Селективность связывания

Селективность связывания определяется в отношении связывания лигандов с субстратом, образующим комплекс . Селективность связывания описывает, как лиганд может более предпочтительно связываться с одним рецептором, чем с другим. Коэффициент селективности - это константа равновесия для реакции замещения одним лигандом другого лиганда в комплексе с субстратом. Селективность связывания имеет большое значение в биохимии ^[1] и в процессах химического разделения .

Коэффициент селективности [ править ]

Концепция селективности используется для количественной оценки степени, в которой одно химическое вещество, A, связывает каждое из двух других химических веществ, B и C. В простейшем случае образованные комплексы имеют стехиометрию 1: 1 . Тогда два взаимодействия могут быть охарактеризованы константами равновесия K _AB и K _AC . ^{[примечание 1]}

{\ displaystyle {\ ce {{A} + B <=> AB; {\ mathit {K}} _ {AB} = {\ frac {[AB]} {[A] [B]}}}}}

{\ce {{A}+C<=>AC;{\mathit {K}}_{AC}={\frac {[AC]}{[A][C]}}}}

[..] представляет собой концентрацию . Коэффициент селективности определяется как отношение двух констант равновесия.

K_{{\ce {B,C}}}={\frac {K_{{\ce {AC}}}}{K_{{\ce {AB}}}}}

Этот коэффициент селективности фактически является константой равновесия для реакции вытеснения.

{\ce {{AB}+C<=>{AC}+B;{\mathit {K}}_{B,C}={\frac {[AC][B]}{[AB][C]}}={\frac {{\mathit {K}}_{AC}[A][B][C]}{{\mathit {K}}_{AB}[A][B][C]}}={\frac {{\mathit {K}}_{AC}}{{\mathit {K}}_{AB}}}}}

Легко показать, что то же определение применимо к комплексам другой стехиометрии, A _p B _q и A _p C _q . Чем больше коэффициент селективности, тем больше лиганд C будет вытеснять лиганд B из комплекса, образованного с субстратом A. Альтернативная интерпретация заключается в том, что чем больше коэффициент селективности, тем ниже концентрация C, необходимая для вытеснения B из AB. . Коэффициенты селективности определяются экспериментально путем измерения двух констант равновесия K _AB и K _AC .

Приложения [ править ]

Биохимия [ править ]

В биохимии субстрат известен как рецептор. Рецептор - это белковая молекула, встроенная либо в плазматическую мембрану, либо в цитоплазму клетки, с которой могут связываться один или несколько определенных типов сигнальных молекул. Лиганд может представлять собой пептид , или другой небольшой молекулы, такой как нейромедиатора , в гормон , фармацевтический препарат или токсин. Специфичность рецептора определяется его пространственной геометрией и тем, как он связывается с лигандом посредством нековалентных взаимодействий , таких как водородная связь или силы Ван-дер-Ваальса . ^[2]

Если рецептор можно выделить, можно разработать синтетическое лекарство для стимуляции рецептора, агонист, или для его блокирования, антагониста . Язва желудка наркотиков циметидина был разработан в качестве Н ₂ антагониста путем химической инженерии молекулы для максимальной специфичности к изолированной ткани , содержащей рецептор. Дальнейшее использование количественных соотношений структура-активность (QSAR) привело к разработке других агентов, таких как ранитидин .

Важно отметить, что «избирательность» в отношении лекарственного средства является относительной, а не абсолютной. Например, в более высокой дозе конкретная молекула лекарства может также связываться с другими рецепторами, чем те, которые считаются «селективными».

Хелатотерапия [ править ]

Пеницилламин

Хелатная терапия - это форма медицинского лечения, при которой хелатирующий лиганд ^{[примечание 2]} используется для выборочного удаления металла из организма. Когда металл существует в виде двухвалентного иона, такого как свинец , Pb ²⁺ или ртуть , селективность Hg ^{2+ в} отношении кальция , Ca ²⁺ и магния , Mg ²⁺ , важна для того, чтобы обработка не удаляла важные металлы. ^[3]

Избирательность определяется различными факторами. В случае перегрузки железом , которая может возникнуть у людей с β- талессемией, которым было проведено переливание крови , целевой ион металла находится в степени окисления +3 и поэтому образует более сильные комплексы, чем двухвалентные ионы. Он также образует более прочные комплексы с лигандами-донорами кислорода, чем с лигандами-донорами азота. дефероксамин , сидерофор природного происхождения, продуцируемый актинобактером Streptomyces pilosus, первоначально использовался в качестве хелатирующего терапевтического агента. Синтетические сидерофоры, такие как деферипрон и деферазироксбыли разработаны с использованием известной структуры дефероксамина в качестве отправной точки. ^[4]^[5] Хелатирование происходит с двумя атомами кислорода.

