stringtranslate.com

Солевой мостик (белковый и супрамолекулярный)

Рисунок 1. Пример солевого мостика между аминокислотами глутаминовой кислотой и лизином, демонстрирующий электростатическое взаимодействие и водородную связь.

В химии солевой мостик представляет собой комбинацию двух нековалентных взаимодействий : водородной связи и ионной связи (рисунок 1). Ионная пара является одной из важнейших нековалентных сил в химии, в биологических системах, в различных материалах и во многих приложениях, таких как ионно-парная хроматография . Это наиболее часто наблюдаемый вклад в устойчивость энтропийно невыгодной складчатой ​​конформации белков. Хотя известно, что нековалентные взаимодействия являются относительно слабыми взаимодействиями, небольшие стабилизирующие взаимодействия могут суммироваться, чтобы внести важный вклад в общую устойчивость конформера. [1] Солевые мостики встречаются не только в белках, но их также можно найти в супрамолекулярной химии . Термодинамика каждого из них исследуется с помощью экспериментальных процедур для оценки вклада свободной энергии солевого мостика в общую свободную энергию состояния.

Солевые мостики в химических связях

В воде образование солевых мостиков или ионных пар в основном обусловлено энтропией, обычно сопровождающейся неблагоприятными вкладами ΔH из-за десольватации взаимодействующих ионов при ассоциации. [2] Водородные связи способствуют стабильности ионных пар , например, с протонированными ионами аммония , а с анионами образуются путем депротонирования, как в случае карбоксилата , фосфата и т. д.; тогда константы ассоциации зависят от pH. Энтропийные движущие силы для образования ионных пар (при отсутствии значительных вкладов водородных связей) также обнаруживаются в метаноле как растворителе. В неполярных растворителях образуются контактные ионные пары с очень высокими константами ассоциации; [3] [4] в газовой фазе энергии ассоциации, например, щелочных галогенидов достигают 200 кДж/моль. [5] Уравнение Бьеррума или Фуосса описывает ассоциацию ионных пар как функцию зарядов ионов zA и zB и диэлектрической проницаемости ε среды; соответствующий график стабильности ΔG против zAzB показывает для более чем 200 ионных пар ожидаемую линейную корреляцию для большого разнообразия ионов. [6] Неорганические, а также органические ионы демонстрируют при умеренной ионной силе I схожие значения ассоциации солевого мостика ΔG около 5-6 кДж/моль для комбинации аниона и катиона 1:1, почти независимо от природы (размера, поляризуемости и т. д.) ионов. [7] [8] Значения ΔG являются аддитивными и приблизительно линейной функцией зарядов, взаимодействие, например, двухзарядного фосфатного аниона с однозарядным катионом аммония составляет около 2x5 = 10 кДж/моль. Значения ΔG зависят от ионной силы I раствора, как описано уравнением Дебая-Хюккеля , при нулевой ионной силе наблюдается ΔG = 8 кДж/моль. Стабильность пар щелочных ионов в зависимости от заряда аниона z можно описать более подробным уравнением. [9]

Солевые мостики обнаружены в белках

Рисунок 2. Дикий тип (слева) и мутировавшая (справа) форма ламина А (LMNA, PDB: 1IFR). Обычно аргинин 527 (синий) образует солевой мостик с глутаматом 537 (пурпурный), но мутация R527L вызывает потерю комплементарного отрицательного заряда и дестабилизацию структуры. На уровне фенотипа это проявляется в виде перекрывающейся мандибулоакральной дисплазии и синдрома прогерии . [10]

Солевой мостик чаще всего возникает из анионного карбоксилата (RCOO − ) аспарагиновой или глутаминовой кислоты и катионного аммония (RNH 3 + ) лизина или гуанидиния (RNHC(NH 2 ) 2 + ) аргинина (рисунок 2). [1] Хотя они являются наиболее распространенными, другие остатки с ионизируемыми боковыми цепями, такие как гистидин , тирозин и серин, также могут участвовать, в зависимости от внешних факторов, нарушающих их pK a . Расстояние между остатками, участвующими в солевом мостике, также упоминается как важное. Требуемое расстояние NO составляет менее 4 Å (400 пм). Аминокислоты, находящиеся дальше этого расстояния, не считаются образующими солевой мостик. [11] Из-за многочисленных ионизируемых боковых цепей аминокислот, обнаруженных по всему белку, pH, при котором находится белок, имеет решающее значение для его стабильности.

