Сутек байланысы мен иондық байланыстың химиядағы үйлесімі

Кіріспе

Химияда сутек және иондық байланыстардың үйлесімі. Электрохимияда қолданылатын құрылғы.

Химияда тұз көпірі – екі ковалентті емес өзара әрекеттесудің үйлесімі: сутек байланысы және иондық байланыс (1-сурет). Иондық жұптасу химияда, биологиялық жүйелерде, әртүрлі материалдарда және иондық жұп хроматографиясы сияқты көптеген қолданыстардағы ең маңызды ковалентті емес күштердің бірі болып табылады. Бұл энтропиялық тұрақсыздыққа қарамастан, белоктардың бүктелу конформациясының тұрақтылығына ең көп кездесетін үлес қосады. Ковалентті емес өзара әрекеттесулер салыстырмалы түрде әлсіз болғанымен, шағын тұрақтандыру өзара әрекеттесулері конформердің жалпы тұрақтылығына маңызды үлес қосуы мүмкін. Тұз көпірлері тек ақуыздарда ғана емес, сонымен қатар супрамолекулалық химияда да кездеседі. Әрқайсысының термодинамикасы эксперименттік процедуралар арқылы зерттеледі, осы арқылы тұз көпірінің жалпы еркін энергиясына қосқан еркін энергия мөлшері анықталады.

Химиялық байланыстағы тұз көпірлері

Суда тұз көпірлерінің немесе иондық жұптардың қалыптасуы көбінесе энтропиямен басқарылады, әдетте, өзара әрекеттесетін иондардың бірігу кезінде олардың десольватациясының нәтижесінде қолайсыз ΔH үлестерімен бірге жүреді. Сутекті байланыстар, мысалы, протонды аммоний иондарымен иондық жұптардың тұрақтылығына үлес қосады, ал аниондар карбоксилат, фосфат сияқты жағдайларда депротондау арқылы қалыптасады; содан кейін ассоциация константалары pH-қа тәуелді болады. Иондық жұптасуға қатысты энтропиялық күштер (маңызды H байланысының болмауы жағдайында) метанол еріткіш ретінде де кездеседі. Поляр емес еріткіштерде өте жоғары ассоциация константаларына ие контактілік иондық жұптар қалыптасады; газ фазасында, мысалы, сілтілік галоидтардың ассоциациялық энергиясы 200 кДж/моль-ге дейін жетеді. Бьеррум немесе Фуосс теңдеуі иондық жұптардың қауымдасуын zA және zB иондық зарядтарының және ортаның диэлектрлік тұрақтысы ε функциясы ретінде сипаттайды; тұрақтылық ΔG және zAzB арасындағы сәйкес график 200-ден астам иондық жұптар үшін иондардың кең ауқымында күтілетін сызықтық корреляцияны көрсетеді. Органикалық емес, сондай-ақ органикалық иондар орташа иондық күштікте I шамамен 5-6 кДж/моль тұз көпірлік ассоциациясының ΔG мәндерін, анион мен катионның 1:1 комбинациясы үшін, иондардың сипатына (өлшемі, поляризациялануы және т.б.) дерлік тәуелсіз көрсетеді. ΔG мәндері қосымша және зарядтардың шамамен сызықтық функциясы болып табылады, мысалы, екі рет зарядталған фосфат анионының бір рет зарядталған аммоний катионымен өзара әрекеттесуі шамамен 2x5 = 10 кДж/моль құрайды. ΔG мәндері Дебай-Гюккель теңдеуімен сипатталған ерітіндідегі иондық күшке I тәуелді, нөлдік иондық күштікте ΔG = 8 кДж/моль байқалады. Анион зарядының z функциясы ретінде сілтілік иондық жұптардың тұрақтылығын егжей-тегжейлі теңдеу арқылы сипаттауға болады.

Белоктардағы тұз көпірлері

Тұз көпірі көбінесе аспартик қышқылы немесе глутамин қышқылының анионды карбоксилаты (RCOO−) және лизиннің катионды аммонийы (RNH3+) немесе аргининнің гуанидинийі (RNHC(NH2)2+) арқылы қалыптасады (сурет 2). Ақуызда кездесетін аминқышқылдарының көптеген иондалатын бүйір тізбектерінің болуына байланысты, ақуыздың орналасқан ортаның pH деңгейі оның тұрақтылығы үшін өте маңызды.

