Ligandenbindungskinetik und -gleichgewicht

Die Bindung erfolgt nicht augenblicklich: Ein Ligand assoziiert mit seinem Rezeptor und dissoziiert von ihm mit endlichen Raten, und das Gleichgewicht zwischen beiden bestimmt sowohl die Gleichgewichtsaffinität als auch den Zeitverlauf der Interaktion. Die Kinetik fragt nicht nur, wie viel Ligand im stationären Zustand gebunden ist, sondern auch, wie schnell dieser Zustand erreicht wird und wie lange der Komplex Bestand hat.

Definition

Die Ligandenbindungskinetik beschreibt die zeitabhängige Assoziation und Dissoziation eines Liganden mit seiner Bindungsstelle, gesteuert durch die Assoziationsgeschwindigkeitskonstante (kon) und die Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante (koff), deren Verhältnis die Gleichgewichtsdissoziationskonstante (Kd = koff/kon) definiert, die die Bindung im stationären Zustand charakterisiert.

Scope

Dieses Thema behandelt die Geschwindigkeitskonstanten der Ligandenassoziation und -dissoziation, ihre Beziehung zur Gleichgewichtsdissoziationskonstante, das Konzept der Verweildauer und die Art und Weise, wie die Bindung in Radioliganden- und verwandten Assays gemessen und analysiert wird, einschließlich der Umrechnung zwischen beobachteter Hemmung und der zugrunde liegenden Affinitätskonstante. Es handelt sich um Referenzmaterial in der Pharmakodynamik und bietet keine Dosierungsanleitung.

Core questions

• Wie schnell bindet und löst sich ein Ligand von seinem Rezeptor?
• Wie bestimmen die Assoziations- und Dissoziationsgeschwindigkeitskonstanten die Gleichgewichtsaffinität?
• Was ist die Verweildauer, und warum könnte die Dauer der Bindung wichtig sein?
• Wie werden Bindungsparameter aus Radioliganden-Sättigungs- und Kompetitionsexperimenten gewonnen?

Key concepts

• Assoziationsgeschwindigkeitskonstante (kon)
• Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante (koff)
• Gleichgewichtsdissoziationskonstante (Kd = koff/kon)
• Verweildauer
• Sättigungsbindung und Scatchard-Analyse
• Kompetitionsbindung (IC50, Ki)
• Spezifische versus unspezifische Bindung

Key theories

Massenwirkungs-Bindungskinetik

Der Rahmen, der die Ligand-Rezeptor-Assoziation als eine bimolekulare Reaktion behandelt, die durch kon und koff gesteuert wird, und den Zeitverlauf der Bindung sowie die Gleichgewichtsbesetzung durch das Massenwirkungsgesetz vorhersagt.

Cheng-Prusoff-Beziehung

Die Beziehung, die die Konzentration eines Kompetitors, der eine halbmaximale Hemmung (IC50) in einem Bindungsassay hervorruft, in die wahre Affinitätskonstante (Ki) des Kompetitors umwandelt, wobei für die Radioligandenkonzentration und deren Affinität korrigiert wird.

Mechanisms

Ligand und Rezeptor verbinden sich mit einer Rate, die durch die Assoziationsgeschwindigkeitskonstante kon und die Konzentrationen des freien Liganden und des freien Rezeptors bestimmt wird, während der Komplex mit einer Rate zerfällt, die durch die Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante koff bestimmt wird; im Gleichgewicht gleichen sich die beiden entgegengesetzten Prozesse aus, und ihr Verhältnis definiert die Gleichgewichtsdissoziationskonstante, Kd = koff/kon. Dieselbe Gleichgewichtsaffinität kann aus sehr unterschiedlichen Ratenpaaren resultieren, sodass zwei Liganden mit identischem Kd sich stark darin unterscheiden können, wie schnell sie binden und insbesondere, wie langsam sie sich lösen – dies wird durch die Verweildauer, die durchschnittliche Lebensdauer des Komplexes, erfasst. Im Labor werden diese Größen aus kinetischen Zeitverlaufsexperimenten und aus Gleichgewichtssättigungsassays gewonnen, während Kompetitionsassays die Konzentration eines unmarkierten Liganden messen, der die Hälfte eines Radioliganden verdrängt; die Cheng-Prusoff-Beziehung wandelt dann diese Halbhemmkonzentration in die Affinitätskonstante des Liganden um, indem sie für den verwendeten Radioliganden korrigiert. Motulsky und Mahan leiteten die erwartete Kinetik ab, wenn ein markierter und ein unmarkierter Ligand konkurrieren, was die Schätzung von Geschwindigkeitskonstanten aus solchen Experimenten ermöglicht.

Clinical relevance

Die Bindungskinetik gibt Aufschluss darüber, wie die Geschwindigkeit und Persistenz der Zielbindung charakterisiert werden, und das Konzept der Verweildauer ist eine Möglichkeit, zu erklären, warum einige Interaktionen die Anwesenheit des freien Medikaments überdauern. Dies sind Referenzprinzipien zur Interpretation von Bindungsdaten und stellen keine Anweisungen zur Dosierung oder Behandlung dar.

Evidence & guidelines

Die kinetische und Gleichgewichtsbindungsanalyse basiert auf der Laborpharmakologie und standardisierten Methoden und nicht auf klinischen Leitlinien; die quantitativen Konventionen sind in Standardreferenzen und der Nomenklatur der International Union of Basic and Clinical Pharmacology (IUPHAR) festgelegt.

History

Die quantitative Bindungsanalyse reifte mit der Einführung von Radioligandenmethoden in den 1970er Jahren, die es ermöglichten, Rezeptorzahlen und Affinitäten direkt zu messen. Die Beziehung von Cheng und Prusoff aus dem Jahr 1973 machte Kompetitionsassays im Hinblick auf die wahre Affinität interpretierbar, und die Behandlung von Motulsky und Mahan aus dem Jahr 1984 lieferte die kinetische Theorie für kompetitive Bindungsexperimente. Colquhouns mechanistische Arbeit verband diese gemessenen Konstanten mit den zugrunde liegenden Einzelrezeptorbindungs- und Gating-Prozessen.

Key figures

• David Colquhoun
• Harvey J. Motulsky
• Yung-Chi Cheng
• William H. Prusoff

Seminal works

• cheng-prusoff-1973
• motulsky-mahan-1984

Frequently asked questions

Können zwei Medikamente die gleiche Affinität, aber unterschiedliche Kinetiken haben?

Ja. Die Affinität ist das Verhältnis der Dissoziations- zur Assoziationsgeschwindigkeitskonstante, sodass zwei Medikamente die gleiche Gleichgewichtsaffinität aufweisen können, während sie mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten binden und sich lösen, was ihnen unterschiedliche Verweildauern verleiht.

Was bewirkt die Cheng-Prusoff-Gleichung?

Sie wandelt die Konzentration eines Kompetitors, der die Radioligandenbindung halb hemmt (IC50), in die wahre Affinitätskonstante (Ki) des Kompetitors um, wobei für die Konzentration und Affinität des im Assay verwendeten Radioliganden korrigiert wird.