En bioquímica y farmacología , un ligando es un compuesto químico (a menudo, pero no siempre, una molécula pequeña) que forma un complejo con una biomolécula particular (más a menudo una proteína , por ejemplo, un receptor celular , pero a veces, por ejemplo, con ADN ) y produce, como consecuencia de esta unión, determinados efectos bioquímicos, fisiológicos o farmacológicos. En el caso de unir un ligando a una proteína, el ligando suele ser una pequeña molécula de señalización que se une a un sitio de unión específico en la proteína diana (p. ej., un receptor). En el caso de la unión del ligando al ADN, el ligando suele ser también una molécula pequeña o un ion,[1] o una proteína [2] que se une a la doble hélice del ADN.
La unión de un ligando a un receptor generalmente ocurre con la ayuda de fuerzas de interacción intermoleculares, como enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals (fuerzas de Van der Waals) - fuerzas de interacción intermoleculares (e interatómicas ) con una energía de 10-20 kJ / mol . El término originalmente se refería a todas esas fuerzas, en la ciencia moderna se suele aplicar a las fuerzas que surgen de la polarización de las moléculas y la formación de dipolos . Descubierto por JD Van der Waals en 1869 .
Las fuerzas de van der Waals de interacción interatómica de gases inertes determinan la posibilidad de la existencia de estados agregados de gases inertes ( gas , líquido y sólido ).
Las fuerzas de van der Waals incluyen interacciones entre dipolos (permanentes e inducidas). El nombre proviene del hecho de que estas fuerzas son la causa de la corrección por presión interna en la ecuación de estado de van der Waals para un gas real . Estas interacciones, así como los enlaces de hidrógeno , determinan la formación de la estructura espacial de las macromoléculas biológicas.
Las fuerzas de Van der Waals también ocurren entre una partícula (partícula macroscópica o nanopartícula) y una molécula, y entre dos partículas. La unión o asociación de un ligando con un receptor (el llamado "acoplamiento" de un ligando en un "nicho" específico en el receptor) suele ser reversible y de corta duración. El proceso inverso se denomina disociación del ligando del enlace con el receptor. La unión covalente irreversible de un ligando a un receptor u otra diana molecular para ese ligando es rara en los sistemas biológicos, al menos en condiciones fisiológicas. Sin embargo, los ligandos exógenos artificiales que se unen de forma covalente irreversiblemente a las moléculas diana, por supuesto, existen e incluso son de gran importancia en medicina, como, por ejemplo, los fármacos antitumorales de ADN alquilantes irreversibles del tipo alquilante o los antidepresivos MAO inactivadores irreversibles de los IMAO. grupo, o inactivando irreversiblemente los receptores adrenérgicos α fenoxibenzamina. En contraste con la definición aceptada de un ligando en química organometálica e inorgánica, para el proceso de interacción de un ligando con biomoléculas objetivo, es completamente irrelevante (y no es necesario) que el ligando interactúe precisamente con el cofactor metálico en la composición de un molécula biológica (sobre todo porque no todas las moléculas biológicas contienen metales). como cofactores). Sin embargo, la unión de un ligando al sitio que contiene el metal de una molécula biológica se encuentra a menudo en los sistemas biológicos y es de gran importancia biológica para las proteínas de transporte, como la hemoglobina (que transporta oxígeno , dióxido de carbono y también es capaz de transportar otros gases endógenos, en particular monóxido de carbono endógeno , gas , sulfuro de hidrógeno endógeno y óxido de azufre (IV) endógeno), y para enzimas catalíticas , muchas de las cuales son metaloenzimas (contienen un ión de uno u otro metal en la composición del centro catalítico activo en un complejo de coordinación con una proteína).
