Ligando (bioquímica)

En bioquímica y farmacología , un ligando es una sustancia que forma un complejo con una biomolécula para cumplir una función biológica. Su 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 diana . Esta unión generalmente resulta en un cambio de isomería conformacional (conformación) de la proteína diana. 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 su pareja de unión depende 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 reversible mediante disociación . La unión covalente irreversible y medible entre un ligando y una molécula diana es atípica en los sistemas biológicos. A diferencia de la definición de ligando en química metalorgánica e inorgánica , en bioquímica resulta ambiguo si el ligando se une generalmente a un sitio metálico , como ocurre en la hemoglobina . En general, la interpretación del término ligando depende del contexto y del tipo de unión observada.

La unión de un ligando a una proteína receptora altera su conformación al afectar la orientación de su forma tridimensional. La conformación de una proteína receptora constituye su estado funcional. Los ligandos incluyen sustratos , inhibidores , activadores , lípidos de señalización y neurotransmisores . La velocidad de unión se denomina afinidad , y esta medida tipifica una tendencia o fuerza del efecto. La afinidad de unión se actualiza no solo por las interacciones huésped-anfitrión , sino también por los efectos del disolvente, que pueden desempeñar un papel estérico dominante que impulsa la unión no covalente en solución. ^{[ 3 ]} El disolvente 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 puede caracterizarse 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 una menor fuerza de atracción. 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 media 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 puede utilizarse para causar 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 a un receptor y alterar su función, desencadenando así una respuesta fisiológica, se denomina agonista del receptor . Los ligandos que se unen a un receptor pero no activan la respuesta fisiológica se denominan antagonistas del receptor .

_{La unión de} un agonista a un receptor puede caracterizarse tanto en términos de la cantidad de respuesta fisiológica que 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 EC50 , la concentración requerida para producir la respuesta semimáxima). La unión de ligando de alta afinidad implica que una concentración relativamente baja de un ligando es suficiente 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 de Ki _, la concentración requerida para ocupar el 50% del receptor. Las afinidades de los ligandos se miden con mayor frecuencia indirectamente como un valor _de IC50 a partir de un experimento de unión competitiva donde se determina la concentración de un ligando requerida para desplazar el 50% de una concentración fija de ligando de referencia. El valor de Ki _puede estimarse a partir de IC50 _mediante la ecuación de Cheng-Prusoff . Las afinidades de los ligandos también pueden medirse directamente como una constante de disociación (K _d ) utilizando métodos como la extinción de fluorescencia , la calorimetría de titulación isotérmica o la resonancia de plasmones superficiales . ^{[ 4 ]}

La unión de baja afinidad (nivel alto de K _i ) implica que se requiere una concentración relativamente alta de un ligando antes de que el sitio de unión esté ocupado al máximo y se alcance 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 llama agonista parcial . En este ejemplo, la concentración a la que el agonista completo (curva roja) puede activar el receptor a la mitad de su capacidad máxima es de aproximadamente 5 × 10 ⁻⁹ Molar (nM = nanomolar ).

La afinidad de unión se determina comúnmente utilizando un ligando radiomarcado , conocido como ligando etiquetado. Los experimentos de unión competitiva homóloga implican una competencia de unión entre un ligando etiquetado y un ligando no etiquetado. ^{[ 5 ]} Los métodos basados ​​en tiempo real, que a menudo no requieren marcadores, como la resonancia de plasmones superficiales , la interferometría de doble polarización y la resonancia de plasmones superficiales 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 casos posteriores, del cambio conformacional inducido tras la unión. La MP-SPR también permite realizar mediciones en tampones de disociación de alta concentración salina gracias a una configuración óptica única. Se desarrolló la termoforesis a microescala (MST), un método sin inmovilización ^{[ 6 ]} . Este método permite determinar la afinidad de unión sin ninguna limitación en cuanto al 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 ligandos selectivos tienden a unirse a un número muy limitado de receptores, mientras que los no selectivos se unen a varios tipos. Esto es crucial en farmacología , ya que los fármacos no selectivos suelen tener más efectos adversos al unirse a otros receptores además del que produce el efecto deseado.

Para los ligandos hidrofóbicos (p. ej., PIP2) en complejo con una proteína hidrofóbica (p. ej., canales iónicos regulados por lípidos ), la determinación de la afinidad se complica por las interacciones hidrofóbicas no específicas. Estas interacciones pueden superarse 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 enlace inerte. Hay varios tipos de ligandos bivalentes y a menudo se clasifican según a qué se dirigen los farmacóforos. Los ligandos homobivalentes se dirigen a dos tipos de receptores iguales. 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 dímeros de receptores y para investigar sus propiedades. Esta clase de ligandos fue iniciada por Philip S. Portoghese y colaboradores mientras estudiaban el sistema de receptores opioides. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Los ligandos bivalentes también fueron informados tempranamente por Michael Conn y colaboradores para el receptor de la hormona liberadora de gonadotropina . ^{[ 17 ] [ 18 ]} Desde estos primeros informes, se han reportado muchos ligandos bivalentes para varios sistemas de receptores acoplados a proteínas 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 contrapartes monovalentes y, por lo tanto, no son "similares a fármacos" según la regla de los 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 contrapartes monovalentes (como selectividad tisular, mayor afinidad de unión y mayor potencia o eficacia), los bivalentes también pueden ofrecer algunas ventajas clínicas.

Los ligandos de las proteínas también pueden caracterizarse por el número de cadenas proteicas 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 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, la función, la alostería y el plegamiento de los complejos proteicos. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

Un andamiaje privilegiado ^{[ 34 ]} es un marco molecular o una unidad química que se repite estadísticamente entre fármacos conocidos o entre un conjunto específico de compuestos biológicamente activos. Estos elementos privilegiados ^{[ 35 ]} pueden utilizarse como base para el diseño de 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, tales como:

• espectroscopia de transformada de Fourier
• espectroscopia Raman
• Espectroscopia de fluorescencia
• dicroísmo circular
• Resonancia magnética nuclear
• Espectrometría de masas
• Microscopio de fuerza atómica
• Sondas paramagnéticas
• interferometría de doble polarización
• Resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica
• Ensayo de unión de ligando y ensayo de unión de radioligando
• Ensayo de respuesta de dinámica estructural

Otras técnicas incluyen: intensidad de fluorescencia, complementación de fluorescencia bimolecular, FRET (transferencia de energía de resonancia de fluorescencia) / extinción de resonancia de plasmones de superficie FRET, interferometría de capa biológica , ELISA indirecto de co-inmunoprecipitación, diálisis de equilibrio, electroforesis en gel, western blot lejano, anisotropía de polarización de fluorescencia, resonancia paramagnética electrónica, termoforesis a microescala , switchSENSE .

El drástico aumento de la capacidad de cálculo de las supercomputadoras y las computadoras personales ha permitido estudiar las interacciones proteína-ligando también mediante la química computacional . Por ejemplo, en el proyecto grid.org , que finalizó en abril de 2007 , se utilizó una red mundial de más de un millón de PC comunes para la investigación del cáncer. A Grid.org le sucedieron proyectos similares como World Community Grid , Human Proteome Folding Project , Compute Against Cancer y Folding@Home .

• Agonista
• regresión de Schild
• Regulación alostérica
• Base de datos Ki
• Acoplamiento en casa
• GPUGRID.net
• ligando de unión al ADN
• Base de datos de enlace
• Desafío SAMPL

• BindingDB , una base de datos pública de afinidades de unión proteína-ligando medidas.
• BioLiP , una base de datos integral para las interacciones ligando-proteína.