Interaksi dan Pengikatan Makromolekuler

Kimia fisik tentang bagaimana makromolekul mengenali dan mengikat pasangannya, menetapkan afinitas dan spesifisitas yang mendasari hampir setiap proses biologis.

Definition

Pengikatan makromolekuler adalah asosiasi reversibel, non-kovalen dari dua atau lebih molekul menjadi suatu kompleks, yang dicirikan secara termodinamika oleh energi bebas pengikatan dan secara kinetik oleh laju asosiasi dan disosiasi.

Scope

Topik ini mencakup kesetimbangan dan energetika pengikatan: bagaimana konstanta disosiasi menghubungkan energi bebas pengikatan dengan okupansi, bagaimana afinitas dibagi menjadi entalpi dan entropi, dan bagaimana komplementaritas bentuk dan kimia menghasilkan spesifisitas. Ini mencakup kooperativitas dan kompetisi pada tingkat konseptual dan pengamatan eksperimental pengikatan, tetapi menyerahkan mekanisme alosterik dan penggandengan konformasi ke topik berikutnya.

Core questions

• Bagaimana konstanta disosiasi menghubungkan energi bebas pengikatan dengan okupansi fraksional?
• Keseimbangan entalpi dan entropi apa yang menentukan afinitas pengikatan?
• Bagaimana bentuk dan komplementaritas kimia menciptakan spesifisitas pengikatan?
• Bagaimana kooperativitas dan kompetisi membentuk kurva pengikatan?

Key theories

Pengikatan kesetimbangan dan konstanta disosiasi

Pada kesetimbangan, fraksi situs terikat mengikuti kurva saturasi (tipe Langmuir/Hill) yang ditetapkan oleh konsentrasi ligan relatif terhadap konstanta disosiasi, yang itu sendiri merupakan eksponensial dari energi bebas pengikatan.

Pembagian entalpi–entropi afinitas

Energi bebas pengikatan menggabungkan istilah entalpi dari kontak baru dan istilah entropi yang mencakup hilangnya kebebasan translasi dan pelepasan pelarut teratur, sehingga afinitas mencerminkan kompensasi antara kontribusi-kontribusi ini.

Mechanisms

Antarmuka terbentuk ketika permukaan komplementer menyatukan donor dan akseptor ikatan hidrogen, gugus bermuatan, dan bercak nonpolar secara teratur, sementara air yang berpindah dan diorganisasi ulang menyumbang istilah pelarut yang besar. Jumlah interaksi lemah menetapkan konstanta kesetimbangan; spesifisitas muncul karena pasangan non-kognat tidak dapat memenuhi komplementaritas yang sama. Sistem kooperatif, di mana satu peristiwa pengikatan mengubah afinitas yang lain, menghasilkan kurva pengikatan sigmoidal, dan afinitas yang dihasilkan dibaca melalui kalorimetri titrasi, uji kinetik berbasis permukaan, dan titrasi spektroskopi.

Clinical relevance

Pengikatan kuantitatif mendasari kerja obat, antibodi, dan molekul sinyal pada targetnya, sehingga konsep afinitas dan spesifisitas di sini adalah dasar pendidikan untuk farmakologi molekuler dan desain uji, bukan saran dosis klinis.

History

Deskripsi kuantitatif pengikatan tumbuh dari isoterm adsorpsi awal dan analisis Hill tentang pengikatan oksigen kooperatif ke hemoglobin, dan ditempatkan pada pijakan termodinamika yang kuat seiring dengan pengembangan metode biokimia fisik untuk mengukur energi bebas pengikatan secara langsung.

Key figures

• Linus Pauling
• Archibald Hill
• Irving Langmuir

Seminal works

• phillips2012
• vanholde2006

Frequently asked questions

Apa yang ditunjukkan oleh konstanta disosiasi?

Ini adalah konsentrasi ligan di mana setengah dari situs pengikatan ditempati; konstanta disosiasi yang lebih kecil berarti pengikatan yang lebih kuat dan sesuai dengan energi bebas pengikatan yang lebih menguntungkan.

Mengapa pengikatan dapat menguntungkan secara entropik meskipun dua molekul bergabung?

Meskipun pasangan kehilangan sebagian kebebasan, pengikatan sering melepaskan air teratur dari permukaan kontak, dan peningkatan entropi pelarut tersebut dapat melebihi entropi yang hilang oleh makromolekul.