La unión de un ligando a un receptor (proteína receptora) cambia su estado conformacional (configuración espacial tridimensional). Y esto, a su vez, puede dar lugar a un cambio en el estado funcional de la proteína (por ejemplo, a la activación o inactivación de un receptor o enzima, a la disociación de una de las subunidades de la proteína compuesta o, por el contrario, a la a la adquisición por parte de la proteína de la capacidad de unir otro ligando específico u otra proteína, o la apertura de un canal iónico acoplado a proteína, o la autofosforilación u otra automodificación de la proteína, o las oportunidades para que sea fosforilada o modificado de otro modo por otra proteína, etc.). El concepto de "ligando" incluye tanto sustratos de enzimas, como antígenos reconocidos por anticuerpos , y diversos agonistas , antagonistas y agonistas inversos , incluidos los endógenos, como neurotransmisores , hormonas , citocinas y quimiocinas, e inhibidores y activadores de determinadas enzimas o reguladores. proteínas y factores de transcripción, y exógenos, como fármacos , etc. La fuerza de unión de un ligando a una proteína diana (p. ej., receptor) se denomina "afinidad" o afinidad del ligando a la proteína diana (p. ej., receptor). La fuerza de unión de un ligando a una proteína objetivo está determinada no solo por la fuerza de las interacciones directas del ligando con una proteína dada (por ejemplo, un receptor), sino también por el microambiente de la molécula de proteína, en particular, por el solvente. moléculas presentes alrededor, que pueden jugar un papel dominante en asegurar interacciones intermoleculares no covalentes adecuadas entre el ligando y la proteína diana ( agua [3] , lípidos de la membrana celular ) y las proteínas asociadas (en el caso de, por ejemplo, receptores oligoméricos o G- receptores acoplados a proteínas). En particular, el aumento de la afinidad de los receptores transmembrana por los agonistas endógenos en presencia de colesterol y esfingolípidos es la causa de que estos receptores tiendan a localizarse en determinados lugares de la membrana celular, denominados balsas lipídicas y enriquecidos en colesterol y esfingolípidos.
Los radioligandos se denominan compuestos marcados radiactivamente (uno u otro isótopo radiactivo) que tienen una afinidad suficientemente alta y son selectivos con respecto a algún subtipo deseado de receptores y se utilizan tanto in vivo para la tomografía por emisión de positrones (PET) con el fin de estudiar la distribución de estos receptores en un organismo vivo y el grado de unión con estos receptores de ciertos fármacos en dosis clínicamente utilizadas, e in vitro como "ligandos calientes" para determinar la afinidad (grado de afinidad por el receptor) del "ligando frío".
La interacción de la mayoría de los ligandos con sus sitios de unión se puede caracterizar en términos del grado de afinidad del ligando por el receptor (afinidad del ligando por el receptor). En general, un alto grado de afinidad de un ligando particular por un subtipo de receptor específico dado (alta afinidad por el ligando por este subtipo de receptor) es el resultado de una interacción intermolecular más fuerte entre el receptor y su ligando, y viceversa: un menor grado de la afinidad del ligando por este receptor (menor afinidad por este receptor) es, por regla general, una consecuencia de la menor fuerza de la interacción intermolecular entre ellos. Esto también significa que, en general, la unión de alta afinidad (es decir, alta afinidad, en otras palabras, fuerte) del ligando al receptor implica un mayor tiempo de residencia del ligando en el receptor (y por lo tanto un mayor porcentaje de ocupación del receptor). a dosis o concentraciones relativamente bajas). ligando). Además, una alta afinidad de unión de un ligando a un receptor (una alta afinidad del ligando por él) a menudo tiene importantes consecuencias fisiológicas, ya que parte de la energía de unión del ligando al receptor (que es naturalmente mayor con "alta afinidad") ", unión de alta afinidad, ya que implica una mayor fuerza de interacción intermolecular) se puede utilizar para cambiar la configuración espacial del receptor, lo que, a su vez, puede conducir a la activación o, por el contrario, a la desactivación del receptor y a la apertura del ion . canal asociado con el receptor o a un cambio en el comportamiento (aumento o disminución de la actividad) asociado con la enzima receptora o proteína reguladora. Por lo tanto, es más probable que un ligando con mayor afinidad (que tenga una mayor afinidad por el receptor) sea fisiológica y farmacológicamente activo (es decir, que muestre cierto grado de actividad agonista interna, ya sea un agonista o un agonista inverso). Sin embargo, esto no está garantizado - "antagonistas neutros" de alta afinidad, o más bien, agentes cercanos a los antagonistas neutrales, es decir, que tienen un módulo de actividad agonista interna muy bajo, cercano a cero, pero que muestran un grado alto o muy alto de afinidad por el receptor, también existen afinidades por él.
