Ligand (biochemistry)
Eine Substanz, die zu einem biologischen Zweck an ein Biomolekül bindet.
In der Biochemie und Pharmakologie ist ein Ligand jede Substanz, die an ein Biomolekül bindet, um eine biologische Wirkung zu erzielen. Das Wort stammt vom lateinischen „ligare“ ab, was „binden“ bedeutet. Liganden können Substrate, Inhibitoren, Aktivatoren, Signallipide oder Neurotransmitter sein. Wenn ein Ligand an ein Protein oder die DNA bindet, verändert er in der Regel die dreidimensionale Form des Zielmoleküls, was dessen Funktionszustand ändert.
Die Bindung zwischen einem Liganden und seinem Partner hängt von Ladung, Hydrophobie und Molekülstruktur ab. Sie erfolgt durch zwischenmolekulare Kräfte wie Ionenbindungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Diese Assoziation ist durch Dissoziation reversibel; eine permanente kovalente Bindung zwischen einem Liganden und seinem Zielmolekül ist in der Biologie selten. Anders als in der metallorganischen oder anorganischen Chemie ist in der Biochemie nicht immer klar, ob der Ligand an einer Metallstelle bindet – wie bei Hämoglobin –, daher hängt die Bedeutung des Begriffs vom Kontext der beobachteten Bindung ab.
Die Stärke der Bindung wird als Affinität bezeichnet. Hochaffine Bindung resultiert aus stärkeren anziehenden Kräften und führt zu einer höheren Rezeptorbesetzung, wobei die Lebensdauer des Komplexes nicht unbedingt korreliert. Niedrigaffine Bindung beinhaltet schwächere Kräfte und erfordert höhere Ligandenkonzentrationen, um Bindungsstellen zu besetzen. Die Bindungsaffinität wird nicht nur durch direkte Wirt-Gast-Wechselwirkungen beeinflusst, sondern auch durch Lösungsmitteleffekte, die eine chemische Umgebung schaffen, die dem Liganden und Rezeptor hilft, sich anzupassen oder abzustoßen.
Ein Ligand, der an einen Rezeptor bindet und dessen Funktion verändert, wodurch eine physiologische Reaktion ausgelöst wird, ist ein Agonist. Einer, der bindet, aber keine Reaktion auslöst, ist ein Antagonist. Agonisten werden durch ihre Wirksamkeit (wie stark die Reaktion ist) und ihre Potenz (die Konzentration, die für eine halbmaximale Reaktion benötigt wird, gemessen als EC50) charakterisiert. Die Rezeptoraffinität wird oft als Ki-Wert – die Konzentration, die benötigt wird, um 50 % der Rezeptoren zu besetzen – oder als Dissoziationskonstante (Kd) ausgedrückt.
Die Affinität wird üblicherweise indirekt über kompetitive Bindungsexperimente gemessen (was einen IC50-Wert ergibt, aus dem Ki mit der Cheng-Prusoff-Gleichung geschätzt wird) oder direkt mit Methoden wie Fluoreszenzlöschung, isothermer Titrationskalorimetrie oder Oberflächenplasmonenresonanz. Radioliganden – mit Radioisotopen markierte Verbindungen – werden als Tracer in PET-Studien und In-vitro-Bindungsassays verwendet. Echtzeit-, markierungsfreie Techniken wie Oberflächenplasmonenresonanz, Doppelpolarisationsinterferometrie und multiparametrische Oberflächenplasmonenresonanz können die Affinität sowohl aus Konzentrationsdaten als auch aus Assoziations- und Dissoziationskinetiken messen und Konformationsänderungen bei der Bindung nachweisen.
Die Mikroskalenthermophorese ermöglicht die Affinitätsbestimmung ohne Immobilisierung und ohne Einschränkungen des Molekulargewichts des Liganden.
Quick Facts
- Field
- Biochemistry, pharmacology
- Known for
- Binding to biomolecules to produce a biological signal or effect
- Key concepts
- Binding affinity
- agonist
- antagonist
- efficacy
- selectivity
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Hintergrund
Die Ligandenbindung erfolgt durch zwischenmolekulare Kräfte wie Ionenbindungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte. Die Assoziation ist durch Dissoziation reversibel; messbar irreversible kovalente Bindung ist in biologischen Systemen untypisch. Bei der Protein-Ligand-Bindung ist der Ligand normalerweise ein Molekül, das ein Signal erzeugt, indem es an eine Stelle auf einem Zielprotein bindet und dessen dreidimensionale Formorientierung verändert. Bei der DNA-Ligand-Bindung kann der Ligand ein kleines Molekül, ein Ion oder ein Protein sein, das an die DNA-Doppelhelix bindet. Die Beziehung zwischen Ligand und Bindungspartner ist eine Funktion von Ladung, Hydrophobie und Molekülstruktur.
Wussten Sie schon?
- Die Etymologie von „Ligand“ stammt vom lateinischen „ligare“ ab, was „binden“ bedeutet.
- Hochaffine Ligandenbindung korreliert nicht mit der Verweildauer des Rezeptor-Ligand-Komplexes.
- Radioliganden sind mit Radioisotopen markierte Verbindungen, die als Tracer in PET-Studien und In-vitro-Bindungsstudien verwendet werden.
- Bivalente Liganden bestehen aus zwei arzneimittelähnlichen Molekülen, die durch einen inerten Linker verbunden sind, und wurden zur Untersuchung von Rezeptordimeren verwendet.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Ligand in der Biochemie?
Ein Ligand ist jedes Molekül, das an ein Biomolekül wie ein Protein oder die DNA anheftet, um eine spezifische biologische Reaktion auszulösen. Das Wort stammt vom lateinischen „ligare“ ab, was „binden“ bedeutet, was seine Kernaufgabe perfekt beschreibt.
Welche Arten von Molekülen gelten als Liganden?
Die Kategorie ist breit: Substrate, Inhibitoren, Aktivatoren, Signallipide und Neurotransmitter qualifizieren sich alle. Kurz gesagt, jede Substanz, die an ein Ziel-Biomolekül andockt, um eine biologische Wirkung zu erzielen, wird als Ligand betrachtet.
Was passiert, wenn ein Ligand an sein Ziel bindet?
Die Bindung induziert typischerweise eine Konformationsänderung, was bedeutet, dass das Zielmolekül seine dreidimensionale Form verändert. Diese Formänderung verändert den Funktionszustand des Ziels und schaltet effektiv ein biologisches Signal ein oder aus.
Was ist der Unterschied zwischen einem Agonisten und einem Antagonisten?
Ein Agonist bindet an einen Rezeptor und aktiviert ihn, um eine vollständige biologische Reaktion hervorzurufen, während ein Antagonist dieselbe Stelle besetzt, aber diese Aktivierung blockiert. Beide werden durch ihre Bindungsaffinität, Wirksamkeit und Selektivität gegenüber dem Ziel unterschieden.
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