Солевые мостики, обнаруженные в комплексах белок-лиганд

Солевые мостики также могут образовываться между белком и лигандами малых молекул. Было обнаружено, что более 1100 уникальных комплексов белок-лиганд из Protein Databank образуют солевые мостики со своими белковыми мишенями, что указывает на то, что солевые мостики часто встречаются во взаимодействии лекарств и белков. [12] Они содержат структуры из разных классов ферментов, включая гидролазы, трансферазы, киназы, редуктазу, оксидоредуктазу, лиазы и рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCR).

Методы количественной оценки стабильности солевых мостиков в белках

Рисунок 3. Солевой мостик в лизоциме Т4 между аспарагиновой кислотой (Asp) в остатке 70 и гистидином (His) в остатке 31

Вклад солевого мостика в общую стабильность свернутого состояния белка можно оценить с помощью термодинамических данных, собранных из исследований мутагенеза и методов ядерного магнитного резонанса. [13] Используя мутированный белок псевдодикого типа, специально мутированный для предотвращения осаждения при высоком pH, вклад солевого мостика в общую свободную энергию свернутого состояния белка можно определить, выполнив точечную мутацию, изменив и, следовательно, разрушив солевой мостик. Например, было установлено, что солевой мостик существует в лизоциме T4 между аспарагиновой кислотой (Asp) в остатке 70 и гистидином (His) в остатке 31 (рисунок 3). Был проведен сайт-направленный мутагенез с аспарагином (Asn) (рисунок 4) с получением трех новых мутантов: Asp70Asn His31 (мутант 1), Asp70 His31Asn (мутант 2) и Asp70Asn His31Asn (двойной мутант).

Рисунок 4. Мутагенез солевого мостика лизоцима Т4 между Asp 70 и His 31

После того, как мутанты установлены, можно использовать два метода для расчета свободной энергии, связанной с солевым мостиком. Один метод включает наблюдение за температурой плавления дикого типа белка по сравнению с температурой плавления трех мутантов. Денатурацию можно отслеживать по изменению кругового дихроизма . Снижение температуры плавления указывает на снижение стабильности. Это количественно определяется с помощью метода, описанного Бектелем и Шеллманом, где разница свободной энергии между ними рассчитывается через Δ T Δ S . [14] С этим расчетом есть некоторые проблемы, и его можно использовать только с очень точными данными. [ необходима цитата ] В примере с лизоцимом T4 Δ S псевдодикого типа ранее сообщалось при pH 5,5, поэтому разница температур в средней точке 11 °C при этом pH, умноженная на сообщенное Δ S в 360 кал/(моль·K) (1,5 кДж/(моль·K)) дает изменение свободной энергии примерно на −4 ккал/моль (−17 кДж/моль). Это значение соответствует количеству свободной энергии, вносимой в стабильность белка солевым мостиком.

Рисунок 5. Кривая титрования между диким типом (синий) и мутантом (красный)