Un ligando de receptor que puede unirse a un receptor, cambiar la configuración espacial de este receptor de tal forma que provoque su activación y, en consecuencia, ser capaz de provocar una u otra respuesta fisiológica o bioquímica de la célula (para ser un desencadenante de tal respuesta) se denomina agonista hacia este receptor. La unión de un agonista a un receptor se puede caracterizar tanto en términos de qué tan grande es la respuesta fisiológica máxima que se puede obtener al estimular el número máximo disponible de receptores con ese agonista en particular ("actividad agonista intrínseca"), y en términos de qué se requiere la concentración molar de un agonista dado para provocar una respuesta fisiológica de una fuerza u otra ("curva de dosis-respuesta"), y en términos de qué concentración molar de un agonista dado se requiere para provocar una respuesta fisiológica del 50% de la máximo alcanzable para un agonista dado ("la mitad de la concentración efectiva máxima", o EC 50 , EC 50 ). Así, el valor determinado y medido de EC50 es simplemente una característica cuantitativa de la medida de la afinidad del agonista por el receptor (una medida de su afinidad por él). Sin embargo, si medimos la concentración que se requiere para obtener el 50% de la "respuesta fisiológica máxima alcanzable en general ", y no el 50% del máximo alcanzable para este agonista en particular (tomando como el máximo alcanzable, es decir, para 100 % - el efecto máximo del agonista endógeno ), luego obtenemos el valor EC 50 , que depende tanto del valor de afinidad del agonista (el grado de su afinidad por el receptor) como de la relación entre su actividad agonista interna y la actividad agonista interna. actividad del agonista endógeno, tomada como 100%. Así definida la CE 50 será una medida cuantitativa no sólo de afinidad, sino de la actividad molar de una sustancia (su "potencia"), que es función tanto de la afinidad (afinidad por el receptor) como de la actividad agonista interna (" eficiencia del receptor") de un ligando dado.
Por lo tanto, la unión de alta afinidad (alta afinidad) de un ligando a un receptor significa que se requiere una concentración relativamente baja del ligando para asegurar la ocupación completa (máxima posible para un sistema receptor dado) de los sitios de unión de un ligando dado en los receptores. e inducir la máxima respuesta fisiológica posible para un ligando dado (valor que depende de la "actividad agonista intrínseca" del ligando). Es decir, cuanto menor sea el valor Ki , que caracteriza la afinidad de unión del ligando al receptor, más probable es la formación de un enlace químico entre las moléculas del ligando y las moléculas del receptor como resultado de una colisión aleatoria de moléculas durante Movimiento browniano (ya que existe una mayor fuerza de interacción intermolecular entre ellos). Y una mayor fuerza de interacción intermolecular significa también un mayor tiempo medio de retención del ligando en el receptor (mayor duración de la existencia de un enlace químico no covalente). Por el contrario, una unión de baja afinidad (baja afinidad por el receptor), es decir, un valor alto de Ki , significa que se requieren concentraciones relativamente altas de un ligando determinado para lograr la máxima ocupación de todos los sitios de unión disponibles y provocar la máxima respuesta fisiológica posible para un agonista dado. Esto también significa que la formación de un enlace químico entre un ligando dado y un receptor como resultado de una colisión aleatoria de moléculas durante el movimiento browniano es menos probable para un agonista de menor afinidad (que tiene menos afinidad por el receptor), ya que hay menos fuerza intermolecular entre ellos y es menos específico. Y el tiempo promedio de retención del ligando en el receptor de baja afinidad (que tiene baja afinidad por el receptor) es más corto, libera el receptor más rápido y se disocia de su conexión con él más rápido. Es necesaria una concentración más alta para un ligando de baja afinidad precisamente porque aumenta la probabilidad de una "colisión aleatoria" de moléculas de ligando de baja afinidad con el receptor y la probabilidad de un enlace químico entre ellas.
