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4.4:

La costante di equilibrio di legame e la forza di legame

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Biologie moléculaire
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The Equilibrium Binding Constant and Binding Strength

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Nella cellula, le proteine collidono casualmente con altre molecole, come altre proteine, acidi nucleici e piccole molecole ligandi. Se il legame è non specifico, poche interazioni non covalenti tra le molecole risultano in una breve associazione. Se un ligando specifico, si lega alla proteina, può formare estese interazioni non covalenti lungo superfici complementari.Tali complessi sono stabili, rimanendo legati per lungo tempo prima di dissociarsi. La forza di un’interazione di legame è riportata in termini di costante di equilibrio, Kb, chiamata anche costante di legame o di associazione. Kb può essere calcolato dal rapporto della concentrazione del complesso proteina-ligando sulle concentrazioni della proteina non legata e del ligando trovato all’equilibrio.Data la sua relazione con il cambiamento di energia libera, dovuto al legame, un grande Kb significa una grande diminuzione del delta G, che indica una forte affinità tra proteina e ligando. Due processi concorrenti sono importanti per il legame proteina-ligando:l’associazione di una proteina e di un ligando per formare un complesso e la dissociazione del complesso nei reagenti. La costante di associazione K on è una misura del numero di eventi di legame al secondo tra una proteina e il suo ligando.Può essere utilizzato per calcolare la velocità di legame del ligando alla proteina ad una data concentrazione. Viceversa, K off è una misura del numero di eventi di dissociazione;può essere utilizzato per calcolare la rapidità con cui il complesso si disgrega quando il tasso di associazione è uguale al tasso di dissociazione e si raggiunge l’equilibrio, dove le concentrazioni di prodotti e reagenti rimangono costanti. In questo modo, all’equilibrio, K on volte il prodotto delle concentrazioni di equilibrio della proteina e del ligando, è pari a K off volte la concentrazione di equilibrio 00:02:05.100 00:02-07.590 del complesso proteico ligando.Ridisporre questa equazione mostra anche che il rapporto tra K on e K off equivale a Kb in equilibrio.

4.4:

La costante di equilibrio di legame e la forza di legame

The equilibrium binding constant (Kb) quantifies the strength of a protein-ligand interaction. Kb can be calculated as follows when the reaction is at equilibrium:

Eq1

where  P and L are the unbound protein and ligand, respectively, and PL is the protein-ligand complex. 

As the amount of bound ligand is also related to the rate of ligand binding, experiments can also determine Kb by examining the rates of protein-ligand association (kon) and dissociation (koff) using the following ratio:

Eq1

Thus, two categories of  binding assays are used to determine the equilibrium binding constant – those that measure equilibrium concentrations and those that measure a reaction’s kinetics. In case, the reaction must be at equilibrium at the time of measurement.

The method of determining the equilibrium concentrations depends on the desired sensitivity and ease of signal detection. For these reasons, spectroscopic assays are most widely used. In these experiments, the reaction produces an absorbance change of a reactant or a product at a given wavelength, detectable by a UV-Vis spectrophotometer. Alternatively, the reactant or product can be tagged with a fluorescent probe or may contain an intrinsic fluorophore. Then, the reaction progress can be measured from the change in fluorescence. These assays are performed by varying one reactant’s concentrations while the rest of the experiment is held constant. The results can then be graphed and analyzed with various curve fitting methods.

Interactions between proteins and ligands are also studied using a variety of biochemical and spectroscopic techniques. Structural analysis, using X-ray crystallography and NMR spectroscopy, aids in predicting protein-ligand interactions through molecular simulations. Theoretical and computational approaches, such as protein-ligand docking studies, are used extensively to characterize the position and interactions of small molecule ligands, including drug candidates. Computer-aided drug design is a fast and low-cost alternative to accelerate the pace of conventional trial and error drug testing.

Suggested Reading

  1. Pollard, Thomas D. "A guide to simple and informative binding assays." Molecular biology of the cell 21, no. 23 (2010): 4061-4067.
  2. Hulme, Edward C., and Mike A. Trevethick. "Ligand binding assays at equilibrium: validation and interpretation." British journal of pharmacology 161, no. 6 (2010): 1219-1237.
  3. Medina-Franco, José L., Oscar Méndez-Lucio, and Karina Martinez-Mayorga. "The interplay between molecular modeling and chemoinformatics to characterize protein–ligand and protein–protein interactions landscapes for drug discovery." In Advances in protein chemistry and structural biology, vol. 96, pp. 1-37. Academic Press, 2014.