Молекулярное связывание

Молекулярное связывание - это привлекательное взаимодействие между двумя молекулами, которое приводит к стабильной ассоциации, в которой молекулы находятся в непосредственной близости друг от друга. Он образуется, когда атомы или молекулы связываются вместе за счет обмена электронами. Часто, но не всегда, это связано с химическими связями.

В некоторых случаях ассоциации могут быть довольно 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, таким образом, обычно энергетически более слабые, чем ковалентные связи.

Молекулярное связывание происходит в биологических комплексах (например, между парами или наборами белков или между белком и низкомолекулярным лигандом, который он связывает), а также в абиологических химических системах, например, в случае координационных полимеров и координационных сетей, таких как металл-органические соединения. каркасы.

• 1 Типы
• 2 Движущая сила
• 3 Измерение
• 4 Примеры
• 5 См. Также
• 6 Ссылки

Молекулярное связывание можно разделить на следующие типы:

• нековалентный - между двумя взаимодействующими молекулами не образуются химические связи, поэтому ассоциация полностью обратима
• обратимая ковалентная - образуется химическая связь, однако разность свободной энергии, отделяющая нековалентно связанные реагенты от связанного продукта, близка к равновесию, а барьер активации относительно низок, так что обратная реакция, которая расщепляет химическую связь, легко происходит
• необратимая ковалентная - образуется химическая связь, в которой продукт термодинамически намного более стабилен, чем реагенты, так что обратная реакция не происходит.

Связанные молекулы иногда называют «молекулярным комплексом» - этот термин обычно относится к нековалентным ассоциациям. Нековалентные взаимодействия могут стать необратимыми; например, жесткий связывающие ингибиторы из ферментов могут иметь кинетику, которые близко напоминают необратимые ингибиторы ковалентных. Среди самых прочных известных белок-белковых комплексов находится комплекс между ферментом ангиогенином и ингибитором рибонуклеазы ; константа диссоциации белков человека составляет 5x10 ^-16 моль / л. Другой биологический пример - связывающий белок стрептавидин, который имеет чрезвычайно высокое сродство к биотину (витамин B7 / H, константа диссоциации, K d ≈ 10 ^-14 моль / л). В таких случаях, если условия реакции изменяются (например, белок перемещается в среду, в которой концентрации биотина очень низкие, или изменяются pH или ионные условия), может быть ускорена обратная реакция. Например, взаимодействие биотин-стрептавидин можно прервать, инкубируя комплекс в воде при 70 ° C, не повреждая ни одну из молекул. Пример изменения локальной концентрации, вызывающей диссоциацию, можно найти в эффекте Бора, который описывает диссоциацию лигандов из гемоглобина в легких по сравнению с периферическими тканями.

Некоторые белок-белковые взаимодействия приводят к ковалентному связыванию, а некоторые фармацевтические препараты являются необратимыми антагонистами, которые могут быть ковалентно связаны, а могут и не быть. Открытие лекарств проходило через периоды, когда кандидаты в лекарства, которые ковалентно связываются со своими мишенями, были привлекательными, а затем их избегали; Успех бортезомиба сделал кандидатов с ковалентным связыванием на основе бора более привлекательными в конце 2000-х годов.

Чтобы комплекс был стабильным, его свободная энергия 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 называется гидрофобным эффектом. В качестве альтернативы 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. Комплексы, которые имеют большой вклад энтропии в образование, как правило, имеют слабый вклад энтальпии. И наоборот, комплексы, которые имеют сильную энтальпийную составляющую, имеют тенденцию иметь слабую энтропийную составляющую. Это явление известно как энтальпийно-энтропийная компенсация.

Сила связывания между компонентами молекулярного комплекса количественно измеряется константой связывания (K A), определяемой как отношение концентрации комплекса, деленное на произведение концентраций изолированных компонентов в равновесии в молярных 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, константа связывания также называется константой ингибирования (K I).

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

• белок-белок
• белок– ДНК
• белок - гормон
• белок-лекарство

Белки, которые образуют стабильные комплексы с другими молекулами, часто называют рецепторами, а их партнеры по связыванию - лигандами.

• Рецептор (биохимия)
• Супрамолекулярная химия