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Affinitätsreaktionen

Bindung in homogener Phase

Die Bindung eines Liganden an die Bindungsstelle eines Rezeptors ist aufgrund der kumulativen, attraktiven Bindungskräfte stark exergonisch. Die freie Standardbildungsenthalpie biologisch relevanter Affinitätsreaktionen liegt zwischen 20 und 80 $kJ {mol}^{-1}$ und damit immer noch deutlich unter der einer kovalenten Bindung (ca. 380 $kJ {mol}^{-1}$ für eine C-C-Einfachbindung). Die Gleichgewichtskonstanten von Affinitätsreaktionen (im Folgenden als Bindungskonstanten oder Affinitätskonstanten bezeichnet) liegen damit in einem Bereich von $10^{3}$ $L {mol}^{-1}$ bis $10^{15}$ $L {mol}^{-1}$ . Durch die Bindungskonstante $K$ sind die Konzentrationen von Ligand, Rezeptor und Ligand-Rezeptor-Komplex im Gleichgewicht

Abb.1

Rezeptor-Ligand-Gleichgewicht (Target-Inhibitor-Gleichgewicht)

über das Massenwirkungsgesetz gegeben:

K = \frac{k_{a}}{k_{d}} = \frac{c_{R L}}{c_{R} \cdot c_{L}}

Die Bindungskonstanten werden üblicherweise über die Gleichgewichtskonzentrationen bestimmt. Die Bindungskonstante gibt Aufschluss über die thermodynamischen Eigenschaften der Wechselwirkung. Ihr Wert lässt Aussagen über die Stärke der Bindung zu und ihre Temperaturabhängigkeit gibt Aufschluss über den Anteil von Enthalpie und Entropie. Über den dynamischen Verlauf der Reaktion sagt sie jedoch nichts aus. Die Geschwindigkeit der Wechselwirkung ist jedoch für die Interpretation von Mechanismus und Funktion der Affinitätsreaktion von zentraler Bedeutung. Häufig verläuft die Assoziation nach einem bimolekularen Mechanismus und die Dissoziation nach einem monomolekularen Mechanismus, so dass sich für die Entstehung des Ligand-Rezeptor-Komplexes die Geschwindigkeit

\frac{d c_{RL}}{d t} = k_{a} \cdot c_{R} \cdot c_{L} - k_{d} \cdot c_{RL}

ergibt, wobei die Geschwindigkeitskonstanten $k_{a}$ und $k_{d}$ im Folgenden als Assoziationsratenkonstante bzw. Dissoziationsratenkonstante bezeichnet werden.

Diffusionskontrollierte Reaktionen

Sofern keine starken Konformationsänderungen der Reaktionspartner notwendig sind, ist der Bindungsvorgang selbst - aufgrund der Natur der Wechselwirkungskräfte und geringer Aktivierungsbarrieren - sehr schnell. Die Geschwindigkeit der Assoziation ist daher oft nur durch die Häufigkeit, mit der Ligand und Rezeptor aufeinandertreffen, limitiert. Es handelt sich um diffusionskontrollierte Reaktionen.

Die Assoziationsratenkonstante $k_{a}$ ergibt sich unter dieser Annahme zu

k_{a} = 4 π \cdot D_{RL} \cdot (r_{R} + r_{L}) \cdot N_{A}

wobei $r_{R}$ , $r_{L}$ die Molekülradien von Ligand und Rezeptor, $D_{RL}$ den Diffusionskoeffizienten und $N_{A}$ die Avogadrozahl bezeichnen. Die Assoziationsratenkonstante liegt zwischen $10^{7}$ und $10^{8}$ $\frac{L}{mol \cdot s}$ für niedermolekulare Liganden und um zwei Größenordnungen niedriger bei makromolekularen Liganden.

Die Affinitätskonstanten $K$ , die mit den Geschwindigkeitskonstanten von Assoziations- und Dissoziationsreaktion zusammenhängen,

K = \frac{k_{a}}{k_{d}}

werden bei solchen Reaktionen durch die Dissoziationsratenkonstanten $k_{d}$ bestimmt und liegen normalerweise in einem Bereich von $10^{- 3}$ bis $10^{1}$ $s^{- 1}$ . Bei sehr hohen Affinitätskonstanten kann die Dissoziationsratenkonstante bis auf $10^{- 6}$ $s^{- 1}$ sinken (Avidin-Biotin-System). Solche Affinitätsreaktionen sind nahezu irreversibel.