Молекулярное связывание

Привлекательное взаимодействие между двумя молекулами

Молекулярное связывание — это притягивающее взаимодействие между двумя молекулами , которое приводит к устойчивой ассоциации, при которой молекулы находятся в непосредственной близости друг к другу. Он образуется, когда атомы или молекулы связываются вместе за счет совместного использования электронов. Часто, но не всегда, это связано с химической связью .

В некоторых случаях ассоциации могут быть весьма сильными — например, белок стрептавидин и витамин биотин имеют константу диссоциации (отражающую соотношение между связанным и свободным биотином) порядка 10–14 ^— и поэтому реакции фактически необратимы. . Результатом молекулярного связывания иногда является образование молекулярного комплекса, в котором силы притяжения, удерживающие компоненты вместе, обычно нековалентны и, следовательно, обычно энергетически слабее, чем ковалентные связи .

Молекулярное связывание происходит в биологических комплексах (например, между парами или наборами белков или между белком и небольшой молекулой- лигандом, с которым он связывается), а также в абиологических химических системах, например, в случае координационных полимеров и координационных сетей, таких как металлоорганические. рамки .

Типы

Молекулярное связывание можно разделить на следующие типы: ^[1]

• Нековалентность – между двумя взаимодействующими молекулами не образуется никаких химических связей, поэтому ассоциация полностью обратима.
• Обратимая ковалентная - образуется химическая связь, однако разница свободной энергии, отделяющая реагенты с нековалентной связью от связанного продукта, близка к равновесию , а активационный барьер относительно низок, так что легко протекает обратная реакция, которая разрывает химическую связь.
• Необратимая ковалентная – образуется химическая связь, при которой продукт термодинамически гораздо более стабилен, чем реагирующие вещества, поэтому обратная реакция не происходит.

Связанные молекулы иногда называют «молекулярным комплексом» — этот термин обычно относится к нековалентным ассоциациям. ^[2] Нековалентные взаимодействия могут фактически стать необратимыми; например, ингибиторы ферментов с сильным связыванием могут иметь кинетику, очень напоминающую необратимые ковалентные ингибиторы. Среди наиболее тесных известных белок-белковых комплексов находится комплекс между ферментом ангиогенином и ингибитором рибонуклеазы ; константа диссоциации белков человека составляет 5x10 ^-16 моль/л. ^{[3] [4]} Другим биологическим примером является связывающий белок стрептавидин , обладающий необычайно высоким сродством к биотину (витамин B7/H, константа диссоциации , K _d ≈10 ^-14 моль/л). ^[5] В таких случаях, если условия реакции изменяются (например, белок перемещается в среду, где концентрации биотина очень низки, или изменяются pH или ионные условия), может ускориться обратная реакция. Например, взаимодействие биотин-стрептавидин можно нарушить, инкубируя комплекс в воде при температуре 70 ° C, не повреждая ни одну молекулу. ^[6] Пример изменения локальной концентрации, вызывающего диссоциацию, можно найти в эффекте Бора , который описывает диссоциацию лигандов гемоглобина в легких по сравнению с периферическими тканями. ^[5]

Некоторые белок-белковые взаимодействия приводят к образованию ковалентных связей ^[7] , а некоторые фармацевтические препараты являются необратимыми антагонистами , которые могут быть или не быть ковалентно связанными. ^[8] Открытие лекарств проходило через периоды, когда кандидаты на лекарства, которые ковалентно связываются со своими целями, были привлекательными, а затем их избегали; успех бортезомиба сделал в конце 2000-х годов кандидаты на ковалентное связывание на основе бора более привлекательными. ^{[9] [10]}

Движущая сила

Чтобы комплекс был стабильным, свободная энергия комплекса по определению должна быть ниже, чем у молекул, разделенных растворителем. Связывание может быть в первую очередь обусловлено энтропией (высвобождение упорядоченных молекул растворителя вокруг изолированной молекулы, что приводит к чистому увеличению энтропии системы). Когда растворителем является вода, это известно как гидрофобный эффект . Альтернативно, связывание может быть обусловлено энтальпией , когда нековалентные силы притяжения, такие как электростатическое притяжение, водородная связь и дисперсионные силы Ван-дер-Ваальса / Лондона , в первую очередь ответственны за образование стабильного комплекса. ^[11] Комплексы, которые имеют сильный вклад энтропии в образование, как правило, имеют слабый вклад энтальпии. И наоборот, комплексы с сильным энтальпийным компонентом имеют тенденцию иметь слабый энтропийный компонент. Это явление известно как энтальпийно-энтропийная компенсация . ^[12]

Измерение

Силу связи между компонентами молекулярного комплекса количественно измеряют константой связывания (K _A ), определяемой как отношение концентрации комплекса к произведению концентраций изолированных компонентов при равновесии в мольных единицах:

${\displaystyle A+B\rightleftharpoons AB:\log K_{A}=\log \left({\frac {[AB]}{[A][B]}}\right)=-pK_{A}}$

Когда молекулярный комплекс препятствует нормальному функционированию фермента , константу связывания также называют константой ингибирования (K _I ).

