale diferitelor structuri chimice din moleculele antidepresivelor triciclice sau existența unor subclase întregi de antipsihotice similare din punct de vedere chimic , cum ar fi derivații de butirofenonă ( haloperidol , spiperonă , droperidol etc.), derivații de indol ( reserpină ). , carbidină etc.). ), derivați fenotiazinici ( clorpromazină , perfenazină etc.).