Ein Ligand ist ein signalauslösendes Molekül, das zu spezifischen Rezeptorproteinstellen passt, die sich an Zellwänden im Körper eines lebenden Organismus befinden. Wenn ein Ligand in seine spezifische Proteinstelle passt, bewirkt er, dass sich die physikalische Form des Proteins ändert. Diese Veränderung der Form des Rezeptorproteins könnte dann einen anderen biologischen Mechanismus, der mit dieser spezifischen Interaktion verbunden ist, aktivieren oder hemmen. Die Art und Weise, wie Ligand und Protein zusammenpassen, und ihr resultierendes Produkt werden als Protein-Ligand-Wechselwirkungen bezeichnet.
Protein-Ligand-Wechselwirkungen sind sehr kompliziert. Alle Moleküle werden durch starke elektronische Kräfte zusammengehalten, die sie in ihrer dreidimensionalen Anordnung im Raum umgeben. Diese Kräfte können je nach elektronischer Struktur andere Moleküle abstoßen oder anziehen. Biologische Moleküle wirken oft wie Magnete mit gleicher oder entgegengesetzter Ladung, indem sie sich gegenseitig abstoßen oder anziehen.
Darüber hinaus beeinflusst die tatsächliche physikalische Konfiguration der biologischen Moleküle, ob sie zusammenpassen und wie genau die Passung sein muss. Einige biologische Moleküle sind flexibel und verbiegen sich in ihrer Umgebung, andere sind starrer. Jeder Rezeptor hat auch ein aktives Zentrum, das die spezifische Stelle ist, die die biologische Veränderung auslöst. Die Lage dieses aktiven Zentrums ist wichtig, um zu bestimmen, wie wahrscheinlich es ist, dass es aktiviert wird. Liganden und Proteine interagieren, während sie auf den Oberflächen von Zellen im Körper herumschweben, so dass die Passform nicht immer gerade ist, wie ein Schlüssel in ein Schloss passt.
Das Verständnis der Protein-Ligand-Wechselwirkungen ist entscheidend für die Entwicklung neuer therapeutischer Medikamente zur Behandlung von Krankheiten sowie für das Verständnis der biologischen Ursachen der Krankheit selbst. Für Forscher, die an Liganden-Protein-Wechselwirkungen für die Wirkstoffentwicklung interessiert sind, müssen zusätzliche Faktoren berücksichtigt werden. Einige dieser Überlegungen umfassen die Untersuchung, wie wirksam das neue Arzneimittel bei der Bindung an das interessierende Rezeptorprotein sein wird, mögliche Nebenwirkungen und der Mechanismus, durch den der Körper das Arzneimittel abbaut.
Es stehen zahlreiche chemische und Computermethoden zur Verfügung, um diese Wechselwirkungen zu untersuchen, die alle darauf basieren, die Form und Ladung des komplementären Liganden für den Rezeptor zu finden, den der Forscher verhaltensmodifizieren möchte. Computergestützte Designprogramme werden häufig verwendet, um Protein-Ligand-Interaktionen zu untersuchen und neue Medikamente zur Behandlung menschlicher Krankheiten zu entwickeln. Dies ist möglich, weil viele physikalische und chemische Eigenschaften von Molekülen gut bekannt sind, wie beispielsweise ihre elektronischen Strukturen.