V biochemii a farmakologii je ligand chemická sloučenina (často, ale ne vždy, malá molekula), která tvoří komplex s konkrétní biomolekulou (nejčastěji proteinem , například buněčným receptorem , ale někdy například s DNA ) a v důsledku této vazby vyvolává určité biochemické, fyziologické nebo farmakologické účinky. V případě vazby ligandu na protein je ligand typicky malá signální molekula, která se váže na specifické vazebné místo na cílovém proteinu (např. receptor). V případě vazby ligandu na DNA je ligandem obvykle také malá molekula nebo iont,[1] nebo protein [2] , který se váže na dvoušroubovici DNA.
K vazbě ligandu na receptor obvykle dochází pomocí intermolekulárních interakčních sil, jako jsou iontové vazby , vodíkové vazby, Van der Waalsovy síly (Vander Waalsovy síly) - mezimolekulární (a meziatomové ) interakční síly s energií 10-20 kJ / mol . Termín původně označoval všechny takové síly, v moderní vědě se obvykle používá pro síly vznikající polarizací molekul a tvorbou dipólů . Objevil jej JD Van der Waals v roce 1869 .
Van der Waalsovy síly meziatomové interakce inertních plynů určují možnost existence agregovaných stavů inertních plynů ( plyn , kapalina a pevné látky ).
van der Waalsovy síly zahrnují interakce mezi dipóly (trvalými a indukovanými). Název pochází ze skutečnosti, že tyto síly jsou příčinou korekce na vnitřní tlak ve stavové rovnici van der Waals pro skutečný plyn . Tyto interakce, stejně jako vodíkové vazby , určují tvorbu prostorové struktury biologických makromolekul.
Van der Waalsovy síly se také vyskytují mezi částicí (makroskopickou částicí nebo nanočásticí) a molekulou a mezi dvěma částicemi. Vazba nebo asociace ligandu s receptorem (tzv. „docking“ ligandu do specifického „výklenku“ v receptoru) je obvykle reverzibilní a krátkodobá. Opačný proces se nazývá disociace ligandu z vazby s receptorem. Ireverzibilní kovalentní vazba ligandu na receptor nebo jiný molekulární cíl pro tento ligand je v biologických systémech vzácná, alespoň za fyziologických podmínek. Umělé, exogenní ligandy, které se ireverzibilně kovalentně váží na cílové molekuly, však samozřejmě existují a mají v medicíně dokonce velký význam, jako jsou například ireverzibilně alkylující DNA protinádorová léčiva alkylačního typu nebo ireverzibilně inaktivující MAO antidepresiva MAOI. skupiny, nebo ireverzibilně inaktivující α-adrenoreceptory fenoxybenzamin. Na rozdíl od akceptované definice ligandu v organokovové a anorganické chemii je pro proces interakce ligandu s cílovými biomolekulami zcela nedůležité (a není nutné), aby ligand přesně interagoval s kofaktorovým kovem ve složení a biologická molekula (zejména proto, že ne všechny biologické molekuly obsahují kovy).jako kofaktory). Vazba ligandu na místo biologické molekuly obsahující kov se však často nachází v biologických systémech a má velký biologický význam pro transportní proteiny, jako je hemoglobin (který transportuje kyslík , oxid uhličitý a je také schopen transportu jiných endogenních plynů , zejména endogenního oxidu uhelnatého ) . aktivní katalytické centrum v koordinačním komplexu s proteinem).
