Proteīna un liganda mijiedarbība: kā darbojas receptori

Ligandu un olbaltumvielu nesavieno stipra kovalentā saite, bet vairāku vāju mijiedarbību kopums. Tieši tāpēc saistība var izjukt bez fermenta palīdzības un ligands var atkal aiziet.

Specifiskums rodas no ģeometrijas. Lai mijiedarbības darbotos, atomiem jābūt tuvu, un tuvu tie var būt tikai tad, ja liganda forma atbilst kabatas formai. Neliela molekulas izmaiņa, piemēram, viena hidroksilgrupa vairāk, var pilnībā izslēgt saistīšanos vai, gluži pretēji, to daudzkārt pastiprināt.

Svarīgi ir arī tas, ka saistīšanās notiek ūdens vidē. Pirms ligands ieiet kabatā, gan tas pats, gan kabata ir apņemti ar ūdens molekulu apvalku, un šis apvalks jāatstumj malā. Tāpēc reālais saistīšanās ciešums vienmēr ir kompromiss starp iegūtajām jaunajām saitēm un enerģiju, kas iztērēta ūdens noņemšanai, un tieši šā iemesla dēļ molekulas saistīšanos ir tik grūti paredzēt tikai pēc formas.

• Ūdeņraža saites starp polārām grupām abās pusēs.
• Jonu jeb elektrostatiskā pievilkšanās starp pretējiem lādiņiem.
• Hidrofobā mijiedarbība, kad nepolāras liganda daļas paslēpjas no ūdens.
• Vandervālsa spēki, kas darbojas tikai ļoti tuvā attālumā.
• Koordinatīvās saites ar metāla jonu, ja olbaltumvielā tāds ir.

Saistīšanās ciešumu raksturo disociācijas konstante, ko apzīmē ar Kd. Tā atbilst liganda koncentrācijai, pie kuras ir aizņemta puse saistīšanās vietu. Jo mazāka Kd vērtība, jo ciešāk ligands turas, tātad jo augstāka ir afinitāte.

Palielinot liganda koncentrāciju, aizņemto vietu skaits aug, bet ne bezgalīgi: kādā brīdī visas vietas ir aizņemtas un iestājas piesātinājums. Šī piesātināmība ir viena no pazīmēm, kas atšķir īstu receptoru no nespecifiskas molekulas pielipšanas audiem.

Ja par vienu un to pašu vietu sacenšas divi ligandi, rezultātu nosaka gan afinitāte, gan koncentrācija. Tāpēc konkurējoša inhibitora iedarbību bieži var pārvarēt, palielinot dabiskā liganda daudzumu, bet nekonkurējoša inhibitora iedarbību, kas piesaistās citā vietā, šādi pārvarēt nevar.

Saistīšanās pati par sevi nav signāls. Signāls rodas no formas izmaiņas, kas no saistīšanās vietas izplatās pa visu olbaltumvielu. Atkarībā no olbaltumvielas veida šī izmaiņa dod pilnīgi atšķirīgas sekas.

Agonists ir ligands, kas, piesaistoties, izraisa receptora aktivāciju, tātad atdarina dabisko signālmolekulu. Pilns agonists dod maksimālo iespējamo atbildi, daļējs agonists dod vājāku atbildi pat tad, ja aizņemti visi receptori.

Antagonists piesaistās, bet neizraisa formas izmaiņu, kas vajadzīga aktivācijai. Tas vienkārši aizņem vietu un neļauj tur piekļūt dabiskajam ligandam. Beta blokatori, antihistamīna līdzekļi un daudzas psihiatrijā lietotās zāles darbojas tieši šādi.

Atsevišķa kategorija ir alostēriskā regulācija. Šeit ligands saistās nevis galvenajā saistīšanās vietā, bet citur uz olbaltumvielas, un netieši maina galvenās vietas formu. Alostērisks modulators var pastiprināt vai vājināt dabiskā liganda iedarbību, pats par sevi neko neieslēdzot, un tāpēc tā darbība ir maigāka un vairāk saistīta ar organisma paša ritmu.

• Agonists: piesaistās un aktivē.
• Antagonists: piesaistās un bloķē.
• Apgriezts agonists: nomāc arī to receptora aktivitāti, kas pastāv bez liganda.
• Alostērisks modulators: piesaistās citur un maina atbildes stiprumu.

Hemoglobīnu veido četras apakšvienības, un katra var piesaistīt vienu skābekļa molekulu. Kad skābeklis piesaistās pirmajai apakšvienībai, visa molekula nedaudz maina formu tā, ka pārējām apakšvienībām skābekli piesaistīt kļūst vieglāk. Šo parādību sauc par kooperativitāti, un tās dēļ hemoglobīna piesātinājuma līkne ir nevis taisna, bet S veida.