Белсенді-лиганд кешендеріндегі тұз көпірлері

Тұздық көпірлер ақуыз бен кіші молекулалық лигандтар арасында да қалыптасуы мүмкін. Протеин деректер банкінен алынған 1100-ден астам ерекше ақуыз-лиганд кешендері өздерінің ақуыздық нысаналарымен тұздық көпірлер құрайтыны анықталды, бұл тұздық көпірлердің дәрілік заттар мен ақуыздың өзара әрекеттесуінде жиі кездесетінін көрсетеді. Олар гидралазалар, трансферазалар, киназалар, редуктазалар, оксидоредуктазалар, лиазалар және G белоктарымен байланысқан рецепторлар (GPCR) сияқты әртүрлі фермент кластарының құрылымдарын қамтиды. Жақындағы зерттеулер тұздық көпірлердің ақуыз-лиганд кешендерін тұрақтандыруда маңызды рөл атқаратынын көрсетті. Олар ақуыздың конформациясын тұрақтандыратын молекулалық қысқыштар ретінде әрекет етеді және ингибитордың белсенділігін жүздеген есеге арттыра алады. Сондықтан лигандтар мен олардың ақуыздық нысаналары арасындағы тұздық көпірлерді енгізу рационалды дәрі-дәрмектерді жобалауда құнды құрал болуы мүмкін.