Vazbou ligandu na receptor (receptorový protein) se mění jeho konformační stav (trojrozměrná prostorová konfigurace). A to zase může vést ke změně funkčního stavu proteinu (například k aktivaci či inaktivaci receptoru či enzymu, k disociaci jedné z podjednotek kompozitního proteinu, nebo naopak k získání schopnosti proteinu připojit další specifický ligand nebo jiný protein nebo otevření iontového kanálu spřaženého s proteinem, nebo autofosforylace nebo jiné automodifikace proteinu, nebo příležitostí pro jeho fosforylaci nebo jinak modifikovaný jiným proteinem atd.). Pojem „ligand“ zahrnuje jak substráty enzymů a antigeny rozpoznávané protilátkami , tak různé agonisty , antagonisty a inverzní agonisty , včetně endogenních, jako jsou neurotransmitery , hormony , cytokiny a chemokiny a inhibitory a aktivátory určitých enzymů nebo regulačních proteiny a transkripční faktory a exogenní, jako jsou léky atd. Vazebná síla ligandu k cílovému proteinu (např. receptoru) se nazývá „afinita“ nebo afinita ligandu k cílovému proteinu (např. receptor). Vazebná síla ligandu k cílovému proteinu je určena nejen silou přímých interakcí ligandu s daným proteinem (například receptorem), ale také mikroprostředím molekuly proteinu, zejména rozpouštědlem. kolem přítomných molekul, které mohou hrát dominantní roli při zajišťování adekvátních nekovalentních intermolekulárních interakcí mezi ligandem a cílovým proteinem ( voda [3] , lipidy buněčné membrány ) a partnerskými proteiny (v případě např. oligomerních receptorů nebo G- receptory spojené s proteiny). Zejména zvýšení afinity transmembránových receptorů k endogenním agonistům v přítomnosti cholesterolu a sfingolipidů je důvodem, že tyto receptory mají tendenci se nacházet na určitých místech buněčné membrány, nazývaných lipidové rafty a jsou obohaceny o cholesterol a sfingolipidy.
Radioligandy se nazývají radioaktivně značené (jeden nebo jiný radioaktivní izotop) sloučeniny, které mají dostatečně vysokou afinitu a jsou selektivní s ohledem na některý požadovaný podtyp receptorů a používají se in vivo pro pozitronovou emisní tomografii (PET) za účelem studia distribuce těchto receptorů. v živém organismu a stupeň vazby s těmito receptory určitých léčiv v klinicky používaných dávkách a in vitro jako "horké ligandy" pro stanovení afinity (stupně afinity k receptoru) "studeného ligandu".
Interakce většiny ligandů s jejich vazebnými místy může být charakterizována z hlediska stupně afinity ligandu k receptoru (afinita ligandového receptoru). Obecně platí, že vysoký stupeň afinity konkrétního ligandu k danému specifickému subtypu receptoru (vysoká afinita ligandu k tomuto subtypu receptoru) je výsledkem silnější intermolekulární interakce mezi receptorem a jeho ligandem a naopak – nižší stupeň afinita ligandu k tomuto receptoru (nižší afinita k tomuto receptoru) je zpravidla důsledkem nižší síly intermolekulární interakce mezi nimi. To také znamená, že obecně vysoká afinita (tj. vysoká afinita, jinými slovy silná) vazba ligandu na receptor znamená delší dobu setrvání ligandu na receptoru (a tedy větší procento obsazení receptoru při relativně nízkých dávkách nebo koncentracích).ligand). Kromě toho má vysoká vazebná afinita ligandu k receptoru (vysoká afinita ligandu k němu) často důležité fyziologické důsledky, protože část vazebné energie ligandu k receptoru (která je přirozeně vyšší s „vysokou afinitou“ ", vysokoafinitní vazba, která implikuje větší sílu intermolekulární interakce) může být použita ke změně prostorové konfigurace receptoru, což může vést k aktivaci nebo naopak deaktivaci receptoru a otevření iontu . kanálu spojeného s receptorem nebo ke změně chování (zvýšení nebo snížení aktivity) spojené s receptorovým enzymem nebo regulačním proteinem. Ligand s vyšší afinitou (mající vyšší afinitu k receptoru) je tedy pravděpodobněji fyziologicky a farmakologicky aktivní (to znamená, že vykazuje určitý stupeň vnitřní agonistické aktivity, ať už jde o agonistu nebo inverzního agonistu). To však není zaručeno - "neutrální antagonisté" s vysokou afinitou, nebo spíše činidla blízká neutrálním antagonistům, to znamená, že mají velmi nízký modul vnitřní agonistické aktivity, blízký nule, ale přesto vykazují vysoký nebo velmi vysoký stupeň afinity k receptoru, afinity k němu také existují.
