Makromolekulare Interaktionen und Bindung

Die physikalische Chemie, wie Makromoleküle ihre Partner erkennen und binden, wodurch die Affinität und Spezifität festgelegt werden, die fast jedem biologischen Prozess zugrunde liegen.

Definition

Makromolekulare Bindung ist die reversible, nicht-kovalente Assoziation von zwei oder mehr Molekülen zu einem Komplex, thermodynamisch charakterisiert durch eine freie Bindungsenergie und kinetisch durch Assoziations- und Dissoziationsraten.

Scope

Dieses Thema behandelt das Gleichgewicht und die Energetik der Bindung: wie die Dissoziationskonstante die freie Bindungsenergie mit der Besetzung in Beziehung setzt, wie die Affinität in Enthalpie und Entropie aufgeteilt wird und wie die Komplementarität von Form und Chemie Spezifität erzeugt. Es umfasst Kooperativität und Konkurrenz auf konzeptioneller Ebene sowie die experimentellen Beobachtungsgrößen der Bindung, überlässt jedoch den allosterischen Mechanismus und die konformationelle Kopplung dem benachbarten Thema.

Core questions

• Wie verknüpft die Dissoziationskonstante die freie Bindungsenergie mit der fraktionellen Besetzung?
• Welches Gleichgewicht von Enthalpie und Entropie bestimmt die Bindungsaffinität?
• Wie erzeugen Form- und chemische Komplementarität Bindungsspezifität?
• Wie beeinflussen Kooperativität und Konkurrenz Bindungskurven?

Key theories

Gleichgewichtsbindung und die Dissoziationskonstante

Im Gleichgewicht folgt der Anteil der besetzten Bindungsstellen einer Sättigungskurve (Langmuir-/Hill-Typ), die durch die Ligandenkonzentration relativ zur Dissoziationskonstante bestimmt wird, welche selbst der Exponentialwert der freien Bindungsenergie ist.

Enthalpie-Entropie-Aufteilung der Affinität

Die freie Bindungsenergie kombiniert einen enthalpischen Term aus neuen Kontakten und einen entropischen Term, der den Verlust der Translationsfreiheit und die Freisetzung von geordnetem Lösungsmittel umfasst, sodass die Affinität eine Kompensation zwischen diesen Beiträgen widerspiegelt.

Mechanisms

Eine Grenzfläche bildet sich, wenn komplementäre Oberflächen Wasserstoffbrücken-Donoren und -Akzeptoren, geladene Gruppen und unpolare Bereiche in Übereinstimmung bringen, während verdrängtes und reorganisiertes Wasser einen großen Lösungsmittelbeitrag leistet. Die summierten schwachen Wechselwirkungen legen die Gleichgewichtskonstante fest; Spezifität entsteht, weil ein nicht-kognater Partner nicht dieselbe Komplementarität erfüllen kann. Kooperative Systeme, bei denen ein Bindungsereignis die Affinität anderer verändert, erzeugen sigmoide Bindungskurven, und die resultierenden Affinitäten werden durch Titrationskalorimetrie, oberflächenbasierte kinetische Assays und spektroskopische Titrationen ausgelesen.

Clinical relevance

Die quantitative Bindung liegt der Wirkung von Medikamenten, Antikörpern und Signalmolekülen auf ihre Zielstrukturen zugrunde, daher bilden die hier behandelten Konzepte von Affinität und Spezifität die Bildungsgrundlage für molekulare Pharmakologie und Assay-Design, nicht für klinische Dosierungsempfehlungen.

History

Die quantitative Beschreibung der Bindung entwickelte sich aus frühen Adsorptionsisothermen und Hills Analyse der kooperativen Sauerstoffbindung an Hämoglobin und wurde auf eine solide thermodynamische Grundlage gestellt, als die physikalische Biochemie Methoden zur direkten Messung freier Bindungsenergien entwickelte.

Key figures

• Linus Pauling
• Archibald Hill
• Irving Langmuir

Seminal works

• phillips2012
• vanholde2006

Frequently asked questions

Was sagt eine Dissoziationskonstante aus?

Sie ist die Ligandenkonzentration, bei der die Hälfte der Bindungsstellen besetzt ist; eine kleinere Dissoziationskonstante bedeutet eine festere Bindung und entspricht einer günstigeren freien Bindungsenergie.

Warum kann die Bindung entropisch günstig sein, obwohl sich zwei Moleküle verbinden?

Obwohl die Partner etwas Freiheit verlieren, setzt die Bindung oft geordnetes Wasser von den Kontaktflächen frei, und dieser Gewinn an Lösungsmittelentropie kann die von den Makromolekülen verlorene Entropie überwiegen.