Тұз көпірінің белоктардағы тұрақтылығын өлшеу әдістері

Тұз көпірінің ақуыздың бүктелген күйіндегі жалпы тұрақтылығына қосқан үлесін мутагенез зерттеулері мен ядролық магниттік резонанс техникасынан алынған термодинамикалық деректер арқылы бағалауға болады. Жоғары pH-дегі тұнбаға түсудің алдын алу үшін арнайы мутацияланған псевдожабайы типтегі белокты пайдаланып, тұз көпірінің бүктелген белок күйінің жалпы еркін энергиясына қосқан үлесін нүктелік мутация жасау арқылы, тұз көпірін өзгерту және, нәтижесінде, бұзу арқылы анықтауға болады. Мысалы, T4 лизозимінде 70-ші қалдықтағы аспартик қышқылы (Asp) мен 31-ші қалдықтағы гистидин (His) арасында тұз көпірі бар екендігі анықталды (3-сурет). Аспарагинмен (Asn) (4-сурет) сайтқа бағытталған мутагенез жүргізілді, нәтижесінде үш жаңа мутант алынды: Asp70Asn His31 (1-мутант), Asp70 His31Asn (2-мутант) және Asp70Asn His31Asn (қос мутант). Мутанттар анықталғаннан кейін тұз көпірімен байланысты еркін энергияны есептеу үшін екі әдіс қолданылуы мүмкін. Бір әдіс жабайы типтегі белоктың балқу температурасын үш мутанттың балқу температурасымен салыстыруды қамтиды. Денетурацияны айналмалы дихроизмнің өзгеруі арқылы бақылауға болады. Балқу температурасының төмендеуі тұрақтылықтың төмендеуін көрсетеді. Бұл Бектел мен Шеллман сипаттаған әдіспен сандық түрде анықталады, онда екі күй арасындағы еркін энергия айырмасы ΔTΔS арқылы есептеледі. Бұл есептеуде кейбір қиындықтар бар және оны өте дәл деректермен ғана пайдалануға болады. T4 лизозим мысалында псевдожабайы типтегі ΔS бұрын pH 5.5-те өлшенген, сондықтан осы pH-дағы 11 °C орта температура айырмашылығын 360 кал/(моль·К) (1.5 кДж/(моль·К)) ΔS-мен көбейту шамамен -4 ккал/моль (-17 кДж/моль) еркін энергияның өзгеруін береді. Бұл мән тұз көпірінің ақуыздың тұрақтылығына қосқан еркін энергиясының мөлшеріне сәйкес келеді. Екінші әдіс ядролық магниттік резонанс спектроскопиясын пайдаланып тұз көпірінің еркін энергиясын есептейді. Карбоксил немесе аммоний тобының жанындағы көміртектің протондарына сәйкес келетін химиялық ығысуды тіркей отырып, титрлеу жүргізіледі. Титрлеу қисығының орта нүктесі pKa-ға, яғни протонды және депротонды молекулалардың арақатынасы 1:1 болатын pH-қа сәйкес келеді. T4 лизозим мысалында 31-ші гистидиннің C2 протонының ығысуын бақылау арқылы титрлеу қисығы алынады (5-сурет). 5-суретте Asp70 Asn мутантымен жабайы тип арасындағы титрлеу қисығының ығысуы көрсетілген. Тұз көпірі депротонды Asp70 және протонды His31 арасында қалыптасады. Бұл өзара әрекеттесу His31-дің pKa-сында байқалатын ығысуға себеп болады. Тұз көпірі жоқ жабайы типтегі белокта His31-дің pKa-сы орташа иондық күшті H2O буферлерінде 6.8-ге тең деп хабарланады. 5-суретте жабайы типтің pKa-сы 9.05-ке тең. Бұл айырмашылық His31-дің Asp70-пен өзара әрекеттесуімен расталады. Тұз көпірін сақтау үшін His31 протонын мүмкіндігінше ұзақ уақыт сақтауға тырысады. Тұз көпірі бұзылғанда, мысалы, D70N мутантында, pKa 6.9 мәніне қайта оралады, бұл His31-дің депротонды күйіне жақын. pKa айырмашылығы тұз көпірінің еркін энергияға қосқан үлесін көрсету үшін өлшенуі мүмкін. Гиббс еркін энергиясын пайдалану: ΔG = −RT ln(Keq), мұнда R – әмбебап газ тұрақтысы, T – кельвиндегі температура, ал Keq – тепе-теңдіктегі реакцияның тепе-теңдік тұрақтысы. His31 депротондануы – қышқылдық тепе-теңдік реакциясы, оның ерекше Keq қышқылдық диссоциация тұрақтысы Ka ретінде белгілі: His31 H+ ⇌ His31 + H+. pKa Ka-ға келесідей байланысты: pKa = −log(Ka). Мутант пен жабайы тип арасындағы еркін энергия айырмашылығын есептеуді еркін энергия теңдеуі, pKa анықтамасы, байқалған pKa мәндері және табиғи логарифмдер мен логарифмдер арасындағы байланыс арқылы жүзеге асыруға болады. T4 лизозим мысалында бұл тәсіл жалпы еркін энергияға шамамен 3 ккал/моль үлес екенін көрсетті. Жоғары иондық күштерде тұз көпірі электростатикалық өзара әрекеттесуге байланысты толығымен жасырылуы мүмкін. T4 лизозимдегі His31 Asp70 тұз көпірі ақуыздың ішінде көмілген. Энтропия беттік тұз көпірлерінде үлкен рөл атқарады, онда әдетте қозғалу қабілеті бар қалдықтар электростатикалық өзара әрекеттесуі мен сутекті байланысымен шектеледі. Бұл энтропияны өзара әрекеттесудің үлесін жоятын деңгейге дейін төмендететіні көрсетілді. Беттік тұз көпірлерін қос мутантты циклдар мен ЯМР титрлеуін қолдана отырып, көмілген тұз көпірлерін зерттеуге ұқсас түрде зерттеуге болады. Тұз көпірлері тұрақтылыққа ықпал ететін жағдайлар бар, бірақ басқа нәрселер сияқты, ерекше жағдайлар бар және тұз көпірлері тұрақсыздық әсерін көрсетуі мүмкін. Иондық жұптасу аниондық кешендеме үшін ең маңызды қозғаушы күш болып табылады, бірақ селективтілік, мысалы, галогендер қатарында, көбінесе сутекті байланыстардың үлесі арқасында қол жеткізілді.

