อันตรกิริยาและการจับกันของโมเลกุลขนาดใหญ่

เคมีเชิงฟิสิกส์ของวิธีการที่โมเลกุลขนาดใหญ่จดจำและจับกับคู่ของมัน ซึ่งกำหนดความสัมพันธ์จำเพาะและจำเพาะเจาะจงที่เป็นพื้นฐานของกระบวนการทางชีววิทยาเกือบทั้งหมด

Definition

การจับกันของโมเลกุลขนาดใหญ่คือการรวมตัวกันแบบผันกลับได้และไม่ใช้พันธะโควาเลนต์ของโมเลกุลตั้งแต่สองโมเลกุลขึ้นไปเข้าเป็นสารเชิงซ้อน ซึ่งมีลักษณะทางอุณหพลศาสตร์โดยพลังงานอิสระของการจับกัน และมีลักษณะทางจลนศาสตร์โดยอัตราการรวมตัวและการแตกตัว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงสมดุลและพลังงานของการจับกัน: ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่การแตกตัวกับพลังงานอิสระของการจับกันต่อการเข้าครอบครอง, วิธีการแบ่งความสัมพันธ์จำเพาะออกเป็นเอนทาลปีและเอนโทรปี, และวิธีการที่ความสมบูรณ์ของรูปร่างและเคมีสร้างความจำเพาะเจาะจง นอกจากนี้ยังรวมถึงการทำงานร่วมกันและการแข่งขันในระดับแนวคิดและตัวแปรที่สังเกตได้จากการทดลองของการจับกัน แต่จะละเว้นกลไกแบบอัลโลสเตอริกและการเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างไว้ในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• ค่าคงที่การแตกตัวสัมพันธ์กับพลังงานอิสระของการจับกันต่อการเข้าครอบครองแบบเศษส่วนอย่างไร?
• ความสมดุลของเอนทาลปีและเอนโทรปีใดที่กำหนดความสัมพันธ์จำเพาะของการจับกัน?
• รูปร่างและความสมบูรณ์ทางเคมีสร้างความจำเพาะเจาะจงของการจับกันได้อย่างไร?
• การทำงานร่วมกันและการแข่งขันกำหนดรูปร่างของเส้นโค้งการจับกันได้อย่างไร?

Key theories

การจับกันแบบสมดุลและค่าคงที่การแตกตัว

ที่สมดุล สัดส่วนของตำแหน่งที่ถูกจับจะตามเส้นโค้งความอิ่มตัว (แบบ Langmuir/Hill) ที่กำหนดโดยความเข้มข้นของลิแกนด์เทียบกับค่าคงที่การแตกตัว ซึ่งเป็นเลขชี้กำลังของพลังงานอิสระของการจับกัน

การแบ่งเอนทาลปี-เอนโทรปีของความสัมพันธ์จำเพาะ

พลังงานอิสระของการจับกันรวมเทอมเอนทาลปีจากการสัมผัสใหม่และเทอมเอนโทรปีที่รวมถึงการสูญเสียอิสระในการเคลื่อนที่และการปลดปล่อยตัวทำละลายที่มีระเบียบ ดังนั้นความสัมพันธ์จำเพาะจึงสะท้อนถึงการชดเชยระหว่างการมีส่วนร่วมเหล่านี้

Mechanisms

ส่วนต่อประสานจะเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวที่เข้ากันได้นำผู้ให้และผู้รับพันธะไฮโดรเจน, กลุ่มที่มีประจุ, และส่วนที่ไม่เป็นขั้วมาเรียงตัวกัน ในขณะที่น้ำที่ถูกแทนที่และจัดเรียงใหม่มีส่วนช่วยในเทอมตัวทำละลายขนาดใหญ่ ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอที่รวมกันจะกำหนดค่าคงที่สมดุล; ความจำเพาะเจาะจงเกิดขึ้นเนื่องจากคู่ที่ไม่ใช่คู่ที่ถูกต้องไม่สามารถตอบสนองความสมบูรณ์แบบเดียวกันได้ ระบบที่ทำงานร่วมกัน ซึ่งเหตุการณ์การจับกันหนึ่งครั้งเปลี่ยนความสัมพันธ์จำเพาะของเหตุการณ์อื่น ๆ จะสร้างเส้นโค้งการจับกันแบบซิกมอยด์ และความสัมพันธ์จำเพาะที่ได้จะถูกอ่านค่าโดยการวัดแคลอรีเมตริกแบบไทเทรต, การทดสอบจลนศาสตร์บนพื้นผิว, และการไทเทรตด้วยสเปกโทรสโกปี

Clinical relevance

การจับกันเชิงปริมาณเป็นพื้นฐานของการออกฤทธิ์ของยา, แอนติบอดี, และโมเลกุลส่งสัญญาณต่อเป้าหมายของพวกมัน ดังนั้นแนวคิดเรื่องความสัมพันธ์จำเพาะและความจำเพาะเจาะจงในที่นี้จึงเป็นพื้นฐานทางการศึกษาสำหรับเภสัชวิทยาโมเลกุลและการออกแบบการทดสอบ ไม่ใช่คำแนะนำในการให้ยาทางคลินิก

History

คำอธิบายเชิงปริมาณของการจับกันพัฒนามาจากไอโซเทอร์มการดูดซับยุคแรกและการวิเคราะห์การจับออกซิเจนแบบร่วมกันของฮีโมโกลบินโดย Hill และได้รับการวางรากฐานทางอุณหพลศาสตร์ที่มั่นคงเมื่อชีวเคมีเชิงฟิสิกส์พัฒนาวิธีการวัดพลังงานอิสระของการจับกันโดยตรง

Key figures

• Linus Pauling
• Archibald Hill
• Irving Langmuir

Seminal works

• phillips2012
• vanholde2006

Frequently asked questions

ค่าคงที่การแตกตัวบอกอะไรเรา?

มันคือความเข้มข้นของลิแกนด์ที่ตำแหน่งการจับครึ่งหนึ่งถูกครอบครอง; ค่าคงที่การแตกตัวที่น้อยลงหมายถึงการจับที่แน่นขึ้นและสอดคล้องกับพลังงานอิสระของการจับกันที่เอื้ออำนวยมากขึ้น

ทำไมการจับกันจึงสามารถเป็นที่น่าพอใจในเชิงเอนโทรปีได้ แม้ว่าโมเลกุลสองโมเลกุลจะรวมกัน?

แม้ว่าคู่จะสูญเสียอิสระบางส่วน แต่การจับกันมักจะปลดปล่อยน้ำที่มีระเบียบออกจากพื้นผิวสัมผัส และการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีของตัวทำละลายนั้นสามารถมีน้ำหนักมากกว่าเอนโทรปีที่สูญเสียไปโดยโมเลกุลขนาดใหญ่