Ligand receptoru, který se může vázat na receptor, měnit prostorovou konfiguraci tohoto receptoru tak, že to vede k jeho aktivaci, a v důsledku toho být schopen vyvolat tu či onu fyziologickou nebo biochemickou odezvu buňky (k být spouštěčem takové reakce) se nazývá agonista.směrem k tomuto receptoru. Vazbu agonisty na receptor lze charakterizovat jak z hlediska toho, jak velkou maximální fyziologickou odezvu lze získat stimulací maximálního dostupného počtu receptorů tímto konkrétním agonistou („vnitřní agonistická aktivita“), tak z hlediska toho, jakou molární koncentrace daného agonisty je nutná k vyvolání fyziologické odezvy té či oné síly („křivka dávka-odezva“) a z hlediska toho, jaká molární koncentrace daného agonisty je nutná k vyvolání fyziologické odezvy 50 % maximum dosažitelné pro daného agonistu ("polovina maximální účinné koncentrace" nebo EC50 , EC50 ). Stanovená a naměřená hodnota EC50 je tedy pouze kvantitativní charakteristikou míry afinity agonisty k receptoru (míra jeho afinity k receptoru). Pokud však měříme koncentraci, která je potřebná k získání 50 % „maximálně dosažitelné fyziologické odpovědi obecně “, a ne 50 % maxima dosažitelného pro tohoto konkrétního agonistu (za maximální dosažitelnou odezvu, tj. pro 100 % - maximální účinek z endogenního agonisty ), pak dostaneme hodnotu EC 50 , která závisí jak na hodnotě afinity agonisty (stupeň jeho afinity k receptoru), tak na poměru jeho vnitřní agonistické aktivity k vnitřnímu agonistovi aktivita endogenního agonisty, braná jako 100 %. Takto definovaná EC50 bude kvantitativním měřítkem nejen afinity, ale i molární aktivity látky (její „potence“), která je funkcí jak afinity (afinity k receptoru) , tak vnitřní agonistické aktivity (“ účinnost receptoru") daného ligandu.
Vysokoafinitní (vysokoafinitní) vazba ligandu na receptor tedy znamená, že k zajištění úplného (maximálního možného pro daný receptorový systém) obsazení vazebných míst daného ligandu na receptorech je zapotřebí relativně nízká koncentrace ligandu. a indukovat maximální možnou fyziologickou odezvu pro daný ligand (hodnota, která závisí na "vnitřní agonistické aktivitě" ligandu). To znamená, že čím nižší je hodnota K i , která charakterizuje vazebnou afinitu ligandu k receptoru, tím pravděpodobnější je vytvoření chemické vazby mezi molekulami ligandu a molekulami receptoru v důsledku náhodné kolize molekul během Brownův pohyb (protože mezi nimi existuje větší intermolekulární interakční síla). A větší síla mezimolekulární interakce znamená i delší průměrnou dobu zdržení ligandu na receptoru (delší trvání existence nekovalentní chemické vazby). Naopak, vazba s nízkou afinitou (nízká afinita k receptoru), tj. vysoká hodnota Kj , znamená, že k dosažení maximálního obsazení všech dostupných vazebných míst a vyvolání maximální možné fyziologické odezvy jsou zapotřebí relativně vysoké koncentrace daného ligandu. daný agonista. To také znamená, že tvorba chemické vazby mezi daným ligandem a receptorem v důsledku náhodné srážky molekul během Brownova pohybu je méně pravděpodobná u agonisty s nižší afinitou (s menší afinitou k receptoru), protože je méně pravděpodobné. mezimolekulární síla mezi nimi a je méně specifická. A průměrný retenční čas ligandu na receptoru pro nízkou afinitu (mající nízkou afinitu k receptoru) je kratší, rychleji uvolňuje receptor a rychleji se odpojuje od spojení s ním. Vyšší koncentrace pro ligand s nízkou afinitou je nezbytná právě proto, že zvyšuje pravděpodobnost „náhodné srážky“ molekul ligandu s nízkou afinitou s receptorem a pravděpodobnost chemické vazby mezi nimi.
