4.1:

4.1: Ligandenbindungsstellen

Ligand Binding Sites

JoVE Core
Molecular Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Molecular Biology

Ligand Binding Sites

4.2: Protein-protein Interfaces

12,769 Views

•

02:40 min

•

November 23, 2020

Overview

Proteins are dynamic macromolecules that carry out a wide variety of essential processes; however, the activities of most proteins depend on their interactions with other molecules or ions, known as ligands.

Protein-ligand interactions are quite specific; even though numerous potential ligands surround a cellular protein at any given time, only a particular ligand can bind to that protein. Moreover, a ligand binds only to a dedicated area on the surface of the protein, known as the ligand-binding site. The specificity of a protein’s ligand-binding site is determined by the arrangement of its amino acid chain which gives the area its shape and chemical reactivity. Hence, a ligand-binding site provides a complementary shape to its ligand and keeps the ligand in place via chemical interactions. These chemical interactions are often noncovalent; however, since these interactions are reversible and weak, many of these interactions need to occur simultaneously to hold the protein and the ligand together.

Research that elucidates interaction mechanisms at ligand binding sites generally involves in silico modeling and in vitro approaches. In silico modeling uses computers to compare previously known protein structures and evolutionary data to make predictions to determine the optimal binding shape and energy state of the protein-ligand complex. In vitro approaches compliment in silico predictions by providing evidence for ligand binding through binding and kinetic assays in the laboratory. Ligand binding research is important for understanding the functions of proteins and how they perform specific cellular processes in both healthy, as well as in diseased conditions. For instance, certain genetic conditions and cancers can alter the sequence of a protein, ultimately affecting its ability to bind a ligand. In addition, this research also allows scientists to design drugs with specific interactions and minimal side effects by targeting the ligand-binding site of an implicated protein.

Transcript

Die Aktivitäten der meisten Proteine hängen von ihren Wechselwirkungen mit anderen Molekülen oder Ionen, den sogenannten Liganden, ab. Obwohl Liganden in der Lage sind, an Proteine zu binden, bindet nicht jeder Ligand an jedes Protein.

Stattdessen bindet ein Ligand nur an eine bestimmte Region auf der Oberfläche eines Proteins, die als Bindungsstelle bezeichnet wird. Aber wie gewährleisten Ligandenbindungsstellen die Selektivität, wenn Proteine in einer gemischten Ligandensuppe sitzen?

Die besondere Anordnung der Aminosäuren in einem Protein bildet eine komplementäre Bindungsstelle auf seiner Oberfläche für einen bestimmten Liganden. Komplementäre Formen reichen jedoch für die Ligandenbindung nicht aus.

Chemische Wechselwirkungen halten den Liganden und das Protein zusammen. Im Allgemeinen sind diese Wechselwirkungen nicht kovalent, reversibel und schwach. Daher müssen viele dieser Wechselwirkungen gleichzeitig während der Ligandenbindung stattfinden.

Je größer zum Beispiel die Oberfläche der Wechselwirkung ist, desto mehr Van-der-Waals-Wechselwirkungen können stattfinden. Diese Kräfte funktionieren am besten für große Liganden. Bei anderen ermöglicht die spezifische Konformation der Bindungsstelle Wasserstoffbrückenbindungen oder elektrostatische Wechselwirkungen.

Aber wenn die Ligandenbindungsstelle Wasserstoffbrückenbindungen bilden kann, warum bildet sie dann keine Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Wasser in ihrer Umgebung? Die Antwort liegt in der Form der Ligandenbindungsstelle.

In diesem Protein bildet beispielsweise die Ausrichtung der Aminosäuren einen Hohlraum, der den Zugang von Wassermolekülen einschränkt. Für einzelne Wassermoleküle ist der Eintritt in den Hohlraum energetisch ungünstig, da sie ihre Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Wassermolekülen aufbrechen müssen.

Dennoch bildet der Ligand leicht Wasserstoffbrückenbindungen mit den polaren Aminosäuren in der Bindungsstelle, da die spezifischen Protein-Liganden-Wechselwirkungen energetisch günstiger sind als ihre Wechselwirkungen mit Wassermolekülen.

Polare Aminosäuren gehen ebenfalls elektrostatische Wechselwirkungen mit einem Liganden ein. Zum Beispiel zieht das negativ geladene Glutamat an dieser Bindungsstelle den positiv geladenen Liganden an. Eine Mutation in dieser Sequenz, die dieses negativ geladene Glutamat in ein positiv geladenes Lysin umwandelt, eliminiert die Ligandenbindung.

Zusammengenommen bestimmen die genaue Abfolge und Orientierung der Aminosäuren zueinander die chemische Reaktivität und Selektivität der Ligandenbindungsstelle.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

Ligandenbindungsstellen Proteinwechselwirkungen spezifische Region komplementäre Bindungsstelle Ligandenselektivität Aminosäuren chemische Wechselwirkungen nicht-kovalente Wechselwirkungen schwache Wechselwirkungen Van-der-Waals-Wechselwirkungen Wasserstoffbrückenbindungen elektrostatische Wechselwirkungen Form der Ligandenbindungsstelle Zugang zu Wassermolekülen