Второй метод использует спектроскопию ядерного магнитного резонанса для расчета свободной энергии солевого мостика. Титрование выполняется с регистрацией химического сдвига, соответствующего протонам углерода, соседствующего с карбоксилатной или аммонийной группой. Средняя точка кривой титрования соответствует p K a или pH, при котором соотношение протонированных: депротонированных молекул составляет 1:1. Продолжая пример с лизоцимом T4, кривая титрования получается путем наблюдения за сдвигом протона C2 гистидина 31 (рисунок 5). На рисунке 5 показан сдвиг в кривой титрования между диким типом и мутантом, в котором Asp70 является Asn. Образованный солевой мостик находится между депротонированным Asp70 и протонированным His31. Это взаимодействие вызывает сдвиг, наблюдаемый в p K a His31 . В развернутом белке дикого типа, где солевой мостик отсутствует, His31, как сообщается, имеет ap K a 6,8 в буферах H 2 O умеренной ионной силы. На рисунке 5 показано ap K a дикого типа 9,05. Эта разница в p K a поддерживается взаимодействием His31 с Asp70. Чтобы сохранить солевой мостик, His31 будет пытаться удерживать свой протон как можно дольше. Когда солевой мостик разрушается, как в мутанте D70N, p K a смещается обратно к значению 6,9, что гораздо ближе к значению His31 в развернутом состоянии.

Разницу в p K a можно количественно оценить, чтобы отразить вклад солевого мостика в свободную энергию. Используя свободную энергию Гиббса : Δ G  = − RT  ln( K eq ), где R — универсальная газовая постоянная, T — температура в градусах Кельвина, а K eq — константа равновесия реакции в равновесии. Депротонирование His31 — это реакция кислотного равновесия со специальным K eq , известным как константа диссоциации кислоты , K a : His31-H + ⇌ His31 + H + . Затем p K a связано с K a следующим образом: p K a = −log( K a ). Расчет разницы свободной энергии мутанта и дикого типа теперь можно выполнить, используя уравнение свободной энергии, определение p K a , наблюдаемые значения p K a и соотношение между натуральными логарифмами и логарифмами. В примере с лизоцимом Т4 этот подход дал расчетный вклад около 3 ккал/моль в общую свободную энергию. [13] Похожий подход можно применить к другому участнику солевого мостика, такому как Asp70 в примере с лизоцимом Т4, путем отслеживания его сдвига в p K a после мутации His31.

Предостережение при выборе подходящего эксперимента касается расположения солевого мостика внутри белка. Окружающая среда играет большую роль во взаимодействии. [15] При высокой ионной силе солевой мостик может быть полностью замаскирован, поскольку задействовано электростатическое взаимодействие. Солевой мостик His31-Asp70 в лизоциме T4 был зарыт внутри белка. Энтропия играет большую роль в поверхностных солевых мостиках, где остатки, которые обычно имеют возможность двигаться, ограничены их электростатическим взаимодействием и водородными связями. Было показано, что это снижает энтропию достаточно, чтобы почти стереть вклад взаимодействия. [16] Поверхностные солевые мостики можно изучать аналогично зарытым солевым мостикам, используя циклы двойных мутантов и титрование ЯМР. [17] Хотя существуют случаи, когда зарытые солевые мостики способствуют стабильности, как и все остальное, существуют исключения, и зарытые солевые мостики могут оказывать дестабилизирующее действие. [11] Кроме того, поверхностные солевые мостики при определенных условиях могут оказывать стабилизирующее действие. [15] [17] Стабилизирующий или дестабилизирующий эффект должен оцениваться в каждом конкретном случае, и здесь невозможно сделать несколько общих заявлений.

Супрамолекулярная химия

Рисунок 6. Молекулярная капсула «яичной скорлупы»
Рисунок 7. Переплетение солевых мостиков, соединяющих две половины молекулярной капсулы.

Супрамолекулярная химия — это область, занимающаяся нековалентными взаимодействиями между макромолекулами. Солевые мостики использовались химиками в этой области разнообразными и креативными способами, включая обнаружение анионов, синтез молекулярных капсул и двойных спиральных полимеров.

Анионное комплексообразование

Основной вклад супрамолекулярной химии был направлен на распознавание и восприятие анионов. [18] [19] [20] [21] [22] [23] Ионная пара является наиболее важной движущей силой комплексообразования анионов, но селективность, например, в ряду галогенидов, была достигнута, в основном, за счет вклада водородных связей.