En la imagen que se muestra a la derecha, dos ligandos agonistas diferentes se unen al mismo sitio de unión del receptor. Solo uno de ellos es capaz de estimular al receptor al máximo (es decir, de la manera más eficaz y más probable) y, por lo tanto, puede definirse como un "agonista total" para este subtipo de receptor. Un agonista que solo puede activar parcialmente los receptores (es decir, lo hace de manera menos eficiente que un agonista completo, es menos probable que conduzca al cambio "deseado" en la configuración del receptor y a su activación después de la unión, en comparación con un agonista completo ) y, por lo tanto, es capaz de causar una respuesta fisiológica más pequeña que un agonista completo, se denomina agonista parcial o agonista parcial. En este ejemplo, la concentración a la que un agonista completo (curva roja) puede provocar el 50 % de la respuesta fisiológica máxima (es decir, EC 50 ) es de aproximadamente 5 x 10-9 nanomoles ( nM ).
Los ligandos que se unen a los receptores, sin embargo, no pueden o casi no pueden activar el receptor (o más bien, lo hacen con una probabilidad insignificante) y, en consecuencia, por sí mismos no pueden y no provocan una respuesta fisiológica del sistema receptor, sino que solo evitan la activación. la unión de agonistas y agonistas inversos, y la respuesta fisiológica a ellos, se denominan antagonistas .
En el ejemplo que se muestra a la izquierda, se muestran las curvas dosis-respuesta para dos ligandos con diferentes grados de afinidad por el receptor (diferentes afinidades por él). La unión de un ligando a un receptor a menudo se caracteriza en términos de qué concentración de ligando se requiere para ocupar el 50 % de todos los sitios de unión del receptor disponibles, el llamado IC 50 . El valor de IC 50 está relacionado con la constante de disociación Ki , pero difiere de ella. También difiere del valor EC 50 , ya que la ocupación del 50% de los receptores disponibles no conduce necesariamente a la producción del 50% de la respuesta fisiológica máxima para un agonista dado, o el 50% de la respuesta fisiológica máxima “total” ( IC 50 puede ser mayor o menor que EC 50 , dependiendo de las características de la regulación de un sistema de receptor fisiológico particular: existen sistemas de receptores en los que la ocupación de un número relativamente pequeño de receptores produce un gran efecto fisiológico y , por el contrario, sistemas en los que un gran porcentaje de receptores disponibles, y la dependencia de la magnitud del efecto fisiológico del porcentaje de ocupación del receptor, así como de la dosis del agonista, no tiene por qué ser lineal). El ligando cuya curva dosis-respuesta se muestra en rojo tiene un mayor grado de afinidad por el receptor (mayor afinidad de unión) que el ligando cuya curva se muestra en verde. Si ambos ligandos están presentes al mismo tiempo, entonces un mayor porcentaje del ligando de alta afinidad (que tiene una mayor afinidad por el receptor) se unirá a los sitios de unión del receptor disponibles que el ligando de menor afinidad. Este mecanismo explica, en particular, por qué el monóxido de carbono (II), incluso en bajas concentraciones, puede competir con el oxígeno por unirse a la hemoglobina , siendo una mayor afinidad (que tiene una mayor afinidad por la hemoglobina) "agonista" de esta proteína transportadora, y por qué esto a menudo conduce a la intoxicación por monóxido de carbono.