Примеры

Молекулы, которые могут участвовать в молекулярном связывании, включают белки , нуклеиновые кислоты , углеводы , липиды и небольшие органические молекулы, такие как лекарства . Следовательно, к типам комплексов, образующихся в результате молекулярного связывания, относятся:

• белок-белок ^[13]
• белок– ДНК ^[14]
• белок- гормон
• белок-лекарство ^[15]

Белки, которые образуют стабильные комплексы с другими молекулами, часто называют рецепторами , а их партнеры по связыванию — лигандами . ^[16]

Смотрите также

• Рецептор (биохимия)
• Супрамолекулярная химия

Рекомендации

1. Смит А.Дж., Чжан X, Лич А.Г., Хоук К.Н. (январь 2009 г.). «Помимо пикомолярного сродства: количественные аспекты нековалентного и ковалентного связывания лекарств с белками». Журнал медицинской химии . 52 (2): 225–33. дои : 10.1021/jm800498e. ПМЦ  2646787 . ПМИД  19053779.
2. «Определение молекулярного комплекса». Сборник химической терминологии: Золотая книга . Международный союз теоретической и прикладной химии. 19 августа 2012 г. дои : 10.1351/goldbook.C01203 . Молекулярное образование, образованное в результате свободной ассоциации, включающей два или более молекулярных компонента (ионных или незаряженных) или соответствующие химические соединения. Связь между компонентами обычно слабее, чем при ковалентной связи. Этот термин также использовался с различными оттенками значения в разных контекстах: поэтому его лучше избегать, когда применима более явная альтернатива. В неорганической химии вместо термина «комплекс» рекомендуется использовать термин «координационная единица».
3. Папагеоргиу AC, Шапиро Р., Ачарья К.Р. (сентябрь 1997 г.). «Молекулярное распознавание ангиогенина человека ингибитором плацентарной рибонуклеазы - рентгеновское кристаллографическое исследование при разрешении 2,0 А». Журнал ЭМБО . 16 (17): 5162–77. дои : 10.1093/emboj/16.17.5162. ПМК 1170149 . ПМИД  9311977. 
4. Диксон К.А., Хейгис MC, Рейнс RT (2005). «Ингибитор рибонуклеазы: строение и функции». Прогресс в исследованиях нуклеиновых кислот и молекулярной биологии . 80 : 349–374. дои : 10.1016/S0079-6603(05)80009-1. ISBN 9780125400800. ПМК  2811166 . ПМИД  16164979.
5. Грин, Нью-Мексико (1975). «Авидин». Достижения в области химии белков . 29 : 85–133. дои : 10.1016/s0065-3233(08)60411-8. ISBN 9780120342297. ПМИД  237414.
6. Холмберг А., Бломстергрен А., Норд О., Лукач М., Лундеберг Дж., Улен М. (февраль 2005 г.). «Взаимодействие биотина и стрептавидина можно обратимо разорвать с помощью воды при повышенных температурах». Электрофорез . 26 (3): 501–510. дои : 10.1002/elps.200410070. PMID  15690449. S2CID  16058388.
7. Вестермарк Дж., Иваска Дж., Корталс Г.Л. (июль 2013 г.). «Идентификация белковых взаимодействий, участвующих в клеточной передаче сигналов». Молекулярная и клеточная протеомика . 12 (7): 1752–63. дои : 10.1074/mcp.R113.027771. ПМК 3708163 . ПМИД  23481661. {{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка )
8. Позвонил HP, Риттер Дж. М. (2007). Фармакология Ранга и Дейла (6-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Черчилль Ливингстон/Эльзевир. п. 19. ISBN 978-0-443-06911-6.
9. Хантер П. (февраль 2009 г.). «Совсем не скучно. Бор — это новый углерод в поисках новых кандидатов на лекарства». Отчеты ЭМБО . 10 (2): 125–8. дои : 10.1038/embor.2009.2. ПМЦ 2637326 . ПМИД  19182828. 
10. Лондон Н., Миллер Р.М., Кришнан С., Учида К., Ирвин Дж.Дж., Эйдам О., Гибольд Л., Цимерманчич П., Боннет Р., Шойчет Б.К., Тонтон Дж. (декабрь 2014 г.). «Ковалентная стыковка больших библиотек для открытия химических зондов». Химическая биология природы . 10 (12): 1066–72. дои : 10.1038/nchembio.1666. ПМЦ 4232467 . ПМИД  25344815. 
11. Миямото С., Коллман, Пенсильвания (сентябрь 1993 г.). «От чего зависит сила нековалентной ассоциации лигандов с белками в водном растворе?». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (18): 8402–6. Бибкод : 1993PNAS...90.8402M. дои : 10.1073/pnas.90.18.8402 . ПМЦ 47364 . ПМИД  8378312. 
12. Купер А (октябрь 1999 г.). «Термодинамический анализ биомолекулярных взаимодействий». Современное мнение в области химической биологии . 3 (5): 557–63. дои : 10.1016/S1367-5931(99)00008-3. ПМИД  10508661.
13. Фу Х (2004). Белко-белковые взаимодействия: методы и приложения . Тотова, Нью-Джерси: Humana Press. ISBN 1-58829-120-0.
14. Зейтц Х (2007). Аналитика взаимодействий белка и ДНК (достижения биохимической инженерии / биотехнологии) . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-540-48147-8.
15. Фолкерс Г., Бём Х.Дж., Шнайдер Г., Маннхольд Р., Кубиньи Х. (2003). Белково-лигандные взаимодействия от молекулярного распознавания до разработки лекарств . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3-527-30521-1.
16. Клоц ИМ (1997). Лиганд-рецепторная энергетика: руководство для недоумевающих . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-17626-5.