Ana Denicola

Curso Fisicoquímica Biológica

INTERACCIONES MACROMOLECULA - LIGANDO

Muchas funciones biológicas involucran la interacción de pequeñas moléculas (metabolitos, reguladores, señales) que llamamos ligandos, con superficies específicas de macromoléculas como las proteínas que participan en distintos procesos celulares. Esta interacción implica la formación de enlaces no-covalentes entre la pequeña molécula o ión (ligando) con una región específica de la macromolécula (proteína) que llamamos sitio de unión.

La unión de un ligando a una proteína puede ser tan fuerte que parezca irreversible, pero si no se forman enlaces covalentes, lo podemos considerar un proceso en equilibrio.

Proteína = PLigando = A

P + A PA

K = [PA]/ [P][A]

K = constante de equilibrio de asociaciónK`= constante de equilibrio de disociación = 1/K

[PA]= concentración del complejo proteína-ligando[P]= concentración de proteína (no acomplejada)[A]= concentración de ligando libre

P + A PA

De esta interacción nos interesa estudiar:

- estequiometría, número de sitios de unión que tiene la proteína para este ligando A

- afinidad, con qué fuerza se une A a P, comparar con la fuerza de unión de otro ligando B a la misma proteína

-cinética de la interacción

- cambios estructurales que ocurren en la proteína luego de la unión de A, que pueden o no llevar a cambios en la funcionalidad de la proteína

- información estructural sobre el sitio de unión de A a P, fuerzas que intervienen en la unión

Sólo un sitio de unión

Parámetro experimental r:

r = moles de ligando unido por mol de proteína

r = [A]unido/ [P]total

[A]unido = [PA] r = [PA]/ [P] + [PA] [P]total = [P] + [PA]

K = [PA]/ [P][A] r = K [A]/ 1+K [A]

• un sitio de unión, n=1• con afinidad K (M-1) cte. asociación

15.6

Proteína = PLigando = A

P + A PA

K = [PA]/ [P][A]

K = constante de equilibrio de asociaciónK`= constante de equilibrio de disociación = 1/K

[PA]= concentración del complejo proteína-ligando[P]= concentración de proteína (no acomplejada)[A]= concentración de ligando libre

Múltiples sitios de unión

r = moles de ligando unido por mol de proteína

r = [A]unido/ [P]total

[A]unido = [PA] + 2[PA2] + 3[PA3] + ...

[A]unido = i[PA]i

[P]total = [PAi]

Ki = [PAi]/ [P][A]i cte. asociación de cada ligando icon P

Múltiples sitios de unión

Si los sitios de unión son idénticos e independientes:

K1 = K2 = K3 = .... = K

r = n K [A]/ 1 + K [A]

• n sitios de unión• todos con = afinidad K (M-1)

15.9 b

15.10 a

Para evaluar los parámetros n y K, se linealiza la hipérbola:

Doble recíproco: 1 / r = 1 / n + 1 / n K [A]

Scatchard: r / [A] = n K - r K

• n sitios de unión• todos con = afinidad K (M-1)

Doble recíprocoScatchard

J. BIOL. CHEM. 265, 12623-12628, 1990The Human a2-Macroglobulin Receptor Contains High Affinity Calcium Binding Sites Important for Receptor Conformation and Ligand Recognition

Múltiples sitios de unión no equivalentes

• gráfico de Scatchard no da lineal

• gráfico de Hill: log (r / n - r) = log K + nH log [A]

Log (Y/1-Y) = log K + n log [A]

si la curva tiene pendiente >1 para alguna [A]

cooperatividad positiva

si la curva tiene pendiente <1 para alguna [A]

cooperatividad negativa

• las proteínas que presentan cooperatividad de unión en general son multiméricas (varias subunidades) o monoméricas con dominios definidos

15.13

Métodos experimentales para obtener datos de unión de ligandos a proteínas

1) Medir la fracción de ligando unido, r

El complejo proteína-ligando se separa del ligando libre:

• diálisis en equilibrio (es la técnica más exacta pero muchas veces demora en alcanzarse el equilibrio y se requiere cantidades apreciables de muestra)• filtración por membrana, centrifugación o ultrafiltración• cromatografía de gel filtración• sedimentación

Métodos experimentales para obtener datos de unión de ligandos a proteínas

2) Medir la fracción de sitios de unión ocupados, O

O = r / n = fracción de saturación

se debe seguir un cambio ( X) ya sea en al proteína o en el ligando luego de la unión

X / X total = O

• se grafica X en función de [A] • si se conoce n (número total de sitios) se puede calcular r y de ahí el tratamiento es igual que para diálisis en equilibrio

15.5

Métodos experimentales para obtener datos de unión de ligandos a proteínas

2) Medir la fracción de sitios de unión ocupados, O

se debe seguir un cambio ( X) ya sea en al proteína o en el ligando luego de la unión

X / X total = O• fluorescencia • resonancia Raman• absorción UV-vis • infrarrojo• dicroismo circular • sedimentación• NMR • EPR• electroforesis capilar • difracción RX• susceptibilidad a hidrólisis (por proteasas)• susceptibilidad a oxidación (por peroxidasas)• surface plasmon resonance (Biacore)

Biochemistry 1988, 27, 1075-1080 1075Spectroscopic and Thermodynamic Studies on the Binding of Gadolinium( 111) to Human Serum Transferrin

FIGURE 2: (A) EPR titration of 3.6 X lo4 M apotransferrin in 0.05 M Hepes, pH 7.4, with Gd(II1). The ratio of Gd to transferrin is given by the number at the beginning of each spectrum. Arrows mark g’= 4.1. Microwave frequency, 9.298 GHz; microwave power, 10 mW; modulation frequency, 100 kHz; modulation amplitude, 10 G; sweep time, 200 s; time constant, 0.5 s; sample temperature, 77 K. (B) Plot of the amplitude of the g’ = 4.1 signal (1650 G) vs the Gd:transferrin ratio.

Biochemistry 1988, 27, 1075-1080 1075

Las proteínas más utilizadas para ensayar esta interacción son las proteínas séricas:• albúmina (humana o bovina)• transferrina (o apotransferrina)• IgGLas proteínas séricas (y en particular la seroalbúmina, la más concentrada) son el principal blanco si el metalo-fármaco es administrado i/v, e influye en su biodisponibilidad

HSA 585 aa: 35C (17 disulfuros + C34), W214

Dominios I, II, III

7,8-dihidroxicumarina (Dafnetina)

Antioxidante, quelante, inhibidor de proteina kinasa

Studies on the interactions between human serum albumin and imidazolium [trans-tetrachlorobis(imidazol)ruthenate(III)]J. Inorg. Biochem. 73 (1999) 123-128

J Inorg Biochem 73 (1999) 123-

J Inorg Biochem 73 (1999) 123-

Solution studies of the antitumor complex dichloro 1,2-propylendi-aminetetraacetate ruthenium (III) and of its interactions with proteins.

J. Inorg. Biochem. 71 (1998) 45-51.

Complejo libre

Complejo + albúmina

Complejo + transferrina

Complejo + apotransferrina