Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с солевого моста (белок) )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рисунок 1. Пример солевого мостика между аминокислотами глутаминовой кислоты и лизина, демонстрирующий электростатическое взаимодействие и водородную связь.

В химии , A солевой мостик представляет собой комбинация из двух нековалентных взаимодействий : образование водородной связи и ионной связи (рисунок 1). Спаривание ионов - одна из наиболее важных нековалентных сил в химии, в биологических системах, в различных материалах и во многих приложениях, таких как хроматография ионных пар . Это наиболее часто наблюдаемый вклад в стабильность энтропийно неблагоприятной складчатой ​​конформации белков. Хотя нековалентные взаимодействия, как известно, являются относительно слабыми взаимодействиями, небольшие стабилизирующие взаимодействия могут вносить важный вклад в общую стабильность конформера. [1] Солевые мостики встречаются не только в белках, но и в супрамолекулярной химии . Термодинамика каждого из них исследуется с помощью экспериментальных процедур для определения вклада свободной энергии солевого мостика в общую свободную энергию состояния.

Солевые мостики в химической связи [ править ]

В воде образование солевых мостиков или ионных пар в основном обусловлено энтропией, обычно сопровождающейся неблагоприятным вкладом ΔH из-за десольватации взаимодействующих ионов при ассоциации. [2] Водородные связи способствуют стабильности ионных пар, например, с протонированными ионами аммония , а с анионами образуется депротонированием, как в случае карбоксилата , фосфата и т. Д .; тогда константы ассоциации зависят от pH. Энтропийные движущие силы для образования пар ионов (при отсутствии значительных вкладов водородных связей) также обнаруживаются в метаноле в качестве растворителя. В неполярных растворителях образуются контактные ионные пары с очень высокими константами ассоциации;[3] [4] в газовой фазе энергии ассоциации, например, галогенидов щелочных металлов достигают 200 кДж / моль. [5] Уравнение Бьеррама или Фуосса описывает ассоциацию ионных пар как функцию зарядов ионов zA и zB и диэлектрической проницаемости среды ε; соответствующий график зависимости ΔG от zAzB показывает для более чем 200 пар ионов ожидаемую линейную корреляцию для большого разнообразия ионов. [6] Неорганические и органические ионы демонстрируют при умеренной ионной силе I сходные значения ΔG ассоциации солевого мостика от 5 до 6 кДж / моль для 1: 1 комбинации аниона и катиона, почти независимо от природы (размер, поляризуемость и т. Д.) ионов. [7] [8] Значения ΔG являются аддитивными и приблизительно линейно зависят от зарядов, взаимодействие, например, двухзарядного фосфат-аниона с однозарядным катионом аммония составляет примерно 2x5 = 10 кДж / моль. Значения ΔG зависят от ионной силы I раствора, как описано уравнением Дебая-Хюккеля , при нулевой ионной силе наблюдается ΔG = 8 кДж / моль. Стабильность щелочно-ионных пар в зависимости от заряда аниона z может быть описана более подробным уравнением. [9]

Солевые мостики, обнаруженные в белках [ править ]

Рисунок 2. Дикий тип (слева) и мутировавшая (справа) форма ламина А (LMNA, PDB: 1IFR). Обычно аргинин 527 (синий) образует солевой мостик с глутаматом 537 (пурпурный), но мутация R527L вызывает потерю комплементарного отрицательного заряда и дестабилизацию структуры. На уровне фенотипа это проявляется наложением мандибулоакральной дисплазии и синдрома прогерии . [10]

Солевой мостик чаще всего возникает из анионного карбоксилата (RCOO - ) аспарагиновой кислоты или глутаминовой кислоты и катионного аммония (RNH 3 + ) из лизина или гуанидиния (RNHC (NH 2 ) 2 + ) аргинина (Рисунок 2). . [1] Хотя это наиболее распространенные, другие остатки с ионизируемыми боковыми цепями, такие как гистидин , тирозин и серин, также могут участвовать, в зависимости от внешних факторов, нарушающих их p K a.с. Расстояние между остатками, участвующими в солевом мостике, также считается важным. Требуемое расстояние менее 4 Å (400 мкм). Аминокислоты, расстояние между которыми превышает это расстояние, не квалифицируются как образующие солевой мостик. [11] Из-за множества ионизируемых боковых цепей аминокислот, присутствующих в белке, pH, при котором находится белок, имеет решающее значение для его стабильности.

