Кинетика и равновесие связывания лиганда

Связывание не является мгновенным процессом: лиганд ассоциирует с рецептором и диссоциирует от него с конечными скоростями, и баланс между этими двумя процессами определяет как равновесное сродство, так и временной ход взаимодействия. Кинетика изучает не только то, сколько лиганда связано в стационарном состоянии, но и как быстро достигается это состояние и как долго существует комплекс.

Definition

Кинетика связывания лиганда описывает зависящую от времени ассоциацию и диссоциацию лиганда с его сайтом связывания, регулируемую константой скорости ассоциации (kon) и константой скорости диссоциации (koff), отношение которых определяет равновесную константу диссоциации (Kd = koff/kon), характеризующую связывание в стационарном состоянии.

Scope

Эта тема охватывает константы скорости ассоциации и диссоциации лиганда, их взаимосвязь с равновесной константой диссоциации, концепцию времени пребывания, а также методы измерения и анализа связывания в радиолигандных и связанных с ними анализах, включая преобразование наблюдаемого ингибирования в константу сродства. Это справочный материал по фармакодинамике и не содержит рекомендаций по дозированию.

Core questions

• Как быстро лиганд связывается с рецептором и отсоединяется от него?
• Как константы скорости ассоциации и диссоциации определяют равновесное сродство?
• Что такое время пребывания и почему важна продолжительность связывания?
• Как параметры связывания извлекаются из экспериментов по насыщению и конкуренции с радиолигандами?

Key concepts

• Константа скорости ассоциации (kon)
• Константа скорости диссоциации (koff)
• Равновесная константа диссоциации (Kd = koff/kon)
• Время пребывания
• Насыщающее связывание и анализ Скэтчарда
• Конкурентное связывание (IC50, Ki)
• Специфическое против неспецифического связывания

Key theories

Кинетика связывания по закону действующих масс

Концепция, рассматривающая ассоциацию лиганд-рецептор как бимолекулярную реакцию, регулируемую kon и koff, предсказывающая временной ход связывания и равновесную занятость в соответствии с законом действующих масс.

Соотношение Ченга-Прусоффа

Соотношение, которое преобразует концентрацию конкурента, вызывающего полумаксимальное ингибирование (IC50) в анализе связывания, в истинную константу сродства конкурента (Ki), корректируя ее с учетом концентрации радиолиганда и его сродства.

Mechanisms

Лиганд и рецептор объединяются со скоростью, определяемой константой скорости ассоциации kon и концентрациями свободного лиганда и свободного рецептора, в то время как комплекс распадается со скоростью, определяемой константой скорости диссоциации koff; в состоянии равновесия два противоположных процесса уравновешиваются, и их отношение определяет равновесную константу диссоциации, Kd = koff/kon. Одно и то же равновесное сродство может возникать при очень разных парах скоростей, поэтому два лиганда с идентичным Kd могут значительно различаться по скорости связывания и, в частности, по скорости диссоциации — это отражается во времени пребывания, средней продолжительности жизни комплекса. В лабораторных условиях эти величины получают из кинетических экспериментов с временной зависимостью и из равновесных насыщающих анализов, в то время как конкурентные анализы измеряют концентрацию немеченого лиганда, который вытесняет половину радиолиганда; затем соотношение Ченга-Прусоффа преобразует эту концентрацию полуингибирования в константу сродства лиганда, корректируя ее с учетом используемого радиолиганда. Мотульский и Махан вывели ожидаемую кинетику, когда меченый и немеченый лиганды конкурируют, что позволяет оценивать константы скорости по таким экспериментам.

Clinical relevance

Кинетика связывания позволяет охарактеризовать скорость и устойчивость взаимодействия с мишенью, а концепция времени пребывания является одним из способов объяснить, почему некоторые взаимодействия сохраняются дольше, чем присутствие свободного препарата. Это справочные принципы для интерпретации данных связывания и не являются инструкциями по дозированию или лечению.

Evidence & guidelines

Кинетический и равновесный анализ связывания основан на лабораторной фармакологии и стандартизированной методологии, а не на клинических рекомендациях; количественные соглашения изложены в стандартных справочниках и номенклатуре Международного союза фундаментальной и клинической фармакологии (IUPHAR).

History

Количественный анализ связывания развивался с появлением радиолигандных методов в 1970-х годах, которые позволили напрямую измерять количество рецепторов и их сродство. Соотношение Ченга и Прусоффа 1973 года сделало конкурентные анализы интерпретируемыми с точки зрения истинного сродства, а работа Мотульского и Махана 1984 года предоставила кинетическую теорию для экспериментов по конкурентному связыванию. Механистическая работа Колкухуна связала эти измеренные константы с лежащими в основе процессами связывания и активации отдельных рецепторов.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Могут ли два препарата иметь одинаковое сродство, но разную кинетику?

Да. Сродство — это отношение константы скорости диссоциации к константе скорости ассоциации, поэтому два препарата могут иметь одинаковое равновесное сродство, но связываться и отсоединяться с очень разными скоростями, что приводит к разному времени их пребывания.

Что делает уравнение Ченга-Прусоффа?

Оно преобразует концентрацию конкурента, который наполовину ингибирует связывание радиолиганда (IC50), в истинную константу сродства конкурента (Ki), корректируя ее с учетом концентрации и сродства радиолиганда, используемого в анализе.