Na obrázku vpravo se dva různé agonistické ligandy vážou na stejné vazebné místo receptoru. Pouze jeden z nich je schopen maximálně (tedy nejúčinněji, s největší pravděpodobností) stimulovat receptor, a proto může být definován jako „plný agonista“ pro tento subtyp receptoru. Agonista, který je pouze částečně schopen aktivovat receptory (tj. činí tak méně účinně než úplný agonista, méně pravděpodobně povede k „požadované“ změně konfigurace receptoru a k jeho aktivaci po navázání, ve srovnání s úplným agonistou ), a proto je schopen způsobit menší fyziologickou odpověď než úplný agonista, se nazývá částečný agonista nebo částečný agonista. V tomto příkladu je koncentrace, při které je úplný agonista (červená křivka) schopen vyvolat 50 % maximální fyziologické odpovědi (tj . EC50 ), přibližně 5 x 10-9 nanomolů ( nM ).
Ligandy, které se vážou na receptory, však nemohou nebo téměř nemohou aktivovat receptor (nebo to dělají se zanedbatelnou pravděpodobností), a proto samy o sobě nemohou a nezpůsobují fyziologickou odpověď receptorového systému, ale pouze brání vazba agonistů i inverzních agonistů a fyziologická reakce na ně se nazývají antagonisté .
V příkladu uvedeném vlevo jsou znázorněny křivky dávka-odpověď pro dva ligandy s různými stupni afinity k receptoru (různé afinity k němu). Vazba ligandu na receptor je často charakterizována tím, jaká koncentrace ligandu je potřebná k obsazení 50 % všech dostupných vazebných míst pro receptor - tzv. IC50 . Hodnota IC50 souvisí s disociační konstantou Kj , ale liší se od ní. Liší se také od hodnoty EC50 , protože obsazení 50 % dostupných receptorů nemusí nutně vést k produkci 50 % maximální fyziologické odpovědi pro daného agonistu nebo 50 % maximální fyziologické odpovědi „celkové“ ( IC50 může být buď vyšší nebo nižší než EC50 , v závislosti na charakteristice regulace konkrétního fyziologického receptorového systému – existují oba receptorové systémy, ve kterých obsazení relativně malého počtu receptorů vyvolává velký fyziologický účinek, a , naopak systémy, ve kterých velké procento dostupných receptorů, a závislost velikosti fyziologického účinku na procentu obsazení receptorů, stejně jako na dávce agonisty, nemusí být vůbec lineární). Ligand, jehož křivka dávka-odpověď je znázorněna červeně, má vyšší stupeň afinity k receptoru (vyšší vazebná afinita) než ligand, jehož křivka je znázorněna zeleně. Pokud jsou oba ligandy přítomny současně, pak se větší procento vysokoafinitního (majícího vyšší afinitu k receptoru) ligandu bude vázat na dostupná receptorová vazebná místa než ligand s nižší afinitou. Tento mechanismus vysvětluje zejména, proč oxid uhelnatý (II), dokonce i v nízkých koncentracích, může soutěžit s kyslíkem o vazbu na hemoglobin , protože je „agonistou“ tohoto transportního proteinu s vyšší afinitou (má větší afinitu k hemoglobinu) a proč to často vede k otravě oxidem uhelnatým.