Praktiskā nozīme ir liela. Plaušās, kur skābekļa spiediens ir augsts, hemoglobīns piesātinās gandrīz pilnībā. Audos, kur spiediens ir zemāks, līknes stāvā daļa nozīmē, ka neliela skābekļa spiediena pazemināšanās atbrīvo daudz skābekļa.

Tam pievienojas alostēriski modulatori. Oglekļa dioksīds, ūdeņraža joni un sarkano asins šūnu ražotais 2,3 bisfosfoglicerāts samazina hemoglobīna afinitāti pret skābekli. Tāpēc strādājošs muskulis, kas ražo vairāk oglekļa dioksīda un skābes, saņem vairāk skābekļa, pats to nekādi neprasot.

Hemoglobīns ir arī labs piemērs tam, kā mijiedarbība var kļūt bīstama. Oglekļa monoksīds saistās ar to pašu dzelzs atomu, pie kura piesaistās skābeklis, bet daudz ciešāk, un turklāt izmaina atlikušo apakšvienību uzvedību tā, ka tās skābekli audos atdod negribīgi. Tāpēc saindēšanās ar tvana gāzi ir bīstama arī tad, ja daļa hemoglobīna vēl ir brīva.

Zāļu izstrāde pēc būtības ir liganda meklēšana konkrētai saistīšanās vietai. Mūsdienās vispirms nosaka mērķa olbaltumvielas telpisko struktūru, pēc tam datorā modelē, kuras molekulas tajā varētu iederēties, un tikai tad pārbauda laboratorijā.

1. Nosaka mērķa olbaltumvielu, kuras darbība slimības gadījumā jāmaina.
2. Iegūst tās telpisko struktūru ar rentgenstaru kristalogrāfiju vai krioelektronmikroskopiju.
3. Datorā izvērtē tūkstošiem kandidātmolekulu atbilstību saistīšanās vietai.
4. Laboratorijā mēra reālo afinitāti un darbību uz šūnām.
5. Uzlabo molekulas uzbūvi, lai palielinātu specifiskumu un samazinātu piesaisti citiem receptoriem.

Vienkāršākā klasiskā metode ir saistīšanās izmēģinājums ar iezīmētu ligandu: audu vai šūnu paraugam pievieno pieaugošas iezīmēta liganda koncentrācijas un mēra, cik daudz no tā paliek saistīts. No iegūtās līknes aprēķina afinitāti un saistīšanās vietu skaitu.

Mūsdienās plaši lieto metodes, kas neprasa iezīmēšanu. Virsmas plazmonu rezonanse reģistrē masas izmaiņu uz sensora virsmas, kad ligands piesaistās tur nostiprinātai olbaltumvielai, un ļauj atsevišķi izmērīt piesaistes un atdalīšanās ātrumu. Izotermiskā titrēšanas kalorimetrija mēra siltumu, kas izdalās vai tiek patērēts saistīšanās brīdī.

Šo metožu rezultāti ir papildinoši. Divas molekulas ar vienādu afinitāti var atšķirties ar to, cik ilgi tās noturas uz receptora, un tieši noturēšanās ilgums bieži labāk izskaidro, kāpēc vienas zāles darbojas ilgāk par otrām.

Pirmais pārpratums ir jaukt ligandu ar substrātu. Substrātu ferments ķīmiski pārveido, un no aktīvā centra iznāk cita viela. Ligands netiek pārveidots, tas aiziet tāds pats, kāds atnāca. Viena un tā pati molekula gan vienā kontekstā var būt substrāts, citā ligands.

Otrais pārpratums ir pieņēmums, ka vienam receptoram atbilst viens ligands. Realitātē receptoriem ir apakštipi, kas atšķirīgi sadalīti dažādos orgānos, un tieši tāpēc viena un tā pati signālmolekula sirdī un bronhos var radīt pretējas sekas. Zāļu selektivitāte pret apakštipu nosaka to blakusparādību profilu.

Retāk minētā nianse ir tā, ka receptoru skaits nav nemainīgs. Ilgstoši augsta liganda koncentrācija liek šūnai receptorus noņemt no virsmas, un atbilde pavājinās. Tieši šis mehānisms izskaidro, kāpēc dažām zālēm ar laiku samazinās iedarbība un kāpēc pēkšņa ilgstoši lietota bloķētāja atcelšana var dot pārmērīgu atsitiena reakciju. Tāpēc šādas zāles pārtrauc pakāpeniski un tikai ārsta uzraudzībā.