Определение лиганда
В биохимия лиганд какой-то молекула или атом, который обратимо связывается с белком. Лиганд может быть отдельным атомом или ионом. Это также может быть более крупная и сложная молекула, состоящая из множества атомов. Лиганд может быть природным, как органическая или неорганическая молекула. Лиганд также может быть сделан синтетически, в лаборатории. Это потому, что ключевые свойства лиганда находятся в его химической структуре. Если эту структуру можно воссоздать в лаборатории, синтетический лиганд сможет взаимодействовать так же, как действует естественный лиганд.
Как работает лиганд
Лиганд проходит через водянистые жидкости организм в пределах кровь ткани или в пределах клетка сам. Лиганд путешествует случайным образом, но как только концентрация становится достаточно высокой, лиганд в конечном итоге достигает белка. Белки, получающие лиганды, могут быть рецепторами, каналами и даже могут быть началом сложной серии переплетенных белков. Когда лиганд связывается с белком, он претерпевает конформационные изменения. Это означает, что, хотя никакие химические связи не были сформированы или разрушены, физическое действие лиганда, вписывающегося в белок, изменяет общую форму всей структуры. Это может вызвать много действий. В большинстве случаев движение самого белка активирует другой химический путь или запускает высвобождение другого лиганда-мессенджера, чтобы передать сообщение другим рецепторам.
Обратимость связи между лигандом и белком является важнейшим аспектом всех форм жизни. Если лиганды связаны необратимо, они не могут служить в качестве посланников, и большинство биологических процессов развалится. Если лиганды были изменены, то как фермент меняет подложка после взаимодействия лиганд станет чем-то другим, и его нельзя будет так же легко перерабатывать, как мессенджер. Биологически активные белки активны благодаря своей форме. Эта форма взаимодействует с химическим составом лиганда, создавая стабильную связь между двумя молекулами, которая в конечном итоге перевернется, оставляя обе молекулы одинаковыми. В реакции субстрата и фермента субстрат постоянно изменяется.
Именно эта способность лиганда активировать белок в течение короткого промежутка времени и затем рециркулировать, что позволяет осуществлять биологический контроль многих взаимодействий. Количество времени, которое лиганд проводит в привязке к своему рецептор или специфический белок является функцией сродства между лигандом и белком. Если существует высокое сродство, лиганд будет стремиться прилипать к белку и дольше изменять его функцию. Если лиганд имеет низкое сродство к белку, он с меньшей вероятностью будет связываться в первую очередь и быстрее высвободится из рецептора.
Сродство определенного лиганда к определенному белку полностью определяется его химическим составом и сайтом связывания белка. На сайте связывания, аминокислоты будут подвергаться воздействию, которые, как правило, дополняют желаемый лиганд. Аминокислоты будут соответствовать лиганду в определенных аспектах. Например, оба будут гидрофильный или гидрофобный, Это увеличивает притяжение между веществами. Аминокислоты имеют тенденцию отличаться от лиганда с точки зрения электрической активности. Если лиганд заряжен положительно, сайт связывания должен быть отрицательно заряжен. Это создает сильнейшее взаимодействие. Таким образом, белки могут получить определенную степень специфичности для лиганда.
Хотя это является основой для того, как клетки могут начать различать разные молекулы, это также на сердце одной из самых больших проблем организма. Многие яды и токсичные вещества настолько токсичны из-за их способности вмешиваться в процесс связывания белок-лиганд. Либо токсин непосредственно связывается с самим белком, потому что он имеет более высокое сродство, или токсин иначе препятствует нормальному связыванию лиганда с его целевым белком. Примеры лигандов и некоторых конкурентных токсинов можно увидеть ниже.
Примеры лиганда
кислород
Один лиганд, который люди часто упускают из виду, это кислород. В крови и тканях организма кислород должен достигать всех митохондрии в организме, если организм хочет выжить. Но это не простая задача, чтобы получить кислород везде. Если бы кислород оставался для диффузии через ткань к клеткам, он может пройти только несколько слоев клеток толщиной. Вот почему все организмы определенного размера должны содержать какие-то сердечно-сосудистая система, Тем не менее, трудно переместить кислородный лиганд туда, где он необходим. Многие организмы используют специальные белки для этого.
У людей и других млекопитающих гемоглобин является основным белком крови, ответственным за транспортировку кислорода. Белок гемоглобина сначала присоединяется к лиганду гем, который имеет атом железа и может помочь связать кислород. Таким образом, гемоглобин поглощает кислород в легких. Когда он попадает в организм, содержание углекислого газа в крови возрастает. Когда это происходит, pH понижается, и конформация гемоглобина изменяется. Это вызывает высвобождение лиганда, кислорода, который затем может быть поглощен клетками, которые в этом нуждаются.
