Взаимодействия и связывание макромолекул

Физическая химия того, как макромолекулы распознают и связывают своих партнеров, определяя аффинность и специфичность, лежащие в основе почти каждого биологического процесса.

Definition

Связывание макромолекул — это обратимая, нековалентная ассоциация двух или более молекул в комплекс, характеризующаяся термодинамически свободной энергией связывания и кинетически скоростями ассоциации и диссоциации.

Scope

Эта тема охватывает равновесие и энергетику связывания: как константа диссоциации связывает свободную энергию связывания с занятостью, как аффинность делится на энтальпию и энтропию, и как комплементарность формы и химического состава обеспечивает специфичность. Она включает кооперативность и конкуренцию на концептуальном уровне и экспериментально наблюдаемые параметры связывания, но оставляет аллостерический механизм и конформационное сопряжение для соседней темы.

Core questions

• Как константа диссоциации связывает свободную энергию связывания с долей занятых мест?
• Какой баланс энтальпии и энтропии определяет аффинность связывания?
• Как комплементарность формы и химического состава создает специфичность связывания?
• Как кооперативность и конкуренция формируют кривые связывания?

Key theories

Равновесное связывание и константа диссоциации

В состоянии равновесия доля связанных участков следует кривой насыщения (типа Ленгмюра/Хилла), определяемой концентрацией лиганда относительно константы диссоциации, которая сама является экспонентой свободной энергии связывания.

Энтальпийно-энтропическое разделение аффинности

Свободная энергия связывания объединяет энтальпийный член от новых контактов и энтропийный член, который включает потерю трансляционной свободы и высвобождение упорядоченного растворителя, поэтому аффинность отражает компенсацию между этими вкладами.

Mechanisms

Интерфейс образуется, когда комплементарные поверхности приводят в соответствие доноры и акцепторы водородных связей, заряженные группы и неполярные участки, при этом вытесненная и реорганизованная вода вносит большой вклад в сольвентный член. Суммарные слабые взаимодействия устанавливают константу равновесия; специфичность возникает потому, что неродственный партнер не может обеспечить ту же комплементарность. Кооперативные системы, в которых одно событие связывания изменяет аффинность других, дают сигмоидальные кривые связывания, а результирующие аффинности считываются с помощью титрационной калориметрии, поверхностных кинетических анализов и спектроскопических титрований.

Clinical relevance

Количественное связывание лежит в основе действия лекарств, антител и сигнальных молекул на их мишени, поэтому концепции аффинности и специфичности здесь являются образовательной основой для молекулярной фармакологии и разработки анализов, а не советами по клиническому дозированию.

History

Количественное описание связывания развивалось от ранних изотерм адсорбции и анализа Хилла кооперативного связывания кислорода с гемоглобином и было прочно обосновано термодинамически по мере развития методов физической биохимии для прямого измерения свободных энергий связывания.

Key figures

• Linus Pauling
• Archibald Hill
• Irving Langmuir

Seminal works

• phillips2012
• vanholde2006

Frequently asked questions

Что показывает константа диссоциации?

Это концентрация лиганда, при которой занята половина мест связывания; меньшая константа диссоциации означает более прочное связывание и соответствует более благоприятной свободной энергии связывания.

Почему связывание может быть энтропийно благоприятным, даже если две молекулы соединяются?

Хотя партнеры теряют некоторую свободу, связывание часто высвобождает упорядоченную воду с контактных поверхностей, и этот выигрыш в энтропии растворителя может перевесить энтропию, потерянную макромолекулами.