Լիգանդ (կենսաքիմիա)

Կենսաքիմիայի և դեղագիտության մեջ լիգանդը նյութ է, որը կենսամոլեկուլի հետ կոմպլեքս է կազմում՝ կենսաբանական նպատակին ծառայելու համար։ Ստուգաբանությունը բխում է լատիներեն ligare-ից, որը նշանակում է «կապել»։ Սպիտակուց-լիգանդ կապելու դեպքում լիգանդը սովորաբար մոլեկուլ է, որն ազդանշան է արտադրում՝ կապվելով թիրախային սպիտակուցի մի տեղամասի հետ։ Կապը սովորաբար հանգեցնում է թիրախային սպիտակուցի կոնֆորմացիոն իզոմերիզմի (կոնֆորմացիայի) փոփոխության։ ԴՆԹ-լիգանդ կապող ուսումնասիրություններում լիգանդը կարող է լինել փոքր մոլեկուլ, իոն կամ սպիտակուց, որը կապվում է ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրին։ Լիգանդի և կապող գործընկերոջ հարաբերությունը լիցքի, հիդրոֆոբության և մոլեկուլային կառուցվածքի ֆունկցիա է։

Կապը տեղի է ունենում միջմոլեկուլային ուժերի միջոցով, ինչպիսիք են իոնային կապերը, ջրածնային կապերը և Վան դեր Վալսի ուժերը։ Ասոցիացիան կամ միացումը իրականում շրջելի դիսոցման միջոցով։ Չափելիորեն անդառնալի կովալենտային կապը լիգանդի և թիրախային մոլեկուլի միջև գրեթե չի հանդիպում կենսաբանական համակարգերում։ Ի տարբերություն մետաղօրգանական և անօրգանական քիմիայի մեջ լիգանդի սահմանման, կենսաքիմիայում երկիմաստ է, թե արդյոք լիգանդն ընդհանրապես կապվում է մետաղական տեղամասում, ինչպես դա տեղի է ունենում հեմոգլոբինի դեպքում։ Ընդհանուր առմամբ, լիգանդի սահմանումը համատեքստային է այն առումով, թե ինչ տեսակի կապ է նկատվել։

Լիգանդի միացումը ընկալիչ սպիտակուցին փոխում է կոնֆորմացիան՝ ազդելով դրա եռաչափ ձևի վրա։ Ռեցեպտորային սպիտակուցի կոնֆորմացիան կազմում է ֆունկցիոնալ վիճակը։ Լիգանդները ներառում են սուբստրատներ, ինհիբիտորներ, ակտիվացնողներ, ազդանշանային լիպիդներ և նյարդային հաղորդիչներ։ Կապակցման արագությունը կոչվում է մերձեցում, և այս չափումը բնորոշում է ազդեցության միտումը կամ ուժը։ Կապակցման ուժը ակտուալացվում է ոչ միայն հյուրընկալող-հյուր փոխազդեցությունների, այլ նաև լուծողական էֆեկտների միջոցով, որոնք կարող են գերիշխող, ստերիկ դեր խաղալ, ինչը հանգեցնում է ոչ կովալենտային կապի առաջացմանը լուծույթում։ Լուծիչը քիմիական միջավայր է ապահովում լիգանդի և ընկալիչի համար՝ հարմարվելու և այդպիսով ընդունելու կամ մերժելու միմյանց որպես գործընկերներ։

Ռադիոլիգանդները ռադիոիզոտոպներով պիտակավորված միացություններ են, որոնք օգտագործվում են որպես հետագծողներ PET հետազոտություններում և կապակցման ուսումնասիրությունների համար։