Методы количественной оценки стабильности солевого мостика в белках [ править ]

Фигура 3. Солевой мостик в лизоциме Т4 между аспарагиновой кислотой (Asp) в остатке 70 и гистидином (His) в остатке 31

Вклад солевого мостика в общую стабильность свернутого состояния белка можно оценить с помощью термодинамических данных, собранных из исследований мутагенеза и методов ядерного магнитного резонанса. [12] Используя мутировавший белок псевдодикого типа, специфически мутировавший для предотвращения осаждения при высоком pH, вклад солевого мостика в общую свободную энергию свернутого состояния белка можно определить путем выполнения точечной мутации, изменения и, следовательно, разрушение соляного моста. Например, было обнаружено, что в лизоциме Т4 существует солевой мостик между аспарагиновой кислотой (Asp) на остатке 70 и гистидином (His) на остатке 31 (рис. 3). Сайт-направленный мутагенез с аспарагином (Asn) (рис. 4) было получено три новых мутанта: Asp70Asn His31 (мутант 1), Asp70 His31Asn (мутант 2) и Asp70Asn His31Asn (двойной мутант).

Рисунок 4. Мутагенез солевого мостика лизоцима Т4 между Asp 70 и His 31.

После того, как мутанты установлены, можно использовать два метода для расчета свободной энергии, связанной с солевым мостиком. Один метод включает наблюдение температуры плавления белка дикого типа по сравнению с температурой плавления трех мутантов. Денатурацию можно контролировать по изменению кругового дихроизма . Снижение температуры плавления указывает на снижение стабильности. Это количественно с помощью метода , описанного Becktel и Schellman , где разность свободной энергии между ними рассчитывается через & Dgr ; T & Dgr ; S . [13] Есть некоторые проблемы с этим расчетом, и его можно использовать только с очень точными данными. [ необходима цитата ] В примере лизоцима Т4 ΔS псевдо-дикого типа ранее сообщалось при pH 5,5, поэтому разница средних температур в 11 ° C при этом pH, умноженная на сообщенное значение ΔS, равное 360 кал / (моль · K) (1,5 кДж / (моль · K). )) дает изменение свободной энергии примерно на -4 ккал / моль (-17 кДж / моль). Это значение соответствует количеству свободной энергии, вносимой солевым мостиком в стабильность белка.

Рисунок 5. Кривая титрования между диким типом (синий) и мутантом (красный).

Второй метод использует спектроскопию ядерного магнитного резонанса для расчета свободной энергии солевого мостика. Выполняется титрование, регистрируя химический сдвиг, соответствующий протонам углерода, примыкающего к карбоксилатной или аммониевой группе. Средняя точка кривой титрования соответствует p K aили pH, при котором соотношение протонированных: депротонированных молекул составляет 1: 1. Продолжая пример лизоцима Т4, кривую титрования получают путем наблюдения за сдвигом протона С2 гистидина 31 (фиг. 5). На рис. 5 показан сдвиг кривой титрования между диким типом и мутантом, в котором Asp70 представляет собой Asn. Образовавшийся солевой мостик находится между депротонированным Asp70 и протонированным His31. Это взаимодействие вызывает сдвиг, наблюдаемый в p K a His31 . В развернутом белке дикого типа, где отсутствует солевой мостик, His31, как сообщается, имеет ap K a 6,8 в буферах H 2 0 с умеренной ионной силой. На Фигуре 5 показаны ap K a 9,05 дикого типа. Эта разница в p Ka поддерживается взаимодействием His31 с Asp70. Чтобы поддерживать солевой мостик, His31 будет пытаться удерживать протон как можно дольше. Когда солевой мостик разрушен, как у мутанта D70N, p K a возвращается к значению 6,9, что намного ближе к значению His31 в развернутом состоянии.

Разница в p K a может быть определена количественно, чтобы отразить вклад солевого мостика в свободную энергию. Используя свободную энергию Гиббса : Δ G  = - RT  ln ( K eq ), где R - универсальная газовая постоянная, T - температура в градусах Кельвина, а K eq - константа равновесия реакции в равновесии. Депротонирование His31 представляет собой кислотную равновесную реакцию со специальным K eq, известным как константа кислотной диссоциации , K a : His31-H + ⇌ His31 + H + . РТогда K a связано с K a следующим образом: p K a = −log ( K a ). Расчет разницы свободной энергии мутанта и дикого типа теперь может быть выполнен с использованием уравнения свободной энергии, определения p K a , наблюдаемых значений p K a и отношения между натуральными логарифмами и логарифмами. В примере лизоцима Т4 этот подход дал расчетный вклад примерно 3 ккал / моль в общую свободную энергию. [12] Аналогичный подход может быть использован с другим участником солевого мостика, таким как Asp70 в примере лизоцима Т4, путем мониторинга его сдвига в p K a после мутации His31.

