1. INTRODUCCIÓN
1.3. Interacción Ligando-Receptor
Los fenómenos de reconocimiento molecular son imprescindibles en la mayor parte de los procesos biológicos. Las proteínas llevan a cabo su función biológica interaccionando, de manera temporal o permanente, con una amplia variedad de moléculas, ya sean ligandos de bajo peso molecular, proteínas, ácidos nucleicos o membranas.
1.3.1 Equilibrio Químico
La interacción entre una proteína A y un ligando B para formar un complejo no covalente AB se representa como un equilibrio entre la asociación
para formar AB y la disociación de AB, cada uno regido por una constante de velocidad: A+B Kon Koff ! "!! # !!! AB (1.1) La velocidad de la reacción de asociación será y la de disociación , que se igualarán en el estado estacionario de la reacción y se cumplirá que Kon·[A][B]=Koff·[AB]. De esta forma la relación de
las concentraciones en el equilibrio se puede relacionar con la constante de asociación o con su inversa, la constante de disociación, Kd:
Ka= 1 Kd ; Ka Kd = [AB] [A][B] (1.2) La energía libre de Gibbs del proceso de asociación, !G, que representa la energía libre de unión, determina la estabilidad del complejo [AB] y caracteriza la afinidad de cada uno de los componentes por el otro, está relacionada con la constante de afinidad:
(1.3)
En este caso, R es la constante de los gases (R= 1,98 cal/mol K) y T es la temperatura en grados Kelvin.
1.3.2 Componentes de la Energía Libre de Unión
La Energía libre de unión o Energía de Gibbs de un proceso se puede expresar según la segunda ley de la Termodinámica como:
(1.4)
donde el cambio de energía del proceso ( ) depende del cambio en la entalpía ( ), que es un término energético que hace referencia a las interacciones directas ligando-proteína; y es el factor entrópico que hace referencia a la libertad de movimientos de ligando y receptor y al efecto hidrofóbico.
En la interacción de un ligando con una proteína, el término entálpico está descrito por dos tipos diferentes de fuerzas: atractivas y repulsivas, las cuales
intervienen en la estabilización de la unión de un ligando a la proteína. Estas fuerzas son consecuencia de interacciones de van der Waals y electrostáticas tanto favorables (atractivas) como desfavorables (repulsivas). Las interacciones por enlaces de hidrógeno son las que entálpicamente contribuyen en mayor medida a la unión frente a las interacciones de van der Waals, aunque ambas están moduladas por la desolvatación. La desolvatación es el proceso por el cual una molécula pierde parcial o totalmente su interacción con el agua del medio para interaccionar con otra molécula. Aunque este proceso suele ir acoplado a cambios entrópicos favorables, constituye un término mayoritariamente entálpico. Esto es debido a que tanto el ligando como la proteína solvatados establecen interacciones más o menos fuertes con las moléculas de agua del disolvente. Desolvatar superficies hidrófobas del ligando y del receptor es entálpicamente menos costoso que desolvatar grupos polares. Si al desolvatar donadores o aceptores de enlaces de hidrógeno del ligando, que establecen interacciones entálpicamente más fuertes con el agua del medio que los grupos apolares, estos grupos no establecen mejores interacciones con la proteína, el coste energético derivado de la desolvatación no se verá compensado (5).
El término entrópico es aquel que hace referencia a los movimientos tanto del ligando como de la proteína. La entropía se puede dividir en vibracional, conformacional y de desolvatación, tanto del ligando como de la proteína. La entropía vibracional, que hace referencia a la vibración intrínseca de los enlaces, no parece jugar un papel muy importante en el término entrópico. Por el contrario, los cambios en la desolvatación y los cambios conformacionales experimentados por el ligando y por la proteína son los más importantes para la entropía de unión. La desolvatación es entrópicamente favorable ya que da lugar a la salida de moléculas de agua del bolsillo de unión del ligando, que pasan de estar conformacionalmente restringidas a tener libertad plena de movimientos en el medio acuoso externo, lo que algunos autores denominan el “efecto hidrofóbico” (6). Ésta es la fuerza predominante que se encuentra asociada, por ejemplo, a la
energía de unión de grupos hidrófobos. También es entrópicamente favorable la liberación de moléculas de agua que están estableciendo enlaces de hidrógeno con grupos polares, tanto de la proteína como del ligando, y que están conformacionalmente restringidas. Por otra parte, los cambios de entropía conformacional del ligando y de la proteína son desfavorables, ya que la unión del ligando a su macromolécula diana implica la pérdida de grados de libertad tanto para uno como para otro (5). Aunque frente a la creencia inicial de que se pueden obviar los cambios conformacionales experimentados por la proteína al unirse un ligando, se están elevando voces que alertan sobre la importancia de los movimientos proteicos y las diferentes conformaciones de las proteínas que alteran la unión a ligandos (7).
1.3.3 Compensación Entalpía-Entropía y Diseño de Fármacos
A la hora de optimizar la unión de los ligandos a las proteínas y ganar afinidad, hay que mejorar tanto los valores entálpicos de la unión como los entrópicos. La entalpía de unión es mucho más difícil de optimizar que la entropía, debido a la contribución de las dos fuerzas contrarias previamente descritas (8). Y muchas veces, si se consigue una mejora entálpica, a menudo ésta no queda reflejada en una mejora en la afinidad porque la ganancia de entalpía suele ser compensada con una pérdida de entropía. El fenómeno de la compensación entalpía/entropía ha sido discutido en la literatura durante muchos años (9-13). Esencialmente siempre se ha dicho que un cambio en la entalpía se compensa por un cambio en la entropía y viceversa. Una mejora en la interacción ligando–receptor implica una ganancia de entalpía, pero para que la afinidad de unión mejore es necesario que esa ganancia no sea totalmente compensada por una pérdida de entropía, por lo que la ganancia de entalpía es necesaria pero no suficiente para que se produzca la ganancia de afinidad.
De esta forma, para conseguir un aumento de la afinidad del ligando por el receptor hay que conseguir reducir la compensación entálpico-entrópica. Frente a
la dificultad que presenta aumentar la entalpía de unión mediante el establecimiento de nuevas interacciones, optimizar la entropía es (en teoría) relativamente “más fácil” ya que depende fundamentalmente del “efecto hidrófobo” (14, 15) y de los cambios conformacionales. En esta línea, el diseño de fármacos cuenta con estrategias para restringir la conformación del ligando de forma que la forma libre sea semejante a la forma unida, para favorecer el enterramiento de grupos hidróphobos en bolsillos apolares de la proteína y así favorecer la liberación de moléculas de agua, o para introducir cambios en el ligando que interaccionen con zonas estructuradas de la proteína para así reducir el cambio en la entropía del receptor. Sin embargo, hasta la fecha, las herramientas de diseño de fármacos han fallado generalmente en predecir correctamente el componente entrópico de la unión de un ligando a su diana.