Ընկալիչ/լիգանդ կապակցման ուժը 
Լիգանդների փոխազդեցությունը նրանց կապակցման վայրերի հետ կարելի է բնութագրել կապի ուժի տեսանկյունից։ Ընդհանուր առմամբ, բարձր կապակցման ուժ ունեցող լիգանդի կապակցումը առաջանում է ավելի մեծ գրավող ուժերից՝ լիգանդի և նրա ընկալիչի միջև, մինչդեռ ցածր կապակցման ուժ ունեցող լիգանդի կապը ներառում է ավելի քիչ գրավող ուժ։ Ընդհանուր առմամբ, բարձր ուժով կապակցումը հանգեցնում է ընկալիչի ավելի մեծ կապվածության իր լիգանդի կողմից, քան ցածր կապակցման դեպքում. կապման ժամանակը (ընկալիչ-լիգանդ կոմպլեքսի կյանքի տևողությունը) փոխկապակցված չէ։ Լիգանդների բարձր ուժով ընկալիչների հետ կապելը հաճախ ֆիզիոլոգիապես կարևոր է, երբ կապող էներգիայի մի մասը կարող է օգտագործվել ընկալիչի կոնֆորմացիոն փոփոխություն առաջացնելու համար, ինչը հանգեցնում է փոխազդման փոփոխության, օրինակ՝ կապված իոնային անցուղու կամ ֆերմենտի։
Լիգանդը, որը կարող է կապվել և փոխել ֆիզիոլոգիական արձագանք առաջացնող ընկալիչի ֆունկցիան, կոչվում է ընկալիչի ագոնիստ։ Լիգանդները, որոնք կապվում են ընկալիչի հետ, բայց չեն կարողանում ակտիվացնել ֆիզիոլոգիական արձագանքը, ընկալիչների անտագոնիստներ են։

Ագոնիստների կապը ընկալիչի հետ կարող է բնութագրվել ինչպես ֆիզիոլոգիական արձագանքի (այսինքն՝ արդյունավետության) և այնպես էլ ագոնիստի կոնցենտրացիայի տեսանկյունից, որը անհրաժեշտ է ֆիզիոլոգիական արձագանք ստեղծելու համար (հաճախ չափվում է որպես EC50, կոնցենտրացիան, որը պահանջվում է կիսով չափ առավելագույն պատասխան ստանալու համար)։ Բարձր ուժի հարաբերակցությամբ լիգանդի կապը ենթադրում է, որ լիգանդի համեմատաբար ցածր կոնցենտրացիան բավարար է լիգանդի կապող տեղամասը առավելագույնս զբաղեցնելու և ֆիզիոլոգիական արձագանք առաջացնելու համար։ Ռեցեպտորների մերձեցումը չափվում է արգելակման հաստատունով կամ Ki արժեքով, այն կոնցենտրացիան, որն անհրաժեշտ է ընկալիչի 50%-ը զբաղեցնելու համար։ Լիգանդների մերձեցումները առավել հաճախ չափվում են անուղղակիորեն որպես IC50 արժեք մրցակցային կապող փորձից, որտեղ որոշվում է լիգանդի կոնցենտրացիան, որն անհրաժեշտ է թիրախային լիգանդի ֆիքսված կոնցենտրացիայի 50%-ը տեղակալելու համար։ Ki արժեքը կարելի է գնահատել IC50-ից Չենգ Պրուսոֆի հավասարման միջոցով։ Լիգանդի հարաբերակցությունը կարող է նաև ուղղակիորեն չափվել որպես դիսոցման հաստատուն (Kd)՝ օգտագործելով այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են ֆլյուորեսցենտային մարումը, իզոթերմային տիտրման կալորաչափությունը կամ մակերեսային պլազմոնային ռեզոնանսը։

Ցածր ուժով մերձեցման կապը (բարձր Ki-ի մակարդակը) ենթադրում է, որ լիգանդի համեմատաբար բարձր կոնցենտրացիան պահանջվում է նախքան կապի տեղը առավելագույնս զբաղված լինելը և լիգանդի նկատմամբ առավելագույն ֆիզիոլոգիական արձագանքը ձեռք բերելը։ Աջ կողմում ցուցադրված օրինակում երկու տարբեր լիգանդներ կապվում են նույն ընկալիչի միացման վայրին։ Ցուցադրված ագոնիստներից միայն մեկը կարող է առավելագույնս խթանել ընկալիչը և, հետևաբար, կարող է սահմանվել որպես լիարժեք ագոնիստ։ Ագոնիստը, որը կարող է միայն մասամբ ակտիվացնել ֆիզիոլոգիական արձագանքը, կոչվում է մասնակի ագոնիստ։ Այս օրինակում կոնցենտրացիան, որի դեպքում ամբողջական ագոնիստը (կարմիր կորը) կարող է կիսով չափ ակտիվացնել ընկալիչը, մոտավորապես 5 x 10−9 մոլար է (nM = նանոմոլար)։

