Interações e Ligação Macromoleculares

A físico-química de como as macromoléculas reconhecem e se ligam aos seus parceiros, estabelecendo a afinidade e a especificidade que sustentam quase todos os processos biológicos.

Definition

A ligação macromolecular é a associação reversível e não covalente de duas ou mais moléculas num complexo, caracterizada termodinamicamente por uma energia livre de ligação e cineticamente por taxas de associação e dissociação.

Scope

Este tópico abrange o equilíbrio e a energética da ligação: como a constante de dissociação relaciona a energia livre de ligação com a ocupação, como a afinidade é dividida em entalpia e entropia, e como a complementaridade de forma e química produz especificidade. Inclui cooperatividade e competição a nível conceptual e os observáveis experimentais da ligação, mas deixa o mecanismo alostérico e o acoplamento conformacional para o tópico vizinho.

Core questions

• Como a constante de dissociação relaciona a energia livre de ligação com a ocupação fracionária?
• Que equilíbrio de entalpia e entropia determina a afinidade de ligação?
• Como a forma e a complementaridade química criam a especificidade de ligação?
• Como a cooperatividade e a competição moldam as curvas de ligação?

Key theories

Ligação em equilíbrio e a constante de dissociação

No equilíbrio, a fração de sítios ligados segue uma curva de saturação (tipo Langmuir/Hill) definida pela concentração do ligando em relação à constante de dissociação, que é ela própria o exponencial da energia livre de ligação.

Partição entalpia-entropia da afinidade

A energia livre de ligação combina um termo entálpico de novos contactos e um termo entrópico que inclui a perda de liberdade translacional e a libertação de solvente ordenado, de modo que a afinidade reflete uma compensação entre estas contribuições.

Mechanisms

Uma interface forma-se quando superfícies complementares alinham doadores e aceitadores de ligações de hidrogénio, grupos carregados e regiões apolares, enquanto a água deslocada e reorganizada contribui com um grande termo de solvente. As interações fracas somadas estabelecem a constante de equilíbrio; a especificidade surge porque um parceiro não cognato não consegue satisfazer a mesma complementaridade. Sistemas cooperativos, nos quais um evento de ligação altera a afinidade de outros, produzem curvas de ligação sigmoides, e as afinidades resultantes são lidas por calorimetria de titulação, ensaios cinéticos baseados em superfície e titulações espectroscópicas.

Clinical relevance

A ligação quantitativa subjaz à ação de fármacos, anticorpos e moléculas sinalizadoras nos seus alvos, pelo que os conceitos de afinidade e especificidade aqui apresentados são a base educacional para a farmacologia molecular e o desenho de ensaios, e não um conselho de dosagem clínica.

History

A descrição quantitativa da ligação cresceu a partir das primeiras isotermas de adsorção e da análise de Hill da ligação cooperativa de oxigénio à hemoglobina, e foi firmemente estabelecida em bases termodinâmicas à medida que a bioquímica física desenvolveu métodos para medir diretamente as energias livres de ligação.

Key figures

• Linus Pauling
• Archibald Hill
• Irving Langmuir

Seminal works

• phillips2012
• vanholde2006

Frequently asked questions

O que uma constante de dissociação indica?

É a concentração do ligando na qual metade dos sítios de ligação estão ocupados; uma constante de dissociação menor significa uma ligação mais forte e corresponde a uma energia livre de ligação mais favorável.

Por que a ligação pode ser entrópica favorável mesmo que duas moléculas se unam?

Embora os parceiros percam alguma liberdade, a ligação frequentemente liberta água ordenada das superfícies de contacto, e esse ganho na entropia do solvente pode superar a entropia perdida pelas macromoléculas.