リガンド（生化学）

生化学および薬理学において、リガンドとは、生体分子と複合体を形成して生物学的目的を果たす物質である。語源はラテン語のligareに由来し、「結合する」を意味する。タンパク質-リガンド結合において、リガンドは通常、標的タンパク質上の部位に結合して信号を生成する分子である。結合により、標的タンパク質の立体配座異性（コンフォメーション）が変化するのは通常一般的である。DNA-リガンド結合研究では、リガンドはDNA二重らせんに結合する小分子、イオン^[1]、またはタンパク質^{[2]である。リガンドと結合パートナーの関係は、電荷、}疎水性、および分子構造の関数である。

結合は、イオン結合、水素結合、ファンデルワールス力などの分子間力によって起こります。会合またはドッキングは、実際には解離によって可逆的です。リガンドと標的分子の間の測定可能なほど不可逆な共有結合は、生物系では異例です。有機金属化学や無機化学におけるリガンドの定義とは対照的に、生化学では、ヘモグロビンの場合のように、リガンドが一般に金属部位に結合するかどうかは不明瞭です。一般に、リガンドの解釈は、どのような結合が観察されたかに応じて異なります。

受容体タンパク質へのリガンドの結合は、三次元形状の向きに影響を与えることによって立体構造を変化させる。受容体タンパク質の立体構造は機能状態を構成する。リガンドには、基質、阻害剤、活性化剤、シグナル伝達脂質、神経伝達物質などがある。結合速度は親和性と呼ばれ、この測定値は効果の傾向または強さを表す。結合親和性は、宿主-ゲスト相互作用だけでなく、溶液中での非共有結合を促進する支配的な立体的役割を果たす溶媒効果によっても実現される。^[3] 溶媒は、リガンドと受容体が適応し、パートナーとしてお互いを受け入れたり拒絶したりするための化学的環境を提供する。

放射性リガンドは、 PET研究におけるトレーサーとして、またin vitro結合研究 において体内で使用される放射性同位元素で標識された化合物です。

リガンドとその結合部位との相互作用は、結合親和性の観点から特徴付けることができます。一般に、高親和性リガンド結合はリガンドとその受容体との間のより大きな引力によって生じ、低親和性リガンド結合はより小さい引力によって生じます。一般に、高親和性結合は、低親和性結合の場合よりもリガンドによる受容体の占有率が高くなります。滞留時間(受容体-リガンド複合体の寿命) は相関しません。リガンドの受容体への高親和性結合は、結合エネルギーの一部を使用して受容体の構造変化を引き起こし、関連するイオンチャネルや酵素などの動作を変えることができる場合、生理学的に重要であることがよくあります。

生理学的反応を引き起こす受容体に結合してその機能を変化させることができるリガンドは、受容体作動薬と呼ばれます。受容体に結合するが生理学的反応を活性化できないリガンドは、受容体拮抗薬です。

受容体へのアゴニストの結合は、どの程度の生理学的反応が誘発されるか（つまり、有効性）と、生理学的反応を生み出すのに必要なアゴニストの濃度（多くの場合、半最大反応を生み出すのに必要な濃度であるEC ₅₀として測定される）の両方の観点から特徴付けることができる。高親和性のリガンド結合は、比較的低濃度のリガンドがリガンド結合部位を最大限に占有し、生理学的反応を引き起こすのに十分であることを意味する。受容体親和性は、阻害定数または Ki 値（受容体の 50% を占めるのに必要な濃度）によって測定される_。リガンド親和性は、ほとんどの場合、固定濃度の参照リガンドの 50% を置換するのに必要なリガンドの濃度を決定する競合結合実験からの IC 50 値として間接的に測定される。Ki 値_は、チェン・プルソフ式によってIC ₅₀から推定できる。リガンド親和性は、蛍光消光法、等温滴定熱量測定法、表面プラズモン共鳴法などの方法を用いて解離定数（Kd _）として直接測定することもできる。^[4]

低親和性結合（高い Ki_レベル）は、結合部位が最大限に占有され、リガンドに対する最大の生理学的反応が達成されるまでに、比較的高い濃度のリガンドが必要であることを意味します。右に示す例では、2 つの異なるリガンドが同じ受容体結合部位に結合しています。示されているアゴニストのうち 1 つだけが受容体を最大限に刺激できるため、完全アゴニストと定義できます。生理学的反応を部分的にしか活性化できないアゴニストは、部分アゴニストと呼ばれます。この例では、完全アゴニスト（赤い曲線）が受容体を半分最大に活性化できる濃度は約 5 x 10 ⁻⁹ モル（nM =ナノモル）です。

結合親和性は、タグ付きリガンドとして知られる放射性標識リガンドを使用して最も一般的に決定されます。相同競合結合実験では、タグ付きリガンドとタグなしリガンド間の結合競合が行われます。^[5]表面プラズモン共鳴、二重偏光干渉法、マルチパラメトリック表面プラズモン共鳴(MP-SPR) などのリアルタイムベースの方法は、多くの場合ラベルフリーであり、濃度ベースのアッセイから親和性を定量化できるだけでなく、結合と解離の速度論、および後者の場合は結合時に誘発される構造変化からも定量化できます。MP-SPR は、独自の光学セットアップにより、高塩分解離バッファーでの測定も可能にします。固定化を必要としない方法であるマイクロスケール熱泳動(MST) ^[6]が開発されました。この方法では、リガンドの分子量に制限されることなく結合親和性を測定できます。^[7]

リガンド-受容体結合親和性の定量的研究における統計力学の利用については、 構成分配関数に関する包括的な論文^[8]を参照のこと。

結合親和性データだけでは、薬物や天然に生成された（生合成された）ホルモンの全体的な効力を決定することはできません。^[9]