Կապակցման ուժը առավել հաճախ որոշվում է ռադիոպիտակավորված լիգանդի միջոցով, որը հայտնի է որպես պիտակավորված լիգանդ։ Հոմոլոգ մրցակցային կապի փորձերը ներառում են պարտադիր մրցակցություն պիտակավորված լիգանդի և չպիտակավորված լիգանդի միջև։ Իրական ժամանակի վրա հիմնված մեթոդները, որոնք հաճախ առանց պիտակավորման են, ինչպիսիք են մակերևութային պլազմոնային ռեզոնանսը, երկբևեռացման ինտերֆերոմետրիան և բազմապարամետրիկ մակերևութային պլազմոնային ռեզոնանսը (MP-SPR), կարող են ոչ միայն քանակականացնել կապը կոնցենտրացիայի վրա հիմնված անալիզներից. այլ նաև ասոցիացման և դիսոցման կինետիկայից, իսկ ավելի ուշ դեպքերում՝ կապակցման արդյունքում առաջացած կոնֆորմացիոն փոփոխությունից։ MP-SPR-ը նաև հնարավորություն է տալիս չափումներ կատարել աղի բարձր դիսոցման բուֆերներում՝ շնորհիվ եզակի օպտիկական տեղադրման։ Մշակվել է միկրոմասշտաբային ջերմաֆորեզ (MST), անշարժացումից զերծ մեթոդ։ Այս մեթոդը թույլ է տալիս որոշել կապակցման ուժը՝ առանց լիգանդի մոլեկուլային քաշի սահմանափակման։

Վիճակագրական մեխանիկայի օգտագործման համար լիգանդ-ընկալիչ կապող ուժի քանակական ուսումնասիրության համար տե՛ս կոնֆիգուրացիոն բաժանման ֆունկցիայի մասին համապարփակ հոդվածը։

Դեղորայքի արդյունավետությունը և կապակցման ուժը 
Միայն կապակցված ուժի տվյալները չեն որոշում դեղամիջոցի ընդհանուր ուժը։ Արդյունավետությունը և՛ կապակցման ուժի, և՛ լիգանդի արդյունավետության բարդ փոխազդեցության արդյունք է։ Լիգանդի արդյունավետությունը վերաբերում է թիրախային ընկալիչին միանալուց հետո լիգանդի կենսաբանական արձագանք առաջացնելու կարողությանը և այս պատասխանի քանակական մեծությանը։ Այս արձագանքը կարող է լինել որպես ագոնիստ, անտագոնիստ կամ հակադարձ ագոնիստ՝ կախված արտադրված ֆիզիոլոգիական արձագանքից։

Ընտրովի և ոչ ընտրովի 
Ընտրովի լիգանները հակված են կապվելու շատ սահմանափակ տեսակի ընկալիչների, մինչդեռ ոչ սելեկտիվ լիգանները կապվում են մի քանի տեսակի ընկալիչների հետ։ Սա կարևոր դեր է խաղում դեղաբանության մեջ, որտեղ ոչ սելեկտիվ դեղամիջոցները հակված են ավելի շատ անբարենպաստ ազդեցություն ունենալ, քանի որ նրանք կապվում են մի քանի այլ ընկալիչների հետ, ի հավելումն ցանկալի արդյունքի։

Հիդրոֆոբ լիգանդներ 
Հիդրոֆոբ լիգանդների համար (օրինակ՝ PIP2) կոմպլեքսում հիդրոֆոբ սպիտակուցի հետ (օրինակ՝ լիպիդներով փակված իոնային անցուղիներ), կապը որոշելը բարդանում է ոչ հատուկ հիդրոֆոբ փոխազդեցությամբ։ Ոչ հատուկ հիդրոֆոբ փոխազդեցությունները կարող են հաղթահարվել, երբ լիգանդի մերձեցումը բարձր է։ Օրինակ, PIP2-ը կապում է PIP2 փակ իոնային անցուղիների հետ բարձր ուժ ունեցող կապով։