Основным конкурентом кислорода является окись углерода. Это потому, что окись углерода имеет более высокое сродство к гемоглобину, чем кислород. Другими словами, если моноксид углерода связан с гемоглобином, он не исчезнет. Это означает, что у человека, который подвергается воздействию большого количества угарного газа, скоро весь гемоглобин будет насыщен неправильным лигандом. Их тело не сможет переносить кислород в мозг и ткани. Даже если человек получает кислород после этого, он все равно может задохнуться из-за своей неспособности транспортировать кислород.
допамин
Дофамин является лигандом, широко используемым в головной мозг, Когда мозг выпускает дофамин, это как сигнал удовольствия от успеха. Другими словами, дофамин связан с ощущением мотивации. Рецепторы допамина в вашем мозге активируются, когда мозг высвобождает лиганд допамин. Когда рецепторы полны дофамина, ваш мозг чувствует, что вы сделали что-то хорошее. Этот общий центр вознаграждения можно легко сбросить с помощью таких препаратов, как кокаин и метамфетамин.
Эти лекарства вместо того, чтобы быть в прямом соревнование с лигандом, на самом деле увеличить его эффективность. Они делают это, ограничивая количество дофамина, который может быть переработан. Таким образом, мозг остается в постоянном состоянии ощущения «вознаграждения». Это опасное чувство, которое может легко привести к наркомании. Несмотря на то, что логика говорит о том, что наркотики вредны, ощущения, вызываемые вашим мозгом и дополнительным допамином, ощущаются реальными, и говорят вам, чтобы вы больше употребляли наркотики.
Другое использование лиганда
Лиганды используются во многих других применениях клетками. Белки, которые они контролируют, могут широко варьироваться по типу и функции. Некоторые лиганды, такие как инсулин, используются для передачи различных сигналов метаболизму каждой клетки. Другой лиганд, такой как ацетилхолин, используется мозгом для передачи нервных импульсов между нервами. В этом случае он открывает канал, закрытый лигандом, который позволяет электрическому импульсу течь в ячейку и вдоль ее длины. Эта ячейка затем будет передавать ацетилхолин в следующую ячейку, и сигнал будет продолжаться.
Некоторые ферменты контролируются регуляторными лигандами, которые эффективно включают фермент. Без этого у них нет правильной формы для преобразования молекул, с которыми они работают. Однако, когда присутствует лиганд, эти ферменты оживают и функционируют должным образом. Многие лиганды необходимы для контроля метаболизма и других сложных процессов. Каждый лиганд имеет определенную аффинность, что важно, а также точку, в которой рецепторы становятся насыщенными. Выше этого предела никакая более высокая концентрация лиганда не приведет к большей реакции.
В общей химии лиганд может относиться к любой молекуле, связанной с переходным металлом. Это не так в биологии. В биологии лигандом является любая молекула, которая обратимо присоединяется к белку. Они обычно используются в сотовой сигнализации и клеточной регуляции, но имеют много других применений.
викторина
1. Что из перечисленного НЕ является лигандом?A. ВоздухаB. инсулинC. Бактериальный белок
Ответ на вопрос № 1
верно. Воздух состоит из множества различных молекул. Здесь есть кислород, азот, гелий, углекислый газ и множество других материалов. Каждый из них может быть лигандом в некоторой системе, но все они не могут быть одним лигандом. Инсулин является типичным человеческим лигандом. Хотя вы можете не думать об этом, бактериальный белок является лигандом для антитело белки, вырабатываемые в иммунной системе.
2. Выберите правильное утверждение.A. Все лиганды эволюционировали для своего специфического белкаB. Лиганд может быть использован только один разC. Лиганд изменяет конформацию белка, на который он влияет
Ответ на вопрос № 2
С верно. Каждый раз, когда вещество связывается с белком, даже обратимым образом, оно меняет форму этого белка. После высвобождения из рецептора лиганд можно использовать снова, если он собран и переработан. Ответ А на самом деле задом наперед. Как правило, считается, что все белки должны эволюционировать для конкретного лиганда, так как лиганд может быть таким же простым, как кислород. Хотя в сложных системах в сложных организмах это начинает выглядеть как аргумент курица и яйцо.
3. Какой организм ниже НЕ использует лиганды?A. деревоB. РыбаC. червякD. Все организмы используют лиганды
Ответ на вопрос № 3
D верно. Лиганд – просто модное слово для чего-то, к чему присоединяется белок. Вся жизнь основана на ДНК, которая производит белки. Поскольку вся жизнь использует белки, вся жизнь зависит от той или иной формы лиганда.
Ссылки
- Брюс, П. Ю. (2011). Органическая химия (6-е изд.). Бостон: Прентис Холл.
- Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. (2008). Основы биохимии. Нью-Йорк: W.H. Фримен и Компания.
- Widmaier, E.P., Raff, H. & Strang, K.T. (2008). Человек Вандера физиология : Механизмы функции тела (11-е изд.). Бостон: Высшее образование МакГроу-Хилл.