効力は結合親和性とリガンド効力の複雑な相互作用の結果である。^[9]

リガンド効力とは、標的受容体に結合した際にリガンドが生物学的反応を引き起こす能力と、この反応の量的大きさを指します。この反応は、引き起こされる生理学的反応に応じて、アゴニスト、アンタゴニスト、または逆アゴニストとして作用します。^[10]

選択的リガンドはごく限られた種類の受容体に結合する傾向があるのに対し、非選択的リガンドは複数の種類の受容体に結合します。これは薬理学において重要な役割を果たしており、非選択的な薬物は、望ましい効果を生み出す受容体に加えて他の複数の受容体に結合するため、より多く の副作用をもたらす傾向があります。

疎水性リガンド（例：PIP2）が疎水性タンパク質（例：脂質依存性イオンチャネル）と複合している場合、非特異的疎水性相互作用により親和性の決定が複雑になります。リガンドの親和性が高いと、非特異的疎水性相互作用を克服できます。^[11]たとえば、PIP2はPIP2依存性イオンチャネルに高い親和性で結合します。

二価リガンドは、不活性リンカーで結合した2つの薬物様分子（ファーマコフォアまたはリガンド）で構成されています。二価リガンドには様々な種類があり、ファーマコフォアが何を標的とするかに基づいて分類されることが多いです。ホモ二価リガンドは、同じ受容体タイプのうち2つを標的とします。ヘテロ二価リガンドは、異なる受容体タイプ2つを標的とします。^[12]バイトピックリガンドは、同じ受容体上のオルソステリック結合部位とアロステリック結合部位を標的とします。^{[13]科学的研究では、二価リガンドは}受容体二量体を 研究し、その特性を調査するために使用されてきました。このクラスのリガンドは、オピオイド受容体システムを研究していたPhilip S. Portogheseらによって開拓されました。 ^{[14] [15] [16]二価リガンドは、}ゴナドトロピン放出ホルモン受容体についても、Micheal Connらによって初期に報告されています。^{[17] [18]}これらの初期の報告以来、カンナビノイド、^[19]セロトニン、^{[20] [21]}オキシトシン、^[22]メラノコルチン受容体システム、^{[23] [24] [25]を含む様々な}Gタンパク質共役受容体（GPCR）システム、およびGPCR - LICシステム（D2およびnACh受容体）に対する多くの二価リガンドが報告されている。^[12]

二価リガンドは通常、一価のものよりも大きい傾向があるため、リピンスキーの5つのルールにあるように「薬物のような」ものではありません。多くの人は、これが臨床現場での適用性を制限すると考えています。^{[26] [27]}これらの考えにもかかわらず、前臨床動物試験で成功したと報告されているリガンドは数多くあります。^{[24] [25] [22] [28] [29] [30]}一部の二価リガンドは一価のものに比べて多くの利点（組織選択性、結合親和性の向上、効力または有効性の向上など）を持つことがあるため、二価は臨床上の利点も提供する可能性があります。

タンパク質のリガンドは、結合するタンパク質鎖の数によっても特徴付けられる。「モノデスミック」リガンド（μόνος：単一、δεσμός：結合）は単一のタンパク質鎖に結合するリガンドであるが、「ポリデスミック」リガンド（πολοί：多数）^[31]はタンパク質複合体によく見られ、通常はタンパク質界面またはその近くで複数のタンパク質鎖に結合するリガンドである。最近の研究では、リガンドの種類と結合部位の構造が、タンパク質複合体の進化、機能、アロステリー、および折り畳みに大きな影響を与えることがわかっている。^{[32] [33]}

特権的骨格^[34]とは、既知の薬物や特定の生物学的に活性な化合物群の間で統計的に繰り返される分子骨格または化学部分である。これらの特権的要素^[35]は、新しい活性生物学的化合物や化合物ライブラリを設計するための基礎として使用することができる。

タンパク質-リガンド相互作用を研究する主な方法は、主要な流体力学および熱量測定技術と、主要な分光学的および構造的方法である。

• フーリエ変換分光法
• ラマン分光法
• 蛍光分光法
• 円二色性
• 核磁気共鳴
• 質量分析
• 原子間力顕微鏡
• 常磁性プローブ
• 二重偏光干渉計
• マルチパラメトリック表面プラズモン共鳴
• リガンド結合アッセイと放射性リガンド結合アッセイ

その他の技術には、蛍光強度、二分子蛍光相補性、FRET（蛍光共鳴エネルギー移動）/ FRET消光表面プラズモン共鳴、 バイオレイヤー干渉法、共免疫沈降間接ELISA、平衡透析、ゲル電気泳動、ファーウェスタンブロット、蛍光偏光異方性、電子常磁性共鳴、 マイクロスケール熱泳動、 switchSENSEなどがあります。

スーパーコンピュータやパーソナルコンピュータの計算能力が劇的に向上したことにより、計算化学によってもタンパク質とリガンドの相互作用を研究することが可能になった。例えば、2007年4月に終了したプロジェクトgrid.orgでは、100万台を優に超える一般的なPCの世界規模のグリッドが癌研究に活用された。grid.orgの後継として、 World Community Grid、Human Proteome Folding Project、Compute Against Cancer、Folding@Homeなどの同様のプロジェクトが開発されている。

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• Kiデータベース
• ドッキング@ホーム
• 翻訳元
• DNA結合リガンド
• バインディングDB
• SAMPLチャレンジ

ウィキメディア・コモンズには、リガンド (生化学)に関連するメディアがあります。

• BindingDB は、測定されたタンパク質-リガンド結合親和性の公開データベースです。
• BioLiP は、リガンド-タンパク質相互作用の包括的なデータベースです。