Selektywność wiązania - Binding selectivity

Selektywność wiązania określa się w odniesieniu do wiązania ligandów do substratu tworzącego kompleks . Selektywność wiązania opisuje, w jaki sposób ligand może wiązać się bardziej preferencyjnie z jednym receptorem niż z drugim. Współczynnik selektywności jest stałą równowagi dla reakcji wypierania jednego liganda przez inny ligand w kompleksie z substratem. Selektywność wiązania ma duże znaczenie w biochemii i procesach separacji chemicznej .

Współczynnik selektywności

Pojęcie selektywności stosuje się do ilościowego określenia stopnia, w jakim jedna substancja chemiczna, A, wiąże każdą z dwóch innych substancji chemicznych, B i C. W najprostszym przypadku utworzone kompleksy mają stechiometrię 1:1 . Następnie dwie interakcje mogą być charakteryzowane przez stałe równowagi K _AB i K _AC .

${\displaystyle {\ce {{A}+B<=>AB;{\mathit {K}}_{AB}={\frac {[AB]}{[A][B]}}}}$

${\displaystyle {\ce {{A}+C<=>AC;{\mathit {K}}_{AC}={\frac {[AC]}{[A][C]}}}}}$

[X] reprezentuje stężenie substancji X (A, B, C, …). Współczynnik selektywność definiuje się jako stosunek dwóch stałych równowagi.

${\ Displaystyle K_ {{\ ce {B, C}}} = {\ Frac {K_ {{\ ce {AC}}}} {K_ {{\ ce {AB}}}}}}$

Ten współczynnik selektywności jest w rzeczywistości stałą równowagi dla reakcji przemieszczenia

${\ Displaystyle {\ ce {{AB} + C <=> {AC} + B; {\ mathit {K}} _ {B, C} = {\ Frac {[AC][B]}{[AB] [C]}}={\frac {{\mathit {K}}_{AC}[A][B][C]}{{\mathit {K}}_{AB}[A][B][ C]}}={\frac {{\mathit {K}}_{AC}}{{\mathit {K}}_{AB}}}}}}$

Łatwo wykazać, że ta sama definicja dotyczy kompleksów o różnej stechiometrii, A _p B _q i A _p C _q . Im wyższy współczynnik selektywności, tym bardziej ligand C wyprze ligand B z kompleksu utworzonego z substratem A. Alternatywną interpretacją jest to, że im wyższy współczynnik selektywności, tym mniejsze stężenie C, które jest potrzebne do wyparcia B z AB . Współczynniki selektywności określona eksperymentalnie poprzez pomiar dwóch stałych równowagi, K _AB i K _AC .

Aplikacje

Biochemia

W biochemii substrat jest znany jako receptor. Receptor jest cząsteczką białka osadzoną w błonie plazmatycznej lub cytoplazmie komórki, z którą może się wiązać jeden lub więcej specyficznych rodzajów cząsteczek sygnałowych. Ligandem może być peptydu lub inna mała cząsteczka, taka jak neuroprzekaźnik , jest hormon , środek farmaceutyczny, lub toksyna. Specyficzność receptora jest określona przez jego geometrię przestrzenną i sposób wiązania się z ligandem poprzez oddziaływania niekowalencyjne , takie jak wiązania wodorowe lub siły Van der Waalsa .

Jeśli receptor można wyizolować, można opracować lek syntetyczny, który będzie stymulował receptor ( agonista) lub go blokował ( antagonista) . Wrzód żołądka leku cymetydyna opracowano jako H ₂ antagonisty przez modyfikację chemicznie cząsteczki, z maksymalną specyficzność do izolowanej tkanki zawierającej receptor. Dalsze wykorzystanie ilościowych zależności struktura-aktywność (QSAR) doprowadziło do opracowania innych środków, takich jak ranitydyna .

Należy zauważyć, że „selektywność” w odniesieniu do leku jest względna, a nie bezwzględna. Na przykład, w wyższej dawce, specyficzna cząsteczka leku może również wiązać się z innymi receptorami niż te, o których mówi się, że są „selektywne”.

Terapia chelatująca

Deferypron

Penicylamina

Terapia chelatująca to forma leczenia, w której ligand chelatujący służy do selektywnego usuwania metalu z organizmu. Gdy metal występuje jako jon dwuwartościowy, taki jak ołów , Pb ²⁺ lub rtęć , selektywność Hg ²⁺ wobec wapnia , Ca ²⁺ i magnezu , Mg ²⁺ jest niezbędna, aby obróbka nie usuwała istotnych metali.

Selektywność zależy od różnych czynników. W przypadku przeładowania żelazem , które może wystąpić u osób z β- talemią , które otrzymały transfuzję krwi , docelowy jon metalu znajduje się na stopniu utlenienia +3 i tworzy silniejsze kompleksy niż jony dwuwartościowe. Tworzy również silniejsze kompleksy z ligandami tlenu-donora niż z ligandami azotu-donora. deferoksamina , naturalnie występujący siderofor wytwarzany przez Actinobacter Streptomyces pilosus i był początkowo stosowany jako środek do terapii chelatującej. Opracowano syntetyczne siderofory, takie jak deferypron i deferazyroks , wykorzystując jako punkt wyjścia znaną strukturę deferoksaminy. Chelatacja zachodzi z dwoma atomami tlenu.

