Ligando
Definición de ligando
En bioquímica, un ligando es cualquier molécula o átomo que se une de forma reversible a una proteína. Un ligando puede ser un átomo o ión individual. También puede ser una molécula más grande y compleja formada por muchos átomos. Un ligando puede ser natural, como molécula orgánica o inorgánica. También se puede fabricar un ligando sintéticamente en el laboratorio. Esto se debe a que las propiedades clave de un ligando se encuentran en su estructura química. Si esa estructura se puede recrear en el laboratorio, el ligando sintético podrá interactuar de la misma manera que actúa un ligando natural.
Cómo funciona un ligando
El ligando viaja a través de los fluidos acuosos de un organismo, dentro de la sangre, los tejidos o dentro de la propia célula. El ligando viaja al azar, pero una vez que la concentración es lo suficientemente alta, un ligando eventualmente llegará a una proteína. Las proteínas que reciben ligandos pueden ser receptores, canales e incluso pueden ser el comienzo de una serie compleja de proteínas entrelazadas. Cuando el ligando se une a la proteína, sufre un cambio conformacional. Esto significa que, si bien no se han formado ni roto enlaces químicos, la acción física del ligando que encaja en la proteína cambia la forma general de toda la estructura. Esto puede desencadenar muchas acciones. En la mayoría de los casos, el movimiento de la proteína activa otra vía química, o desencadena la liberación de otro ligando mensajero, para llevar el mensaje a otros receptores.
La reversibilidad del enlace entre ligando y proteína es un aspecto crucial de todas las formas de vida. Si los ligandos se unieran de manera irreversible, no podrían servir como mensajeros y la mayoría de los procesos biológicos se derrumbarían. Si se cambiaran los ligandos, de la misma manera que una enzima cambia un sustrato, el ligando se convertiría en otra cosa después de la interacción y no podría reciclarse tan fácilmente como un mensajero. Las proteínas biológicamente activas son activas debido a su forma. Esta forma interactúa con la química del ligando para crear una conexión estable entre las dos moléculas, que eventualmente se revertirá, dejando ambas moléculas iguales. En una reacción de sustrato y enzima, el sustrato se cambia permanentemente.
Es esta capacidad del ligando, de activar una proteína durante un corto período de tiempo y luego reciclarse, lo que permite el control biológico de muchas interacciones. La cantidad de tiempo que un ligando pasa unido a su receptor o proteína específica es una función de la afinidad entre el ligando y la proteína. Si hay una alta afinidad, el ligando tenderá a adherirse a la proteína y modificará su función durante más tiempo. Si el ligando tiene una baja afinidad por la proteína, será menos probable que se una en primer lugar y se liberará del receptor más rápidamente.
La afinidad de un ligando particular por una proteína particular está determinada completamente por su composición química y la del sitio de unión de la proteína. En el sitio de unión, se expondrán aminoácidos que tienden a complementar el ligando deseado. Los aminoácidos coincidirán con el ligando en ciertos aspectos. Por ejemplo, ambos serán hidrófilos o hidrófobos. Esto aumenta la atracción entre las sustancias. Los aminoácidos tienden a diferir del ligando en términos de actividad eléctrica. Si el ligando está cargado positivamente, el sitio de unión debe estar cargado negativamente. Esto crea la interacción más fuerte. De esta forma, las proteínas pueden obtener un cierto grado de especificidad por un ligando.
Si bien esta es la base de cómo las células pueden comenzar a diferenciar diferentes moléculas, también es el núcleo de uno de los mayores problemas de un organismo. Muchos venenos y sustancias tóxicas son tan tóxicos debido a su capacidad para interferir con el proceso de unión proteína-ligando. O la toxina se une directamente a la proteína en sí, porque tiene una mayor afinidad, o la toxina evita de otro modo la unión normal de un ligando a su proteína diana. A continuación se pueden ver ejemplos de ligandos y algunas toxinas competitivas.