Молекулярные капсулы

Молекулярные капсулы представляют собой химические каркасы, предназначенные для захвата и удержания гостевой молекулы (см. молекулярная инкапсуляция ). Шумна и его коллеги разработали новую молекулярную капсулу с хиральным внутренним пространством. [24] Эта капсула состоит из двух половинок, как пластиковое пасхальное яйцо (рисунок 6). Взаимодействие солевых мостиков между двумя половинами заставляет их самоорганизовываться в растворе (рисунок 7). Они стабильны даже при нагревании до 60 °C.

Двойные спиральные полимеры

Яшима и его коллеги использовали солевые мостики для создания нескольких полимеров, которые принимают конформацию двойной спирали, очень похожую на ДНК . [25] В одном примере они включили платину для создания двухспирального металлополимера. [26] Начиная с их мономера и бифенила платины (II) (рисунок 8), их металлополимер сам собирается посредством серии реакций обмена лигандами . Две половины мономера закреплены вместе посредством солевого мостика между депротонированным карбоксилатом и протонированными азотами.

Рисунок 8. Самосборка двухспирального металлополимера.

Ссылки

  1. ^ ab Dougherty, Dennis A. (2006). Современная физическая органическая химия . Sausalito, CA: University Science Books. ISBN 978-1-891389-31-3.
  2. ^ Marcus Y, Hefter G (ноябрь 2006 г.). «Ионная пара». Chemical Reviews . 106 (11): 4585–621. doi :10.1021/cr040087x. PMID  17091929.
  3. ^ Айзекс Н (1996). Физическая органическая химия (2-е изд.). Англия: Longmans. ISBN 978-0582218635. [ нужна страница ]
  4. ^ Ионные взаимодействия в природных и синтетических макромолекулах (редакторы А. Чиферри и А. Перико), 2012 John Wiley & Sons, Inc., стр. 35 и далее ISBN 978-0-470-52927-0 . 
  5. ^ Chase MW (1998). Термохимические таблицы NIST-JANAF . J. Phys. Chem. Ref. Data. Том. Монография 9 (Четвертое изд.). С. 1–1951.
  6. ^ Schneider HJ, Yatsimirsky AK, ред. (2000). Принципы и методы в супрамолекулярной химии . Чичестер: Wiley. ISBN 978-0-471-97253-2. [ нужна страница ]
  7. ^ Biedermann F, Schneider HJ (май 2016). «Экспериментальные энергии связывания в супрамолекулярных комплексах». Chemical Reviews . 116 (9): 5216–300. doi :10.1021/acs.chemrev.5b00583. PMID  27136957.
  8. ^ Шнайдер HJ (2009). «Механизмы связывания в супрамолекулярных комплексах». Ангеванде Хеми . 48 (22): 3924–77. дои : 10.1002/anie.200802947. ПМИД  19415701.
  9. ^ Daniele PG, Foti C, Gianguzza A, Prenesti E, Sammartano S (2008). «Слабые комплексы щелочных и щелочноземельных металлов с низкомолекулярными лигандами в водном растворе». Coordination Chemistry Reviews . 252 (10–11): 1093–1107. doi :10.1016/j.ccr.2007.08.005.
  10. ^ Al-Haggar M, Madej-Pilarczyk A, Kozlowski L, Bujnicki JM, Yahia S, Abdel-Hadi D, Shams A, Ahmad N, Hamed S, Puzianowska-Kuznicka M (ноябрь 2012 г.). «Новая гомозиготная мутация p.Arg527Leu LMNA в двух неродственных египетских семьях вызывает перекрывающуюся мандибулоакральную дисплазию и синдром прогерии». European Journal of Human Genetics . 20 (11): 1134–40. doi :10.1038/ejhg.2012.77. PMC 3476705 . PMID  22549407. 
  11. ^ ab Kumar S, Nussinov R (июль 2002 г.). «Электростатические взаимодействия близкого радиуса действия в белках». ChemBioChem . 3 (7): 604–17. doi :10.1002/1439-7633(20020703)3:7<604::AID-CBIC604>3.0.CO;2-X. PMID  12324994.