The contribution of a salt bridge to the overall stability to the folded state of a protein can be assessed through thermodynamic data gathered from mutagenesis studies and nuclear magnetic resonance techniques. Using a mutated pseudo wild type protein specifically mutated to prevent precipitation at high pH, the salt bridge’s contribution to the overall free energy of the folded protein state can be determined by performing a point mutation, altering and, consequently, breaking the salt bridge. For example, a salt bridge was identified to exist in the T4 lysozyme between aspartic acid (Asp) at residue 70 and a histidine (His) at residue 31 (Figure 3). Site directed mutagenesis with asparagine (Asn) (Figure 4) was done obtaining three new mutants: Asp70Asn His31 (Mutant 1), Asp70 His31Asn (Mutant 2), and Asp70Asn His31Asn (Double Mutant). Once the mutants have been established, two methods can be employed to calculate the free energy associated with a salt bridge. One method involves the observation of the melting temperature of the wild type protein versus that of the three mutants. The denaturation can be monitored through a change in circular dichroism. A reduction in melting temperature indicates a reduction in stability. This is quantified through a method described by Becktel and Schellman where the free energy difference between the two is calculated through ΔTΔS. There are some issues with this calculation and can only be used with very accurate data. In the T4 lysozyme example, ΔS of the pseudo wild type had previously been reported at pH 5.5 so the midpoint temperature difference of 11 °C at this pH multiplied by the reported ΔS of 360 cal/(mol·K) (1.5 kJ/(mol·K)) yields a free energy change of about −4 kcal/mol (−17 kJ/mol). This value corresponds to the amount of free energy contributed to the stability of the protein by the salt bridge. The second method utilizes nuclear magnetic resonance spectroscopy to calculate the free energy of the salt bridge. A titration is performed, while recording the chemical shift corresponding to the protons of the carbon adjacent to the carboxylate or ammonium group. The midpoint of the titration curve corresponds to the pKa, or the pH where the ratio of protonated: deprotonated molecules is 1:1. Continuing with the T4 lysozyme example, a titration curve is obtained through observation of a shift in the C2 proton of histidine 31 (Figure 5). Figure 5 shows the shift in the titration curve between the wild type and the mutant in which Asp70 is Asn. The salt bridge formed is between the deprotonated Asp70 and protonated His31. This interaction causes the shift seen in His31’s pKa. In the unfolded wild type protein, where the salt bridge is absent, His31 is reported to have a pKa of 6.8 in H2O buffers of moderate ionic strength. Figure 5 shows a pKa of the wild type of 9.05. This difference in pKa is supported by the His31’s interaction with Asp70. To maintain the salt bridge, His31 will attempt to keep its proton as long as possible. When the salt bridge is disrupted, like in the mutant D70N, the pKa shifts back to a value of 6.9, much closer to that of His31 in the unfolded state. The difference in pKa can be quantified to reflect the salt bridge’s contribution to free energy. Using Gibbs free energy:
ΔG = −RT ln(Keq), where R is the universal gas constant, T is the temperature in kelvins, and Keq is the equilibrium constant of a reaction in equilibrium. The deprotonation of His31 is an acid equilibrium reaction with a special Keq known as the acid dissociation constant, Ka: His31 H+ His31 + H+. The pKa is then related to Ka by the following: pKa = −log(Ka). Calculation of the free energy difference of the mutant and wild type can now be done using the free energy equation, the definition of pKa, the observed pKa values, and the relationship between natural logarithms and logarithms. In the T4 lysozyme example, this approach yielded a calculated contribution of about 3 kcal/mol to the overall free energy. At high ionic strengths, the salt bridge can be completely masked since an electrostatic interaction is involved. The His31 Asp70 salt bridge in T4 lysozyme was buried within the protein. Entropy plays a larger role in surface salt bridges where residues that normally have the ability to move are constricted by their electrostatic interaction and hydrogen bonding. This has been shown to decrease entropy enough to nearly erase the contribution of the interaction. Surface salt bridges can be studied similarly to that of buried salt bridges, employing double mutant cycles and NMR titrations. Although cases exist where buried salt bridges contribute to stability, like anything else, exceptions do exist and buried salt bridges can display a destabilizing effect. Ion pairing is the most important driving force for anion complexation, but selectivity e. g. within the halide series has been achieved, mostly by hydrogen bonds contributions.

Молекулалық капсулалар

Молекулалық капсулалар – қонақ молекуланы ұстап алуға және сақтауға арналған химиялық қаңқалар (молекулалық капсулалауға қараңыз). Шумна және оның әріптестері хиральды ішкі кеңістігі бар жаңа молекулалық капсула жасады. Бұл капсула пластикалық Пасха жұмыртқасы сияқты екі бөліктен тұрады (6-сурет). Екі бөліктің арасындағы тұздық байланыстардың өзара әрекеттесуі олардың ерітіндіде өздігінен жиналуына себеп болады (7-сурет). Олар тіпті 60 °C-қа дейін қыздырылғанда да тұрақты болады.

Қос спиральді полимерлер

Ясима және оның әріптестері тұз көпірлерін пайдаланып, ДНК сияқты қос спиральді құрылымға ие бірнеше полимерлерді жасады. Мысалы, олар платинаны қос спиральді металлополимер құру үшін енгізді. Олардың мономеры мен платина(II) бифенилінен (8-сурет) бастап, металлополимерлері лиганд алмасу реакциялары тізбегі арқылы өздігінен жиналады. Мономердің екі жартысы депротонталған карбоксилат пен протонталған азоттар арасындағы тұз көпірмен байланыстырылған.