Երկվալենտ լիգանդ 
Երկվալենտ լիգանդները կազմված են դեղամիջոցների նման երկու մոլեկուլներից (ֆարմակոֆորներ կամ լիգանդներ), որոնք միացված են չեզոք կապակցիչով։ Գոյություն ունեն տարբեր տեսակի երկվալենտ լիգանդներ և հաճախ դասակարգվում են՝ հիմնվելով այն բանի վրա, թե ինչ են ֆարմակոֆորները թիրախավորում։ Հոմոերկվալենտ լիգանդները թիրախավորում են նույն ընկալիչների երկու տեսակները։ Հետերոերկվալենտ լիգանդները ուղղված են ընկալիչների երկու տարբեր տեսակների։ Բիտոպիկ լիգանդները ուղղված են օրթոստերիկ կապակցման վայրերին և ալոստերիկ կապող վայրերին նույն ընկալիչի վրա։ Գիտական հետազոտություններում երկվալենտ լիգանդները օգտագործվել են ընկալիչների դիմերների ուսումնասիրության և դրանց հատկությունները ուսումնասիրելու համար։ Լիգանդների այս դասը ստեղծվել է Ֆիլիպ Ս. Պորտոգեզեի և գործընկերների կողմից՝ ուսումնասիրելով օփիոիդային ընկալիչների համակարգը։ Երկվալենտ լիգանդների մասին նաև վաղ հաղորդվել է Մայքլ Քոնի և գոնադոտրոպին ազատող հորմոնի ընկալիչի աշխատակիցների կողմից։ Այս վաղ զեկույցներից ի վեր բազմաթիվ երկվալենտ լիգաններ են հաղորդվել տարբեր G սպիտակուցով զուգակցված ընկալիչների (GPCR) համակարգերի համար, ներառյալ կանաբինոիդ, սերոտոնին, օքսիտոցին և մելանոկորտին ընկալիչ համակարգերը, ինչպես նաև GPCR-LIC համակարգերի համար (D2 և nACh ընկալիչները)։

Երկվալենտ լիգանդները սովորաբար հակված են ավելի մեծ լինել, քան իրենց միավալենտ տեսակները, և, հետևաբար, «դեղորայքային» չեն, ինչպես Լիպինսկու հինգ կանոնում։ Շատերը կարծում են, որ սա սահմանափակում է դրանց կիրառելիությունը կլինիկական պայմաններում։ Չնայած այս համոզմունքներին, եղել են բազմաթիվ լիգաններ, որոնք արձանագրել են կենդանիների նախակլինիկական հաջող հետազոտություններ։ Հաշվի առնելով, որ որոշ երկվալենտ լիգանդներ կարող են ունենալ բազմաթիվ առավելություններ՝ համեմատած իրենց միավալենտ տեսակների հետ (ինչպիսիք են հյուսվածքների ընտրողականությունը, կապի ուժի բարձրացումը և հզորությունը կամ արդյունավետությունը), երկվալենտները կարող են նաև որոշակի կլինիկական առավելություններ առաջարկել։

Միա- և բազմակապ լիգանդներ 
Սպիտակուցների լիգանդները կարող են բնութագրվել նաև սպիտակուցային շղթաների քանակով, որոնք նրանք կապում են։ «Մոնոդեսմիկ» լիգանդները (μόνος՝ միայնակ, δεσμός՝ կապող) լիգանդներ են, որոնք կապում են մեկ սպիտակուցային շղթա, մինչդեռ «պոլիդեմիկ» լիգանները (πολοί՝ շատ) հաճախակի են սպիտակուցային կոմպլեքսներում, և այն լիգանդներ են, որոնք սովորաբար կապում են մեկից ավելի սպիտակուցային շղթա սպիտակուցային միջերեսներում կամ մոտ։ Վերջին հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ լիգանդների տեսակը և կապող տեղանքի կառուցվածքը խորը հետևանքներ ունեն սպիտակուցային կոմպեքսների էվոլյուցիայի, ֆունկցիայի, ալոստերիայի և երկրաչափության վրա։

Կապերի ուսումնասիրման մեթոդներ 
Սպիտակուց-լիգանդ փոխազդեցությունների ուսումնասիրման հիմնական մեթոդներն են հիդրոդինամիկ և կալորիմետրիկ մեթոդները, ինչպես նաև հիմնական սպեկտրոսկոպիկ և կառուցվածքային մեթոդները, ինչպիսիք են.