Choroba Wilsona jest spowodowana defektem metabolizmu miedzi, który powoduje gromadzenie się miedzi metalicznej w różnych narządach ciała. Docelowy jon w tym przypadku jest dwuwartościowy, Cu ²⁺ . Jon ten jest klasyfikowany jako graniczny w schemacie Ahrlanda, Chatta i Daviesa. Oznacza to, że tworzy w przybliżeniu równie silne kompleksy z ligandami, których atomami donorowymi są N, O lub F, jak z ligandami, których atomami donorowymi są P, S lub Cl. Penicylamina , która zawiera donorowe atomy azotu i siarki, jest stosowana, ponieważ tego typu ligand silniej wiąże się z jonami miedzi niż z jonami wapnia i magnezu.

Leczenie zatruć metalami ciężkimi, takimi jak ołów i rtęć, jest bardziej problematyczne, ponieważ zastosowane ligandy nie mają wysokiej specyficzności w stosunku do wapnia. Na przykład EDTA można podawać jako sól wapniową w celu zmniejszenia usuwania wapnia z kości wraz z metalem ciężkim. Dokonano przeglądu czynników determinujących selektywność ołowiu względem cynku, kadmu i wapnia,

Chromatografia

W chromatografii kolumnowej mieszanina substancji jest rozpuszczana w fazie ruchomej i przepuszczana przez fazę stacjonarną w kolumnie. Współczynnik selektywności definiuje się jako stosunek współczynników dystrybucji , które opisują rozkład równowagi analitu między fazą stacjonarną a fazą ruchomą. Współczynnik selektywności jest równy współczynnikowi selektywności przy dodanym założeniu, że aktywność fazy stacjonarnej, w tym przypadku substratu, jest równa 1, standardowe założenie dla czystej fazy. Rozdzielczość kolumny chromatograficznej R _S jest związana ze współczynnikiem selektywności przez:

${\ Displaystyle R_ {S} = {\ Frac {\ sqrt {N}} {4}} \ lewo ({\ Frac {\ alfa -1} {\ alfa}} \ prawej) \ lewo ({\ Frac {K_ {B}}{1+k_{B}}}\prawo)}$

gdzie α to współczynnik selektywności, N to liczba półek teoretycznych k _A i k _B to współczynniki retencji dwóch analitów. Współczynniki retencji są proporcjonalne do współczynników dystrybucji. W praktyce można oddzielić substancje o współczynniku selektywności bardzo bliskim 1. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku chromatografii gazowo-cieczowej, gdzie możliwe są długości kolumn do 60 m, co zapewnia bardzo dużą liczbę półek teoretycznych.

W chromatografii jonowymiennej współczynnik selektywności definiowany jest w nieco inny sposób

Ekstrakcji rozpuszczalnikiem

Ekstrakcja rozpuszczalnikowa służy do ekstrakcji pojedynczych pierwiastków lantanowych z mieszanin występujących w naturze w rudach, takich jak monazyt . W jednym procesie jony metali w roztworze wodnym tworzą kompleksy z fosforanem tributylu (TBP), które są ekstrahowane do rozpuszczalnika organicznego, takiego jak nafta . Całkowite oddzielenie odbywa się przy użyciu metody wymiany przeciwprądowej . Szereg komórek jest ułożonych kaskadowo . Po zrównoważeniu wodny składnik każdej komórki jest przenoszony do poprzedniej komórki, a składnik organiczny jest przenoszony do następnej komórki, która początkowo zawiera tylko wodę. W ten sposób jon metalu o najbardziej stabilnym kompleksie przechodzi w dół kaskady w fazie organicznej, a metal o najmniej stabilnym kompleksie przechodzi w górę kaskady w fazie wodnej.

Jeśli rozpuszczalność w fazie organicznej nie stanowi problemu, współczynnik selektywności jest równy stosunkowi stałych stabilności kompleksów TBP dwóch jonów metali. Dla pierwiastków lantanoidowych, które sąsiadują w układzie okresowym, stosunek ten jest niewiele większy niż 1, więc w kaskadzie potrzeba wielu komórek.

Czujniki chemiczne

Rodzaje chemosensorów. (1.) Wskaźnik-przekładka-receptor (ISR) (2.) Test przemieszczenia wskaźnika (IDA)

Współczynnik selektywności potencjometrycznej określa zdolność elektrody jonoselektywnej do odróżniania jednego konkretnego jonu od innych. Współczynnik selektywności K _{B, C} jest oceniany za pomocą odpowiedzi emf elektrody jonoselektywnej w mieszanych roztworach jonu pierwotnego B i jonu zakłócającego C (metoda stałej interferencji) lub mniej korzystnie, w osobnych roztworach B i C (metoda oddzielnego rozwiązania). Na przykład, potasu jonoselektywną elektrody membranowej wykorzystuje się naturalnie występujące makrocykliczny antybiotyk walinomycyny . W tym przypadku wnęka w pierścieniu makrocyklicznym ma odpowiednią wielkość, aby zamknąć jon potasu, ale jest zbyt duża, aby silnie związać jon sodu, co jest najbardziej prawdopodobną interferencją.

Czujniki chemiczne , są opracowywane dla określonych cząsteczek docelowych i jonów, w których cel (gość) tworzy kompleks z czujnikiem (gospodarz). Czujnik został zaprojektowany tak, aby idealnie dopasować pod względem rozmiaru i kształtu celu, aby zapewnić maksymalną selektywność wiązania. Z czujnikiem związany jest wskaźnik, który ulega zmianie, gdy cel tworzy kompleks z czujnikiem. Zmiana wskaźnika jest zwykle zmianą koloru (na ilustracji z szarego na żółty) obserwowaną w absorbancji lub, z większą czułością, luminescencji . Wskaźnik może być przymocowany do czujnika za pomocą przekładki, w układzie ISR, lub może być odsunięty od czujnika, układ IDA.

Zobacz też

• Wiążący
• Podobieństwo
• Selektywność funkcjonalna

Uwagi

Bibliografia