La afinidad de unión de un ligando a un receptor (el grado de afinidad de un ligando por un receptor) se determina más comúnmente utilizando el método de desplazamiento de un ligando radiactivo marcado (denominado "ligando caliente") por el ligando bajo prueba (denominado como ligando "frío" o "de prueba"). Los experimentos de unión competitiva homóloga de un ligando a un receptor son experimentos en los que un ligando "caliente" (radiomarcado) y "frío" (no marcado) son la misma sustancia química y compiten entre sí por los sitios de unión disponibles con el receptor. [4] También existen métodos sin el uso de un marcador radiactivo, como la resonancia de plasmones superficiales, la interferometría de doble polarización. Estos métodos permiten determinar no solo la afinidad (grado de afinidad) de un agonista por el receptor, sino también la cinética de su asociación y disociación del enlace con el receptor, y en el caso de la interferometría de doble polarización, también la cambios de configuración en el receptor causados por la unión del agonista a él. Recientemente, también se ha desarrollado un método de microtermoforesis. [5] Este método permite la determinación de la afinidad de unión sin imponer ninguna restricción sobre el peso molecular del ligando. [6]
Para analizar los datos obtenidos sobre la cinética de la unión del ligando al receptor y sobre su afinidad, se utilizan métodos de mecánica estadística, en particular, el cálculo de los llamados. integral de configuración. [7] .
El grado de afinidad del ligando por los receptores, o la llamada "afinidad" de un ligando por los receptores, no determina por sí mismo la actividad molar ("potencia" general) de un ligando particular. La actividad molar (potencia) de una sustancia es el resultado de una interacción compleja entre su grado de afinidad por los receptores y su actividad agonista intrínseca (en otras palabras, su eficacia receptora). La actividad agonista interna (eficacia del receptor) es una característica cuantitativa de la capacidad de un ligando dado para inducir una respuesta biológica particular después de unirse a un receptor, y una medida de la magnitud de la respuesta biológica que provoca, como porcentaje del máximo posible. respuesta biológica, que se toma como la máxima estimulación por un agonista endógeno (100 %). Dependiendo de la naturaleza, naturaleza, signo y magnitud de la respuesta biológica provocada por el ligando, se clasifica como agonista o incluso superagonista , o como agonista parcial , o como antagonista neutro , o como agonista inverso . [ocho]
Los ligandos selectivos tienden a unirse a concentraciones clínica/fisiológicamente relevantes (generalmente nanomolares) a solo un conjunto bastante limitado de subtipos de receptores (no necesariamente todos estos subtipos serán receptores para el mismo ligando endógeno). Al mismo tiempo, los ligandos no selectivos tienden a unirse significativamente en concentraciones relevantes a una gama bastante amplia de subtipos de receptores (a menudo a diferentes ligandos endógenos) y, por lo tanto, producen una gama más amplia de efectos clínicos, bioquímicos y fisiológicos, ambos deseables. y, a menudo, efectos secundarios no deseados.
La selectividad del ligando es un concepto bastante condicional y relativo, ya que hay muy pocos ligandos verdaderamente selectivos que se unen a un solo subtipo de receptor en el rango completo de concentraciones "razonables" clínicamente alcanzables en humanos, e incluso menos ligandos que pueden mantener una selectividad del 100 %. a esas concentraciones., que se pueden crear en experimentos con animales y más aún “in vitro” ( in vitro ). A menudo, la selectividad relativa aparente de un ligando en particular se pierde al aumentar la dosis o la concentración (es decir, a concentraciones o dosis más altas, comienza a interactuar con otros subtipos de receptores), y esto tiene importantes implicaciones clínicas (por ejemplo, altas dosis del La buprenorfina , un agonista selectivo de los receptores de opioides, puede deprimir significativamente la respiración y causar euforia, ya que se pierde la selectividad en comparación con la morfina ; de manera similar, las dosis altas de bloqueadores β selectivos pueden causar broncoespasmo , ya que se pierde la selectividad por el subtipo β 1 , y las dosis altas de β 2 -agonistas, además de eliminar el broncoespasmo, también pueden causar taquicardia ; dosis altas de antipsicóticos atípicos como la risperidona y la olanzapina pueden causar efectos secundarios extrapiramidales, como los antipsicóticos típicos ).
