Ligandi (biokemia)

Biokemiassa ligandi on atomi tai molekyyli, joka sitoutuu molekyyliin, jota voidaan haluttaessa tai tarvittaessa pitää ligandia keskeisempänä molekyylinä. Keskeinen molekyyli voi olla vaikkapa entsyymi, johon ioni tai substraatti yhtyy ligandina; reseptori, johon hormoni yhtyy ligandina; vasta-aine, johon antigeeni yhtyy ligandina; DNA tai RNA, johon transkriptiotekijä yhtyy ligandina. Ligandi voi olla luontainen tai keinotekoinen aine, kuten lääke.
Ligandin toiminto voi keskeisessä molekyylissä olla mitä vain. Ligandit voivat olla vaikkapa kofaktoreita. Reseptoreissa ne voivat olla vaikkapa agonisteja tai antagonisteja.
Ligandin sitoutumisvahvuus eli "affiniteetti" vaihtelee. Sitoutuminen voi olla kovalenttista, jolloin se on käytännössä pysyvää ja affiniteetti on suuri. Se voi olla ei-kovalenttista, jolloin se on verrattain heikkoa ja sidokset ilmenevät muun muassa vetysidosten, ionisidosten ja/tai van der Waalsin voiman kautta, jotka ovat nimiä samalle ilmiölle, sähkömagneettiselle vuorovaikutukselle.
Ligandi voi sitoutua useisiin molekyyleihin. Sitoutumista suurella affiniteetilla pääosin vain yhteen molekyyliin sanotaan "spesifiseksi". Sitoutuminen on "epäspesifistä", jos ligandi sitoutuu suurella affiniteetilla useisiin molekyyleihin.
1919 Alfred Stock keksi sanan ligandi. Tämä tulee latinasta, "ligare", "sitoa". Sanan käyttö yleistyi kemiassa noin 30 vuotta keksimisensä jälkeen.
Affiniteetti.
Ligandin "suuri affiniteetti" molekyylille tarkoittaa, että ligandi sitoutuu molekyyliin helposti ja lujasti. "Pieni affiniteetti" tarkoittaa, että se sitoutuu molekyyliin huonosti ja sitoutuminen on löysää.
Dissosiaatiovakio.
Jos molekyyli M ja ligandi L sitoutuvat ei-kovalenttisesti toisiinsa tuottaen yhdistelmän ML, niiden tasapainoreaktio on
M + L ⇌ ML
Ligandin affiniteettia molekyyliin kuvataan tällöin usein dissosiaatiovakiolla KD. Pieni KD tarkoittaa suurta affiniteettia ja päinvastoin. KD on yksikötön, mutta se pohjautuu molaarisuuksiin. KD on yhtä suuri kuin ligandin molaarisuus, jossa "puolet" ligandeista on sitoutunut yhdenlaisiin molekyyleihin:
formula_1
Ligandeista puolet on kiinni molekyyleissä, kun fraktio f on 0.5. f on ligandia sitovien molekyylien pitoisuus jaettuna molekyylien kokonaispitoisuudella:
formula_2
Dissosiaatiovakio on vakiopaineessa ja vakiolämpötilassa verrannollinen sitoutumisreaktion Gibbsin energian muutokseen ΔG:
formula_3
Kuvan suuren affiniteetin ligandi (punainen käyrä) vaatii pienemmän pitoisuuden suuremman molekyyliosuuden sitomiseen, kuin pienen affiniteetin ligandi (vihreä). Kunkin ligandin KD on kohdassa 50%. KD on sama kuin tässä kohdassa oleva molaarisuuden lukuarvo. Affiniteettikäyrät ei-allosteeriselle yksinkertaiselle sitoutumiselle ovat usein hyperbelisiä, kuten kuvassa. Tällaisessa yksinkertaisessa tilanteessa pätee nyrkkisääntö: jos ligandia on 10-kertaa enemmän molekyyliliuoksessa, kuin mitä ligandin KD-arvo on tälle molekyylille, lähes 100% molekyyleistä sitoo ligandin. Jos ligandia on 0.1-kertaisesti suhteessa KD-arvoon, noin 0% molekyyleistä sitoo ligandin.
Eliöissä pienimmät KD-arvot ovat usein noin 10-12. Suurimmat noin 10-3. Avidiinin sitoutuminen biotiiniin on vahvimpia tunnettuja ei-kovalenttisia sidoksia.
Assosiaatiovakio.
Joskus affiniteettia kuvataan assosiaatiovakiolla KA, joka on yhtä suuri kuin ligandin molaarisuus, jossa "puolet" ligandeista L on sitoutunut yhdenlaisiin molekyyleihin M:
formula_4
KA ja edellä esitelty KD ovat siis toistensa käänteislukuja:
formula_5
Ne ovat yhtäläisiä ja kumpaa tahansa voitaisiin käyttää, mutta dissosiaatiovakiota käytetään eri yhteyksissä useammin, sillä kun f = 0.5, on KD = [L]. Se on siis kätevästi suoraan verrannollinen ligandin pitoisuuksiin.
Vakiopaineessa ja vakiolämpötilassa sitoutumisreaktion Gibbsin energian muutos ΔG on
formula_6
Spesifisyys.
Spesifisyys tarkoittaa kuinka valikoivasti ligandi sitoutuu tiettyyn molekyyliin. Usein ligandi voi sitoutua moniin keskenään erilaisiin molekyyleihin, jotka ovat osin samankaltaisia. Mitä pienempään molekyylijoukkoon ligandi sitoutuu suurella voimakkuudella eli affiniteetilla, sitä "spesifisempi" eli valikoivampi se on. Mitä laajempaan joukkoon se sitoutuu suurella voimakkuudella, sitä "epäspesifisempi" eli epätarkempi se on.
Matemaattisesti spesifisyyttä voi esittää yksiköttömällä spesifisyystekijällä α. Mitä suurempi α on, sitä spesifisempää sitoutuminen on. α on
formula_7
Spesifisyyteen kuitenkin vaikuttaa ligandin tai molekyylien molaarisuus – α ei ole vakio. Oletetaan että molekyylejä M0 ja Mi on yhtä paljon ja ligandin molaarisuus vastaa likimain sen dissosiaatiovakiota (KD). Tällöin ligandi sitoutuu sille ensisijaisiin M0-molekyyleihin toissijaisten Mi sijaan. Ligandipitoisuuden kasvaessa, voi niiden sitoutuminen M0-molekyyleihin olla enintään 100%, mutta sitoutuminen Mi-molekyyleihin myös kasvaa. Eli yhtälön nimittäjä kasvaa suhteessa osoittajaan ja α pienenee (alla on esimerkki).
Esimerkki.
Ligandi L sitoutuu molekyyleihin A, B, C ja D. Sen molekyyli-ligandi-yhdistelmien LA, LB, LC ja LD molaarisuudet ovat liuoksessa tasapainotilassa vastaavasti 4, 3, 2 ja 1 M. Ligandin α molekyylille A on
formula_8
Spesifisyys vähenee ligandipitoisuuden kasvaessa. Oletetaan että kun liuoksen A molekyyleistä kaikki sitovat ligandin, on LA molaarisuus yhä 4 M, mutta LB, LC ja LD kasvavat, ja ovat nyt vastaavasti 4, 3 ja 2 M. α on pienentynyt:
formula_9