Болезнь Вильсона вызвана нарушением метаболизма меди, в результате которого металлическая медь накапливается в различных органах тела. Целевой ион в этом случае является двухвалентным Cu ²⁺ . Этот ион классифицируется как пограничный в схеме Арланда, Чатта и Дэвиса. ^[6] Это означает, что он образует примерно такие же прочные комплексы с лигандами, донорными атомами которых являются N, O или F, как и с лигандами, донорными атомами которых являются P, S или Cl. Пеницилламин , содержащий донорные атомы азота и серы, используется, поскольку этот тип лиганда сильнее связывается с ионами меди, чем с ионами кальция и магния.

Лечение отравлений тяжелыми металлами, такими как свинец и ртуть, является более проблематичным, поскольку используемые лиганды не обладают высокой специфичностью по отношению к кальцию. Например, ЭДТА можно вводить в виде соли кальция для уменьшения удаления кальция из кости вместе с тяжелым металлом. Были рассмотрены факторы, определяющие селективность свинца против цинка, кадмия и кальция, ^[7]

Хроматография [ править ]

В колоночной хроматографии смесь веществ растворяют в подвижной фазе и пропускают через неподвижную фазу в колонке. Фактор селективности определяется как отношение коэффициентов распределения , которые описывают равновесное распределение аналита между неподвижной фазой и подвижной фазой. Коэффициент селективности равен коэффициенту селективности с добавленным предположением, что активность неподвижной фазы, в данном случае субстрата, равна 1, что является стандартным допущением для чистой фазы. ^[8] Разрешение хроматографической колонки R _S связано с коэффициентом селективности следующим образом:

R_{S}={\frac {\sqrt {N}}{4}}\left({\frac {\alpha -1}{\alpha }}\right)\left({\frac {k_{B}}{1+k_{B}}}\right)

где α - коэффициент селективности, N - количество теоретических тарелок, k _A и k _B - коэффициенты удерживания двух аналитов. Коэффициенты удержания пропорциональны коэффициентам распределения. На практике можно разделить вещества с коэффициентом селективности, очень близким к 1. Это особенно верно в газожидкостной хроматографии, где возможна длина колонок до 60 м, что обеспечивает очень большое количество теоретических тарелок.

В ионообменной хроматографии коэффициент селективности определяется несколько иначе ^[9]

Экстракция растворителем [ править ]

Экстракция растворителем ^[10] используется для извлечения отдельных элементов лантаноидов из смесей, встречающихся в природе в рудах, таких как монацит . В одном процессе ионы металлов в водном растворе заставляют образовывать комплексы с трибутилфосфатом (ТБФ), которые экстрагируются органическим растворителем, таким как керосин . Полное разделение осуществляется с помощью метода противоточного обмена . Ряд ячеек организован каскадом. После уравновешивания водный компонент каждой ячейки переносится в предыдущую ячейку, а органический компонент переносится в следующую ячейку, которая изначально содержит только воду. Таким образом, ион металла с наиболее стабильным комплексом проходит вниз по каскаду в органической фазе, а металл с наименее стабильным комплексом проходит вверх по каскаду в водной фазе. ^[11]

Если растворимость в органической фазе не является проблемой, коэффициент селективности равен отношению констант устойчивости комплексов ТБФ двух ионов металлов. Для лантаноидных элементов, которые находятся рядом в периодической таблице, это отношение не намного больше 1, поэтому в каскаде необходимо много ячеек.

Химические датчики [ править ]

Типы хемосенсоров. (1.) Индикатор-спейсер-рецептор (ISR) (2.) Индикатор-тест смещения (IDA)

Коэффициент потенциометрической селективности определяет способность ионоселективного электрода отличать один конкретный ион от других. Коэффициент селективности K _{B, C} оценивается посредством отклика ЭДС ионоселективного электрода в смешанных растворах первичного иона B и мешающего иона C (метод фиксированной интерференции) или, что менее желательно, в отдельных растворах B и C (метод раздельного решения). ^[12] Например, калиевый ионоселективный мембранный электрод использует встречающийся в природе макроциклический антибиотик валиномицин.. В этом случае полость в макроциклическом кольце имеет как раз подходящий размер для инкапсуляции иона калия, но слишком велика, чтобы сильно связывать ион натрия, что, скорее всего, является помехой.