Vazebná afinita ligandu k receptoru (stupeň afinity ligandu k receptoru) se nejčastěji stanovuje pomocí metody vytěsnění značeného radioaktivního ligandu (označovaného jako „horký ligand“) testovaným ligandem (označované jako "studený" nebo "testovací" ligand). Homologní kompetitivní vazebné experimenty ligandu k receptoru jsou experimenty, ve kterých "horký" (radioznačený) a "studený" (neznačený) ligand jsou stejnou chemickou látkou a vzájemně soutěží o dostupná vazebná místa s receptorem. [4] Existují i metody bez použití radioaktivní značky, jako je povrchová plazmonová rezonance, interferometrie s dvojitou polarizací. Tyto metody umožňují stanovit nejen afinitu (stupeň afinity) agonisty k receptoru, ale také kinetiku jeho asociace a disociace z vazby s receptorem a v případě duální polarizační interferometrie také konfigurační změny v receptoru způsobené vazbou agonisty na něj. V poslední době byla vyvinuta také metoda mikrotermoforézy. [5] Tato metoda umožňuje stanovení vazebné afinity bez omezení molekulové hmotnosti ligandu. [6]
K analýze získaných dat o kinetice vazby ligandu na receptor a o jeho afinitě se využívají metody statistické mechaniky, zejména výpočet tzv. konfigurační integrál. [7] .
Stupeň afinity ligandu k receptorům nebo tak zvaná "afinita" ligandu k receptorům sama o sobě neurčuje molární aktivitu (obecnou "účinnost") konkrétního ligandu. Molární aktivita (potence) látky je výsledkem komplexní interakce mezi jejím stupněm afinity k receptorům a její vnitřní agonistickou aktivitou (jinými slovy její receptorovou účinností). Vnitřní agonistická aktivita (účinnost receptoru) je kvantitativní charakteristika schopnosti daného ligandu vyvolat určitou biologickou odpověď po navázání na receptor a míra velikosti biologické odpovědi, kterou vyvolává, jako procento maximální možné biologická odpověď, která je brána jako maximální stimulace endogenním agonistou (100 %). V závislosti na povaze, povaze, znaku a velikosti biologické odpovědi způsobené ligandem je klasifikován buď jako agonista nebo dokonce superagonista , nebo jako částečný agonista , nebo jako neutrální antagonista nebo jako inverzní agonista . [osm]
Selektivní ligandy mají tendenci vázat klinicky/fyziologicky relevantní (obvykle nanomolární) koncentrace pouze na poměrně omezený soubor podtypů receptorů (ne nutně všechny tyto podtypy budou receptory pro stejný endogenní ligand). Současně mají neselektivní ligandy tendenci se významně vázat v relevantních koncentracích na poměrně širokou škálu podtypů receptorů (často na různé endogenní ligandy), a tím produkovat širší rozsah klinických, biochemických a fyziologických účinků, které jsou oba žádoucí. a často i nežádoucí vedlejší účinky.
Selektivita ligandu je spíše podmíněný a relativní koncept, protože existuje velmi málo skutečně selektivních ligandů, které se vážou pouze na jeden podtyp receptoru v celém rozsahu „rozumných“, klinicky dosažitelných koncentrací u lidí, a ještě méně ligandů, které dokážou zachovat 100% selektivitu. v těch koncentracích., které mohou být vytvořeny při pokusech na zvířatech a ještě více "in vitro" ( in vitro ). Často se zdánlivá relativní selektivita určitého ligandu ztrácí se zvyšující se dávkou nebo koncentrací (tj. při vyšších koncentracích nebo dávkách začíná interagovat s jinými subtypy receptorů), což má důležité klinické důsledky (například vysoké dávky selektivní agonista opioidních receptorů buprenorfin může významně potlačit dýchání a způsobit euforii, protože selektivita ve srovnání s morfinem je ztracena; podobně vysoké dávky selektivních β-blokátorů mohou způsobit bronchospasmus , protože selektivita pro β1 podtyp je ztracena , a vysoké dávky β2 -agonisté mohou kromě odstranění bronchospasmu také způsobit tachykardii ; vysoké dávky atypických antipsychotik , jako je risperidon a olanzapin , mohou způsobit extrapyramidové vedlejší účinky, jako jsou typická antipsychotika ).