 Ֆուրիեի փոխակերպման սպեկտրոսկոպիա
 Ռամանի սպեկտրոսկոպիա
 Լյումինեսցենտային սպեկտրոսկոպիա
 Շրջանաձև դիքրոիզմ
 Միջուկային մագնիսական ռեզոնանս
 Մասս սպեկտրաչափություն
 Ատոմային ուժի մանրադիտակ
 Պարամագնիսական զոնդեր
 Կրկնակի բևեռացման ինտերֆերոմետրիա
 Մակերեւութային պլազմոնային ռեզոնանսի բազմապարամետրիկ
 Լիգանդի կապման փորձարկում և ռադիոլիգանդ կապող վերլուծություն

Այլ տեխնիկան ներառում է. y, էլեկտրոնային պարամագնիսական ռեզոնանս, միկրոմասշտաբային ջերմաֆորեզ, switchSENSE:

Գերհամակարգիչների և անհատական համակարգիչների հաշվողական հզորության կտրուկ աճը հնարավորություն է տվել ուսումնասիրել սպիտակուց-լիգանդ փոխազդեցությունները նաև հաշվողական քիմիայի միջոցով։ Օրինակ, ավելի քան մեկ միլիոն սովորական ԱՀ-ից բաղկացած համաշխարհային ցանցը օգտագործվել է քաղցկեղի հետազոտության համար grid.org նախագծում, որն ավարտվել է 2007թ. ապրիլին։, Հաշվարկեք Քաղցկեղի դեմ և Folding@Home:

Այլ տեխնիկաները ներառում են՝ ֆլուորեսցենտային ինտենսիվություն, երկմոլեկուլային ֆլուորեսցենտային կոմպլեմենացիա, FRET (լյումինեսցենտային ռեզոնանսային էներգիայի փոխանցում) / FRET մարող մակերեսային պլազմոնային ռեզոնանս, կենսաշերտային ինտերֆերաչափություն Անուղղակի կոիմունային նստվածքային ELISA, հավասարակշռության դիալիզ, գելային էլեկտրոֆորեզ, ֆլուորեսցենտային բևեռացման անիզոտրոպիա, էլեկտրոնների պարամագնիսական ռեզոնանս, միկրոմաշտաբի ջերմաֆորեզ, switchSENSE:

Գերհամակարգիչների և անհատական համակարգիչների հաշվողական հզորության կտրուկ աճը հնարավորություն է տվել ուսումնասիրել սպիտակուց-լիգանդ փոխազդեցությունները նաև հաշվողական քիմիայի միջոցով։ Օրինակ, ավելի քան մեկ միլիոն սովորական ԱՀ-ից բաղկացած համաշխարհային ցանցը օգտագործվել է քաղցկեղի հետազոտության համար grid.org նախագծում, որն ավարտվել է 2007թ. ապրիլին։ Grid.org-ին հաջողվել է նմանատիպ նախագծեր, ինչպիսիք են World Community Grid-ը, Human Proteome Folding Project-ը, Compute Against Cancer-ը և Folding@Home-ը։

Տես նաև 

 Ալոստերիկ կարգավորում
 Կոմպլեքս միացություններ

Ծանոթագրություններ

Արտաքին հղումներ 

 BindingDB, a public database of measured protein-ligand binding affinities.
 BioLiP, a comprehensive database for ligand-protein interactions.

Կենսամոլեկուլներ
Կենսաքիմիա
Քիմիական կապեր
Դեղագիտություն
Մոլեկուլային կենսաբանություն
Ամառային երիտասարդական վիքիճամբարի հոդվածներ