Химические сенсоры , ^[13]^[14] В настоящее время разрабатывается для конкретных целевых молекул и ионов , в котором мишень (гость) образует комплекс с датчиком (хост). Датчик разработан таким образом, чтобы идеально подходить по размеру и форме мишени, чтобы обеспечить максимальную избирательность связывания. Индикатор связан с датчиком, который претерпевает изменение, когда цель образует комплекс с датчиком. Изменение индикатора обычно представляет собой изменение цвета (с серого на желтый на иллюстрации), наблюдаемое по оптической плотности или, при большей чувствительности, по люминесценции . Индикатор может быть прикреплен к датчику через прокладку в устройстве ISR или может быть смещен с датчика в устройстве IDA.

См. Также [ править ]

Привязка
Близость
Функциональная избирательность

Примечания [ править ]

^ Используемые здеськонстанты- этоконстанты ассоциации . Константы диссоциации используются в некоторых контекстах. Константа диссоциации обратна константе ассоциации.
^ Термин «лиганд» здесь относится к связыванию с металлом. В определении коэффициента селективности этот «лиганд» фактически является субстратом, а лигандом в этом определении является ион металла.

Ссылки [ править ]

Перейти ↑ Klotz, IM (1997). Энергетика лиганд-рецепторов: руководство для недоумевших . Вайли. ISBN 978-0-471-17626-8.
^ Форман, JC; Йохансен, Т., ред. (2003). Учебник рецепторной фармакологии (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1029-4.
^ Уокер, М .; Шах, HH (1997). Все, что вы должны знать о хелатной терапии (4-е изд.). New Canaan, Conn .: Keats Pub. ISBN 978-0-87983-730-3.
^ Железоселективные хелаторы с терапевтическим потенциалом в Hider, Роберт С.; Конг, Сяоле (2013). «Глава 8. Железо: эффект перегрузки и дефицита». В Астрид Сигель, Гельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Взаимосвязь между ионами эссенциальных металлов и болезнями человека . Ионы металлов в науках о жизни. 13 . Дордрехт: Спрингер. С. 229–294. DOI : 10.1007 / 978-94-007-7500-8_8 . ISBN 9789400774995. PMID 24470094 .
^ Миллер, Марвин Дж. (1989). «Синтезы и терапевтический потенциал сидерофоров и аналогов на основе гидроксамовой кислоты». Химические обзоры . 89 (7): 1563–1579. DOI : 10.1021 / cr00097a011 .
^ Ahrland, S .; Chatt, J .; Дэвис, Н.Р. (1958). «Относительное сродство атомов лиганда к акцепторным молекулам и ионам». Кварта. Ред . 12 (3): 265–276. DOI : 10.1039 / QR9581200265 .
↑ Фаркас, Этелька; Бугльо, Петер (2017). «Глава 8. Свинец (II) комплексы аминокислот, пептидов и других родственных лигандов, представляющих биологический интерес». В Astrid, S .; Helmut, S .; Сигель, РКО (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. 17 . Берлин, Бостон: де Грюйтер. С. 201–240. DOI : 10.1515 / 9783110434330-008 . ISBN 9783110434330. PMID 28731301 .
^ Скуг, DA; Запад, DM; Холлер, JF; Крауч, SR (2004). Основы аналитической химии (8-е изд.). Томсон Брукс / Коул. ISBN 978-0-03-035523-3. Раздел 30E
^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Коэффициент селективности, k A / B в ионообменной хроматографии ». DOI : 10,1351 / goldbook.S05566.html
^ Райс, Нью-Мексико; Ирвинг, HMNH; Леонард, Массачусетс (1993). «Номенклатура распределения жидкость-жидкость (экстракция растворителем)». Pure Appl. Chem . ИЮПАК. 65 (11): 2373–2396. DOI : 10,1351 / pac199365112373 .
^ Rydberg, J .; Musikas, C; Чоппин, Г. Р., ред. (2004). Принципы и практика экстракции растворителем ( (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3.
^ Бак, RP; Линдер, Э. (1994). «Рекомендации по номенклатуре ионоселективных электродов». Pure Appl. Chem . ИЮПАК. 66 (12): 2527–2536. DOI : 10.1351 / Pac199466122527 .
^ Флоринель-Габриэль Бэника, Химические сенсоры и биосенсоры: основы и приложения, Джон Вили и сыновья, Чичестер, 2012, ISBN для печати 978-0-470-71066-1
Перейти ↑ Cattrall, RW (1997). Химические сенсоры . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850090-2.