Ejemplos de ligando
Oxígeno
Un ligando que la gente suele pasar por alto es el oxígeno. En el torrente sanguíneo y los tejidos corporales, el oxígeno debe llegar a todas las mitocondrias del cuerpo para que el organismo sobreviva. Pero llevar oxígeno a todas partes no es una tarea fácil. Si se deja que el oxígeno se difunda a través del tejido hasta las células, solo puede pasar unas pocas capas celulares de espesor. Es por eso que todos los organismos de cierto tamaño deben contener algún tipo de sistema circulatorio. Aún así, es difícil mover el ligando de oxígeno donde se necesita. Muchos organismos usan proteínas especializadas para esto.
En los seres humanos y otros mamíferos, la hemoglobina es la principal proteína sanguínea responsable del transporte de oxígeno. La proteína de la hemoglobina se adhiere primero a un ligando llamado hemo, que tiene un átomo de hierro y puede ayudar a unirse al oxígeno. Por tanto, la hemoglobina recoge oxígeno en los pulmones. A medida que viaja al cuerpo, aumenta el contenido de dióxido de carbono en la sangre. Mientras esto sucede, el pH baja y la conformación de la hemoglobina cambia. Esto fuerza la liberación del ligando, oxígeno, que luego puede ser absorbido por las células que lo necesitan.
Un competidor principal del oxígeno es el monóxido de carbono. Esto se debe a que el monóxido de carbono tiene una mayor afinidad por la hemoglobina que el oxígeno. En otras palabras, una vez que el monóxido de carbono se une a la hemoglobina, no se desprende. Esto significa que alguien expuesto a grandes cantidades de monóxido de carbono pronto tendrá toda su hemoglobina saturada por el ligando incorrecto. Su cuerpo no tendrá la capacidad de transferir oxígeno al cerebro y los tejidos. Incluso si la persona recibe oxígeno después de esto, aún puede asfixiarse debido a su incapacidad para transportar el oxígeno.
Dopamina
La dopamina es un ligando que se usa mucho en el cerebro. Cuando el cerebro libera dopamina, es como una señal de placer proveniente del éxito. En otras palabras, la dopamina está ligada a la sensación de motivación. Los receptores de dopamina en su cerebro se activan cuando el cerebro libera el ligando dopamina. Cuando los receptores están llenos de dopamina, su cerebro se siente como si hubiera hecho algo bueno. Este centro de recompensa común se puede deshacer fácilmente con drogas como la cocaína y la metanfetamina.
Estos fármacos, en lugar de competir directamente con el ligando, en realidad aumentan su eficacia. Hacen esto limitando la cantidad de dopamina que se puede reciclar. Por lo tanto, el cerebro permanece en un estado constante de sentirse «recompensado». Este es el sentimiento peligroso que puede conducir fácilmente a la adicción a las drogas. Aunque la lógica te dice que las drogas son malas, los sentimientos producidos por tu cerebro y la dopamina extra se sienten reales y te dicen que uses más la droga.
Otros usos del ligando
Los ligandos se utilizan en muchas otras aplicaciones por las células. Las proteínas que controlan pueden variar ampliamente en tipo y función. Algunos ligandos, como la insulina, se utilizan para señalar varias cosas al metabolismo de cada célula. El cerebro utiliza otro ligando, como la acetilcolina, para transferir impulsos nerviosos entre nervios. En este caso, abre un canal controlado por ligando, que permite que el impulso eléctrico fluya hacia la celda y recorra su longitud. Esta celda luego transmitirá acetilcolina a la siguiente celda y la señal continuará.
Algunas enzimas están controladas por ligandos reguladores, que activan eficazmente la enzima. Sin él, no tienen la forma adecuada para transformar las moléculas sobre las que operan. Sin embargo, cuando el ligando está presente, estas enzimas cobran vida y funcionan correctamente. Se necesitan muchos ligandos para controlar el metabolismo y otros procesos complejos. Cada ligando tiene una cierta afinidad, que es importante, y también un punto en el que los receptores se saturan. Por encima de este límite, ninguna concentración más alta de ligando producirá una reacción mayor.
En química general, un ligando puede referirse a cualquier molécula unida a un metal de transición. Este no es el caso de la biología. En biología, un ligando es cualquier molécula que se adhiere de forma reversible a una proteína. Estos se utilizan normalmente en la señalización celular y la regulación celular, pero tienen muchos otros usos.
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