El desarrollo de ligandos nuevos y más selectivos es una tarea importante de la farmacología experimental y clínica moderna, ya que los ligandos selectivos, al activar o bloquear selectivamente solo un subtipo de receptor "deseado" o varios de sus subtipos, tienden a mostrar menos efectos secundarios, mientras que ligandos no selectivos, al unirse a una amplia gama de receptores, producen efectos secundarios deseables e indeseables. Un buen ejemplo es la comparación de la clorpromazina relativamente no selectiva con el haloperidol más selectivo : la clorpromazina, debido a su baja selectividad, produce muchos efectos secundarios además de un efecto antipsicótico útil (así, el bloqueo de α 1 -adreno conduce a hipotensión y taquicardia ). , el bloqueo de la histamina H 1 provoca somnolencia , sedación , aumento del apetito y aumento de peso, el bloqueo colinérgico M - sequedad de boca y estreñimiento, etc., mientras que el haloperidol provoca estos fenómenos en mucha menor medida y en las dosis clínicamente utilizadas provoca principalmente efectos extrapiramidales efectos secundarios, directamente asociados con su principal acción bloqueadora de D 2 ).
Una medida de la selectividad relativa de un ligando particular es el valor de la relación de su afinidad (afinidad) con el subtipo de receptor "principal" "deseado" (por ejemplo, con D 2 , en el caso de los antipsicóticos), y con el siguiente más cercano en orden de magnitud de los receptores de subtipo de afinidad (afinidad), es decir, el valor de la relación Ki (1) / Ki (2) . Con mayor afinidad por el tipo de receptor "deseado", los compuestos más altamente activos ("más potentes") son a menudo, aunque no siempre, también más selectivos, al menos a bajas concentraciones (lo que, de nuevo, es posible precisamente por una afinidad más alta). del compuesto para el receptor y mayor actividad del compuesto). Por lo tanto, una tarea importante de la farmacología experimental y clínica es el desarrollo de compuestos nuevos, de mayor afinidad (que tengan una mayor afinidad por el receptor) y más activos ("más potentes") con respecto a ciertos tipos de receptores.
Los ligandos bivalentes consisten en dos moléculas conectadas, cada una de las cuales es un ligando para un determinado subtipo de receptores (iguales o diferentes), y debido a las peculiaridades de la estructura espacial, ambas partes de la molécula pueden unirse simultáneamente a dos partes. del complejo receptor homodimérico o heterodimérico "compuesto". Los ligandos bivalentes se utilizan en la investigación científica para descubrir y estudiar complejos de receptores homodiméricos y heterodiméricos y estudiar sus propiedades. Los ligandos bivalentes suelen ser moléculas grandes y no suelen tener propiedades deseables para los fármacos , como farmacocinética conveniente (biodisponibilidad aceptable, facilidad de uso clínico, vida media aceptable, etc.), baja alergenicidad y toxicidad y efectos secundarios aceptables, lo que los hace generalmente inadecuado o inadecuado para su uso en la práctica clínica fuera de los laboratorios de investigación. [9] [10]
Una estructura preferida [11] es una parte estructural de una molécula, un radical o elemento químico, que estadísticamente se repite a menudo entre fármacos ya conocidos de una clase farmacológica dada, entre ligandos ya conocidos de un tipo o subtipo dado de receptores, o inhibidores conocidos de una enzima dada, o entre algunos otros aislados de acuerdo con algunas características comunes de un subconjunto específico de compuestos biológicamente activos ya conocidos. Estos elementos privilegiados de la estructura química distinguidos estadísticamente [12] pueden utilizarse posteriormente como base para el desarrollo de nuevos compuestos biológicamente activos o nuevos fármacos con propiedades similares o incluso mejoradas en comparación con los compuestos originales, e incluso para el desarrollo de compuestos completos. bibliotecas de tales compuestos.
Ejemplos típicos son, por ejemplo, estructuras tricíclicas de diferentes estructuras químicas en las moléculas de los antidepresivos tricíclicos , o la existencia de subclases completas de antipsicóticos químicamente similares , como los derivados de la butirofenona ( haloperidol , espiperona , droperidol , etc.), derivados del indol ( reserpina , carbidina, etc.), derivados de fenotiazina ( clorpromazina , perfenazina , etc.).