[2] Используемые здеськонстанты- этоконстанты ассоциации . Константы диссоциации используются в некоторых контекстах. Константа диссоциации обратна константе ассоциации.

[4] Термин «лиганд» здесь относится к связыванию с металлом. В определении коэффициента селективности этот «лиганд» фактически является субстратом, а лигандом в этом определении является ион металла.

[1] Перейти ↑ Klotz, IM (1997). Энергетика лиганд-рецепторов: руководство для недоумевших . Вайли. ISBN 978-0-471-17626-8.

[3] Форман, JC; Йохансен, Т., ред. (2003). Учебник рецепторной фармакологии (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1029-4.

[5] Уокер, М .; Шах, HH (1997). Все, что вы должны знать о хелатной терапии (4-е изд.). New Canaan, Conn .: Keats Pub. ISBN 978-0-87983-730-3.

[6] Железоселективные хелаторы с терапевтическим потенциалом в Hider, Роберт С.; Конг, Сяоле (2013). «Глава 8. Железо: эффект перегрузки и дефицита». В Астрид Сигель, Гельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Взаимосвязь между ионами эссенциальных металлов и болезнями человека . Ионы металлов в науках о жизни. 13 . Дордрехт: Спрингер. С. 229–294. DOI : 10.1007 / 978-94-007-7500-8_8 . ISBN 9789400774995. PMID 24470094 .

[7] Миллер, Марвин Дж. (1989). «Синтезы и терапевтический потенциал сидерофоров и аналогов на основе гидроксамовой кислоты». Химические обзоры . 89 (7): 1563–1579. DOI : 10.1021 / cr00097a011 .

[8] Ahrland, S .; Chatt, J .; Дэвис, Н.Р. (1958). «Относительное сродство атомов лиганда к акцепторным молекулам и ионам». Кварта. Ред . 12 (3): 265–276. DOI : 10.1039 / QR9581200265 .

[9] Фаркас, Этелька; Бугльо, Петер (2017). «Глава 8. Свинец (II) комплексы аминокислот, пептидов и других родственных лигандов, представляющих биологический интерес». В Astrid, S .; Helmut, S .; Сигель, РКО (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. 17 . Берлин, Бостон: де Грюйтер. С. 201–240. DOI : 10.1515 / 9783110434330-008 . ISBN 9783110434330. PMID 28731301 .

[10] Скуг, DA; Запад, DM; Холлер, JF; Крауч, SR (2004). Основы аналитической химии (8-е изд.). Томсон Брукс / Коул. ISBN 978-0-03-035523-3. Раздел 30E

[11] IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Коэффициент селективности, k A / B в ионообменной хроматографии ». DOI : 10,1351 / goldbook.S05566.html

[12] Райс, Нью-Мексико; Ирвинг, HMNH; Леонард, Массачусетс (1993). «Номенклатура распределения жидкость-жидкость (экстракция растворителем)». Pure Appl. Chem . ИЮПАК. 65 (11): 2373–2396. DOI : 10,1351 / pac199365112373 .

[13] Rydberg, J .; Musikas, C; Чоппин, Г. Р., ред. (2004). Принципы и практика экстракции растворителем ( (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3.

[14] Бак, RP; Линдер, Э. (1994). «Рекомендации по номенклатуре ионоселективных электродов». Pure Appl. Chem . ИЮПАК. 66 (12): 2527–2536. DOI : 10.1351 / Pac199466122527 .

[15] Флоринель-Габриэль Бэника, Химические сенсоры и биосенсоры: основы и приложения, Джон Вили и сыновья, Чичестер, 2012, ISBN для печати 978-0-470-71066-1

[16] Перейти ↑ Cattrall, RW (1997). Химические сенсоры . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850090-2.

[1]