Vývoj nových, selektivnějších ligandů je důležitým úkolem moderní experimentální a klinické farmakologie, protože selektivní ligandy tím, že selektivně aktivují nebo blokují pouze jeden „požadovaný“ podtyp receptoru nebo několik jejich podtypů, mají tendenci vykazovat méně vedlejších účinků, zatímco neselektivní ligandy Vazbou na širokou škálu receptorů vyvolávají jak žádoucí, tak nežádoucí vedlejší účinky. Dobrým příkladem je srovnání relativně neselektivního chlorpromazinu se selektivnějším haloperidolem : chlorpromazin má díky své nízké selektivitě kromě užitečného antipsychotického účinku i řadu vedlejších účinků (a 1 -adrenoblockáda tedy vede k hypotenzi a tachykardii , H 1 -histaminová blokáda vede k ospalosti , sedaci , zvýšené chuti k jídlu a přibírání na váze, M-cholinergní blokáda - k suchu v ústech a zácpě atd., kdežto haloperidol způsobuje tyto jevy v mnohem menší míře a v klinicky používaných dávkách způsobuje především extrapyramidové vedlejší účinky, přímo spojené s jeho hlavním D2 - blokujícím účinkem).
Měřítkem relativní selektivity konkrétního ligandu je hodnota poměru jeho afinity (afinity) k „požadovanému“, „hlavnímu“ podtypu receptoru (například k D 2 v případě antipsychotik) a k nejbližší další v pořadí afinitní (afinitní) podtyp receptory - tedy hodnota poměru K i (1) / K i (2) . Vyšší afinita k „požadovanému“ typu receptoru, aktivnější („silněji potentní“) sloučeniny jsou často, i když ne vždy, také selektivnější, alespoň při nízkých koncentracích (což je opět umožněno právě vyšší afinitou). sloučeniny pro receptor a vyšší aktivitu sloučeniny). Důležitým úkolem experimentální a klinické farmakologie je tedy vývoj nových sloučenin s vyšší afinitou (s vyšší afinitou k receptoru) a aktivnějších („silněji účinných“) sloučenin s ohledem na určité typy receptorů.
Bivalentní ligandy se skládají ze dvou spojených molekul, z nichž každá je ligandem pro určitý podtyp receptorů (stejný nebo odlišný) a vzhledem ke zvláštnostem prostorové struktury jsou obě části molekuly schopny se současně vázat na dvě části. „složeného“ homo- nebo heterodimerního receptorového komplexu. Bivalentní ligandy se používají ve vědeckém výzkumu k objevování a studiu homo- a heterodimerních receptorových komplexů a ke studiu jejich vlastností. Bivalentní ligandy jsou obvykle velké molekuly a obvykle nemají žádoucí vlastnosti pro léčiva , jako je vhodná farmakokinetika (přijatelná biologická dostupnost, snadné klinické použití, přijatelný poločas atd.), nízká alergenicita a přijatelná toxicita a vedlejší účinky, což je činí obecně nevhodné nebo nevhodné pro použití v klinické praxi mimo výzkumné laboratoře. [9] [10]
Výhodná struktura [11] je strukturní část molekuly, radikál nebo chemický prvek, který nebo který se statisticky často opakuje mezi již známými léčivy dané farmakologické třídy, mezi již známými ligandy daného typu nebo subtypu receptorů, nebo známých inhibitorů daného enzymu, nebo mezi některými jinými izolovanými podle některých společných znaků specifické podskupiny již známých biologicky aktivních sloučenin. Tyto statisticky odlišené privilegované prvky chemické struktury [12] mohou být později použity jako základ pro vývoj nových biologicky aktivních sloučenin nebo nových léčiv s vlastnostmi podobnými, případně dokonce zlepšenými ve srovnání s původními sloučeninami, a dokonce i pro vývoj celých knihovny takových sloučenin.
Typickými příklady jsou například tricyklické struktury různých chemických struktur v molekulách tricyklických antidepresiv nebo existence celých chemicky podobných podtříd antipsychotik , jako jsou deriváty butyrofenonu ( haloperidol , spiperon , droperidol atd.), deriváty indolu ( reserpin karbidin, atd.), deriváty fenothiazinu ( chlorpromazin , perfenazin atd.).