Предупреждение при выборе подходящего эксперимента связано с расположением солевого мостика внутри белка. Окружающая среда играет большую роль во взаимодействии. [14] При высокой ионной силе солевой мостик может быть полностью замаскирован из-за электростатического взаимодействия. Солевой мостик His31-Asp70 в лизоциме Т4 был похоронен внутри белка. Энтропия играет большую роль в поверхностных солевых мостиках, где остатки, которые обычно обладают способностью перемещаться, ограничиваются их электростатическим взаимодействием и водородными связями. Было показано, что это уменьшает энтропию настолько, чтобы почти стереть вклад взаимодействия. [15] Поверхностные солевые мостики можно изучать так же, как и заглубленные солевые мостики, используя циклы двойных мутантов и ЯМР-титрование.[16] Хотя существуют случаи, когда заглубленные соляные мосты способствуют стабильности, как и все остальное, существуют исключения, и заглубленные соляные мосты могут оказывать дестабилизирующее воздействие. [11] Кроме того, поверхностные соляные мостики при определенных условиях могут проявлять стабилизирующий эффект. [14] [16] Стабилизирующий или дестабилизирующий эффект необходимо оценивать в индивидуальном порядке, и можно сделать несколько общих заявлений.

Супрамолекулярная химия [ править ]

Рис. 6. Молекулярная капсула «яичная скорлупа».
Рис. 7. Переплетение солевых мостиков, соединяющих две половины молекулярной капсулы.

Супрамолекулярная химия - это область, связанная с нековалентными взаимодействиями между макромолекулами. Соляные мостики использовались химиками в этой области как разнообразными, так и творческими способами, включая определение анионов, синтез молекулярных капсул и двойных спиральных полимеров.

Комплексообразование анионов [ править ]

Основные вклады супрамолекулярной химии были посвящены распознаванию и зондированию анионов. [17] [18] [19] [20] [21] [22] Спаривание ионов является наиболее важной движущей силой для анионного комплексообразования, но селективность, например, в пределах ряда галогенидов была достигнута, в основном за счет вкладов водородных связей.

Молекулярные капсулы [ править ]

Молекулярные капсулы - это химические каркасы, предназначенные для захвата и удержания гостевой молекулы (см. Молекулярная инкапсуляция ). Шумна и его коллеги разработали новую молекулярную капсулу с хиральной внутренней частью . [23] Эта капсула состоит из двух половинок, как пластиковое пасхальное яйцо (рис. 6). Взаимодействие солевого мостика между двумя половинами приводит к их самосборке в растворе (рисунок 7). Они стабильны даже при нагревании до 60 ° C.

Двойные спиральные полимеры [ править ]

Яшима и его коллеги использовали солевые мостики для создания нескольких полимеров, которые принимают конформацию двойной спирали, очень похожую на ДНК . [24] В одном примере они включили платину, чтобы создать двойной спиральный металлополимер. [25] Начиная с их мономера и бифенила платины (II) (рис. 8), их металлополимер самособирается посредством серии реакций обмена лигандов . Две половины мономера скреплены вместе солевым мостиком между депротонированным карбоксилатом и протонированными атомами азота.