  12. ^ Курчаб, Рафал; Слива, Павел; Ратай, Кшиштоф; Кафель, Рафал; Боярский, Анджей Ю. (26 ноября 2018 г.). «Солевой мостик в лиганд-белковых комплексах – систематические теоретические и статистические исследования». Журнал химической информации и моделирования . 58 (11): 2224–2238. doi : 10.1021/acs.jcim.8b00266. ISSN  1549-960Х. ПМИД  30351056.
  13. ^ ab Anderson DE, Becktel WJ, Dahlquist FW (март 1990). "pH-индуцированная денатурация белков: один солевой мостик вносит 3-5 ккал/моль в свободную энергию сворачивания лизоцима Т4". Биохимия . 29 (9): 2403–8. doi :10.1021/bi00461a025. PMID  2337607.
  14. ^ Becktel WJ, Schellman JA (ноябрь 1987). «Кривые стабильности белков». Биополимеры . 26 (11): 1859–77. doi :10.1002/bip.360261104. PMID  3689874.
  15. ^ ab Horovitz A, Serrano L, Avron B, Bycroft M, Fersht AR (декабрь 1990 г.). «Сила и кооперативность вкладов поверхностных солевых мостиков в стабильность белка». Журнал молекулярной биологии . 216 (4): 1031–44. doi :10.1016/S0022-2836(99)80018-7. PMID  2266554.
  16. ^ Sun DP, Sauer U, Nicholson H, Matthews BW (июль 1991 г.). «Вклад сконструированных поверхностных солевых мостиков в стабильность лизоцима Т4, определяемую направленным мутагенезом». Биохимия . 30 (29): 7142–53. doi :10.1021/bi00243a015. PMID  1854726.
  17. ^ ab Strop P, Mayo SL (февраль 2000). "Вклад поверхностных солевых мостиков в стабильность белка" (PDF) . Биохимия . 39 (6): 1251–5. doi :10.1021/bi992257j. PMID  10684603.
  18. ^ Бьянки А., Боумен-Джеймс К., Гарсия-Эспанья Э., ред. (1997). Супрамолекулярная химия анионов . Нью-Йорк: Wiley-VCH. ISBN 9780471186229.
  19. ^ Bowman-James K, Bianchi A, García-Espana E, ред. (2012). Анионная координационная химия . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3527323708.
  20. ^ Sessler JL, Gale PA, Cho WS, ред. (2006). Химия анионных рецепторов . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN 978-0854049745.
  21. ^ Gale PA, Dehaen W, ред. (2010). Распознавание анионов в супрамолекулярной химии . Springer Science. Bibcode :2010arsc.book.....G. ISBN 978-3642264702.
  22. ^ Busschaert N, Caltagirone C, Van Rossom W, Gale PA (май 2015 г.). «Применение распознавания супрамолекулярного аниона». Chemical Reviews . 115 (15): 8038–155. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00099 . PMID  25996028.
  23. ^ Evans NH, Beer PD (октябрь 2014 г.). «Достижения в супрамолекулярной химии анионов: от распознавания до химических приложений» (PDF) . Angewandte Chemie International Edition . 53 (44): 11716–54. doi :10.1002/anie.201309937. PMID  25204549.
  24. ^ Kuberski B, Szumna A (апрель 2009). «Самоорганизующаяся хиральная капсула с полярным внутренним пространством». Chemical Communications (15): 1959–61. doi :10.1039/b820990a. PMID  19333456.
  25. ^ Liu J, Lam JW, Tang BZ (ноябрь 2009 г.). «Ацетиленовые полимеры: синтезы, структуры и функции». Chemical Reviews . 109 (11): 5799–867. doi :10.1021/cr900149d. PMID  19678641.
  26. ^ Ikeda M, Tanaka Y, Hasegawa T, Furusho Y, Yashima E (май 2006 г.). «Строительство двухцепочечных металлосупрамолекулярных полимеров с контролируемой спиральностью путем комбинации солевых мостиков и координации металла». Журнал Американского химического общества . 128 (21): 6806–7. doi :10.1021/ja0619096. PMID  16719458.