Ligandi (biokemia)

Myoglobiini eli "keskeinen molekyyli" on sinisellä. Siihen on sitoutunut oranssilla korostettu ligandi, hemi. Sininen läpinäkyvä osa on proteiinin pinta.

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 K_D. Pieni K_D tarkoittaa suurta affiniteettia ja päinvastoin. K_D on yksikötön, mutta se pohjautuu molaarisuuksiin. K_D on yhtä suuri kuin ligandin molaarisuus, jossa puolet ligandeista on sitoutunut yhdenlaisiin molekyyleihin:

$K_{D}={\frac {[M][L]}{[ML]}}=[L]$

• [M] on molekyylin molaarisuus (mol/l).
• [L] on ligandin molaarisuus.
• [ML] on ligandia sitovan molekyylin molaarisuus.

Ligandeista puolet on kiinni molekyyleissä, kun fraktio f on 0.5. f on ligandia sitovien molekyylien pitoisuus jaettuna molekyylien kokonaispitoisuudella:

$f={\frac {[ML]}{[M]+[ML]}}=0.5$

Dissosiaatiovakio on vakiopaineessa ja vakiolämpötilassa verrannollinen sitoutumisreaktion Gibbsin energian muutokseen ΔG:

$\Delta G=RT\ln K_{D}$

• R on kaasuvakio (8.3145 J K^-1 mol^-1)
• T on ligandin ja molekyylin ympäristön lämpötila kelvineinä (K)

Y-akseli: ligandia sitovien molekyylien osuus (%) molekyylien kokonaismäärästä. X-akseli: ligandipitoisuus nanomolaarisuutena molekyyli-ligandi-liuoksessa.

Kuvan suuren affiniteetin ligandi (punainen käyrä) vaatii pienemmän pitoisuuden suuremman molekyyliosuuden sitomiseen, kuin pienen affiniteetin ligandi (vihreä). Kunkin ligandin K_D on kohdassa 50%. K_D 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 K_D-arvo on tälle molekyylille, lähes 100% molekyyleistä sitoo ligandin. Jos ligandia on 0.1-kertaisesti suhteessa K_D-arvoon, noin 0% molekyyleistä sitoo ligandin.

Eliöissä pienimmät K_D-arvot ovat usein noin 10^-12. Suurimmat noin 10^-3. Avidiinin sitoutuminen biotiiniin on vahvimpia tunnettuja ei-kovalenttisia sidoksia.

Likimääräisiä dissosiaatiovakioita (K_D)

Ligandi	Molekyyli	KD	Viite
Biotiini	Avidiini	1*10–15
Pienet inhibiittorilääkkeet	Jokin proteiini	1*10–9 – 1*10–12
Jokin antigeeni	Jokin vasta-aine	1*10–8 – 1*10–12
Insuliini	Ihmisen insuliinireseptori	1*10–10
Jokin sekvenssispesifinen transkriptiotekijä	Jokin DNA-sekvenssi	5.5*10–9 – 1*10–7
Kalsium (Ca2+)	Rotan kalmoduliini	1*10–3 – 1*10–6
ATP	Jokin entsyymi	1*10–3 – 1*10–6

Assosiaatiovakio

Joskus affiniteettia kuvataan assosiaatiovakiolla K_A, joka on yhtä suuri kuin ligandin molaarisuus, jossa puolet ligandeista L on sitoutunut yhdenlaisiin molekyyleihin M:

$K_{A}={\frac {[ML]}{[M][L]}}={\frac {1}{[L]}}$

K_A ja edellä esitelty K_D ovat siis toistensa käänteislukuja:

$K_{D}={\frac {1}{K_{A}}}$

Ne ovat yhtäläisiä ja kumpaa tahansa voitaisiin käyttää, mutta dissosiaatiovakiota käytetään eri yhteyksissä useammin, sillä kun f = 0.5, on K_D = [L]. Se on siis kätevästi suoraan verrannollinen ligandin pitoisuuksiin.

Vakiopaineessa ja vakiolämpötilassa sitoutumisreaktion Gibbsin energian muutos ΔG on

$\Delta G=-RT\ln K_{A}$

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

$\alpha ={\frac {[M_{0}L]}{\sum _{i=1}^{N}[M_{i}L]}}$

• [M₀L] on ligandia L sitovan molekyylin M₀ molaarisuus (mol/l).
• [M_iL] on ligandia L sitovan molekyylin M_i molaarisuus. M_iL-yhdistelmiä voi olla useita erilaisia (i = 1, 2, 3...) ja nimittäjään tulee niiden molaarisuuksien summa.

Spesifisyyteen kuitenkin vaikuttaa ligandin tai molekyylien molaarisuus – α ei ole vakio. Oletetaan että molekyylejä M₀ ja M_i on yhtä paljon ja ligandin molaarisuus vastaa likimain sen dissosiaatiovakiota (K_D). Tällöin ligandi sitoutuu sille ensisijaisiin M₀-molekyyleihin toissijaisten M_i sijaan. Ligandipitoisuuden kasvaessa, voi niiden sitoutuminen M₀-molekyyleihin olla enintään 100%, mutta sitoutuminen M_i-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

${\frac {4\ M}{3\ M+2\ M+1\ M}}\approx 0.67$

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:

${\frac {4\ M}{4\ M+3\ M+2\ M}}\approx 0.44$

Lähteet

• J Kuriyan et al: The molecules of life: physical and chemical principles. Garland Science, 2013. ISBN 9780815341888
• DL Nelson et al: Lehninger principles of biochemistry. (5. painos) W.H. Freeman, 2008. ISBN 9780716771081