高分子の相互作用と結合

高分子がどのようにパートナーを認識し結合するかの物理化学。これは、ほぼすべての生物学的プロセスを支える親和性と特異性を決定する。

Definition

高分子結合とは、2つ以上の分子が可逆的かつ非共有結合的に複合体を形成することであり、熱力学的には結合自由エネルギーによって、速度論的には会合速度と解離速度によって特徴づけられる。

Scope

このトピックでは、結合の平衡とエネルギー論、すなわち、解離定数が結合自由エネルギーを占有率にどのように関連付けるか、親和性がエンタルピーとエントロピーにどのように分割されるか、そして形状と化学的相補性がどのように特異性を生み出すかを扱う。概念レベルでの協同性と競合、および結合の実験的観測量も含まれるが、アロステリック機構とコンフォメーション結合については隣接するトピックに譲る。

Core questions

• 解離定数は、結合自由エネルギーを分画占有率にどのように関連付けるか？
• エンタルピーとエントロピーのどのようなバランスが結合親和性を決定するか？
• 形状と化学的相補性はどのように結合特異性を生み出すか？
• 協同性と競合は結合曲線をどのように形成するか？

Key theories

平衡結合と解離定数

平衡状態では、結合部位の割合は、解離定数に対するリガンド濃度によって設定される飽和（ラングミュア/ヒル型）曲線に従い、解離定数自体は結合自由エネルギーの指数関数である。

親和性のエンタルピー・エントロピー分割

結合自由エネルギーは、新しい接触によるエンタルピー項と、並進の自由度の喪失および秩序だった溶媒の放出を含むエントロピー項を組み合わせたものであり、したがって親和性はこれらの寄与間の相殺を反映している。

Mechanisms

相補的な表面が水素結合供与体と受容体、荷電基、非極性パッチを整列させるときに界面が形成され、その一方で、置換され再編成された水が大きな溶媒項に寄与する。これらの弱い相互作用の合計が平衡定数を決定し、非コグネートパートナーが同じ相補性を満たせないために特異性が生じる。一つの結合イベントが他の結合の親和性を変化させる協同的システムは、シグモイド結合曲線を生み出し、その結果生じる親和性は、滴定カロリメトリー、表面ベースの速度論的アッセイ、および分光学的滴定によって読み取られる。

Clinical relevance

定量的結合は、薬剤、抗体、シグナル伝達分子の標的への作用の根底にあるため、ここでの親和性と特異性の概念は、分子薬理学およびアッセイ設計の教育的基礎であり、臨床的な投薬アドバイスではない。

History

結合の定量的記述は、初期の吸着等温線とヘモグロビンへの協同的酸素結合に関するヒルの分析から発展し、物理生化学が結合自由エネルギーを直接測定する方法を開発するにつれて、確固たる熱力学的基盤の上に置かれた。

Key figures

• Linus Pauling
• Archibald Hill
• Irving Langmuir

Seminal works

• phillips2012
• vanholde2006

Frequently asked questions

解離定数は何を示すか？

それは、結合部位の半分が占有されるリガンド濃度である。解離定数が小さいほど結合は強く、より有利な結合自由エネルギーに対応する。

2つの分子が結合するにもかかわらず、結合がエントロピー的に有利であるのはなぜか？

パートナーは自由度を失うものの、結合はしばしば接触表面から秩序だった水を放出するため、その溶媒エントロピーの増加が高分子が失うエントロピーを上回ることがある。