Рис. 8. Самосборка двухспирального металлополимера.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Догерти, Деннис А. (2006). Современная физико-органическая химия . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 978-1-891389-31-3.
  2. ^ Маркус Y, Хефтер G (ноябрь 2006 г.). «Ионное спаривание». Химические обзоры . 106 (11): 4585–621. DOI : 10.1021 / cr040087x . PMID 17091929 . 
  3. Перейти ↑ Isaacs N (1996). Физико-органическая химия (2-е изд.). Англия: Лонгманс. ISBN 978-0582218635.[ требуется страница ]
  4. ^ Ионные взаимодействия в природных и синтетических макромолекулах (A. Ciferri и A. Perico, Eds), 2012 John Wiley & Sons, Inc., стр. 35 и далее ISBN 978-0-470-52927-0 . 
  5. Перейти ↑ Chase MW (1998). Термохимические таблицы NIST-JANAF . J. Phys. Chem. Ref. Данные. Монография 9 (изд. Четвертое). С. 1–1951.
  6. ^ Шнайдер HJ, Яцимирский AK, ред. (2000). Принципы и методы супрамолекулярной химии . Чичестер: Вайли. ISBN 978-0-471-97253-2.[ требуется страница ]
  7. Перейти ↑ Biedermann F, Schneider HJ (май 2016 г.). «Экспериментальные энергии связи в супрамолекулярных комплексах». Химические обзоры . 116 (9): 5216–300. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.5b00583 . PMID 27136957 . 
  8. ^ Schneider HJ (2009). «Механизмы связывания в супрамолекулярных комплексах». Angewandte Chemie . 48 (22): 3924–77. DOI : 10.1002 / anie.200802947 . PMID 19415701 . 
  9. ^ Даниэле П., Foti С, Gianguzza А, Prenesti Е, Sammartano S (2008). «Слабые комплексы щелочных и щелочноземельных металлов низкомолекулярных лигандов в водном растворе». Обзоры координационной химии . 252 (10–11): 1093–1107. DOI : 10.1016 / j.ccr.2007.08.005 .
  10. ^ Аль-Хаггар М, Мадей-Пилярчик А, Козловский л, Буйницкого Ю.М., Яхья S, Абдель-Хади D, Шамс А, Ахмад N, S Хамед, Puzianowska-Kuznicka М (ноябрь 2012 года). «Новая гомозиготная мутация LMNA p.Arg527Leu в двух неродственных египетских семьях вызывает перекрывающуюся мандибулоакральную дисплазию и синдром прогерии» . Европейский журнал генетики человека . 20 (11): 1134–40. DOI : 10.1038 / ejhg.2012.77 . PMC 3476705 . PMID 22549407 .  
  11. ^ a b Кумар С., Нусинов Р. (июль 2002 г.). «Близкие электростатические взаимодействия в белках». ChemBioChem . 3 (7): 604–17. DOI : 10.1002 / 1439-7633 (20020703) 3: 7 <604 :: АИД-CBIC604> 3.0.CO; 2-Х . PMID 12324994 . 
  12. ^ a b Андерсон Д.Е., Бектель В.Дж., Далквист Ф.В. (март 1990 г.). «pH-индуцированная денатурация белков: один солевой мостик вносит 3-5 ккал / моль в свободную энергию сворачивания лизоцима Т4». Биохимия . 29 (9): 2403–8. DOI : 10.1021 / bi00461a025 . PMID 2337607 . 
  13. ^ Becktel WJ, Schellman JA (ноябрь 1987). «Кривые стабильности белков». Биополимеры . 26 (11): 1859–77. DOI : 10.1002 / bip.360261104 . PMID 3689874 . 
  14. ^ a b Горовиц А., Серрано Л., Аврон Б., Байкрофт М., Фершт А. Р. (декабрь 1990 г.). «Сила и совместимость вкладов поверхностных солевых мостиков в стабильность белка». Журнал молекулярной биологии . 216 (4): 1031–44. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (99) 80018-7 . PMID 2266554 . 
  15. Перейти ↑ Sun DP, Sauer U, Nicholson H, Matthews BW (июль 1991). «Вклад сконструированных поверхностных солевых мостиков в стабильность лизоцима Т4 определяется направленным мутагенезом». Биохимия . 30 (29): 7142–53. DOI : 10.1021 / bi00243a015 . PMID 1854726 . 
  16. ^ a b Strop P, Mayo SL (февраль 2000 г.). «Вклад поверхностных солевых мостиков в стабильность белка» (PDF) . Биохимия . 39 (6): 1251–5. DOI : 10.1021 / bi992257j . PMID 10684603 .  
  17. ↑ Bianchi A, Bowman-James K, García-España E, ред. (1997). Супрамолекулярная химия анионов . Нью-Йорк: Wiley-VCH. ISBN 9780471186229.
  18. ↑ Bowman-James K, Bianchi A, García-Espana E, ред. (2012). Координационная химия анионов . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 978-3527323708.
  19. ^ Сесслер JL, Gale PA, Cho WS, ред. (2006). Химия анионных рецепторов . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN 978-0854049745.
  20. ^ Gale PA, Деан W, ред. (2010). Распознавание анионов в супрамолекулярной химии . Springer Science. Bibcode : 2010arsc.book ..... G . ISBN 978-3642264702.
  21. ^ Busschaert N, Кальтаджироне C, Ван Rossom W, Gale PA (май 2015). «Приложения распознавания супрамолекулярных анионов» . Химические обзоры . 115 (15): 8038–155. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.5b00099 . PMID 25996028 . 
  22. ↑ Evans NH, Beer PD (октябрь 2014 г.). «Достижения в области супрамолекулярной химии анионов: от признания к химическим приложениям» (PDF) . Angewandte Chemie International Edition . 53 (44): 11716–54. DOI : 10.1002 / anie.201309937 . PMID 25204549 .  
  23. ^ Kuberski B, Szumna A (апрель 2009). «Самособирающаяся хиральная капсула с полярным внутренним пространством». Химические сообщения (15): 1959–61. DOI : 10.1039 / b820990a . PMID 19333456 . 
  24. Перейти ↑ Liu J, Lam JW, Tang BZ (ноябрь 2009 г.). «Ацетиленовые полимеры: синтезы, структуры и функции». Химические обзоры . 109 (11): 5799–867. DOI : 10.1021 / cr900149d . PMID 19678641 . 
  25. ^ Ikeda M, Танака Y, Hasegawa T, Furusho Y, Яшима E (май 2006). «Конструирование двухцепочечных металлосупрамолекулярных полимеров с контролируемой спиральностью путем сочетания солевых мостиков и координации металлов». Журнал Американского химического общества . 128 (21): 6806–7. DOI : 10.1021 / ja0619096 . PMID 16719458 .