Введение
Молекулы, нарушающие водородные связи
A chaotropic agent is a molecule in water solution that can disrupt the hydrogen bonding network between water molecules (i. e. exerts chaotropic activity). This has an effect on the stability of the native state of other molecules in the solution, mainly macromolecules (proteins, nucleic acids) by weakening the hydrophobic effect. For example, a chaotropic agent reduces the amount of order in the structure of a protein formed by water molecules, both in the bulk and the hydration shells around hydrophobic amino acids, and may cause its denaturation. Conversely, an antichaotropic agent (kosmotropic) is a molecule in an aqueous solution that will increase the hydrophobic effects within the solution. Antichaotropic salts such as ammonium sulphate can be used to precipitate substances from the impure mixture. This is used in protein purification processes, to remove undesired proteins from solution.
Хаотропный агент – это молекула в водном растворе, способная разрушать сеть водородных связей между молекулами воды (то есть проявлять хаотропную активность). Это оказывает влияние на стабильность нативного состояния других молекул в растворе, главным образом макромолекул (белков, нуклеиновых кислот), ослабляя гидрофобный эффект. Например, хаотропный агент снижает упорядоченность структуры белка, формируемой молекулами воды, как в объеме раствора, так и в гидратных оболочках вокруг гидрофобных аминокислот, и может вызывать его денатурацию. В противоположность этому, антихаотропный агент (космотропный) – это молекула в водном растворе, усиливающая гидрофобные взаимодействия в растворе. Антихаотропные соли, такие как сульфат аммония, могут использоваться для осаждения веществ из загрязненных смесей. Это применяется в процессах очистки белков для удаления нежелательных белков из раствора.
A chaotropic agent is a molecule in water solution that can disrupt the hydrogen bonding network between water molecules (i. e. exerts chaotropic activity). This has an effect on the stability of the native state of other molecules in the solution, mainly macromolecules (proteins, nucleic acids) by weakening the hydrophobic effect. For example, a chaotropic agent reduces the amount of order in the structure of a protein formed by water molecules, both in the bulk and the hydration shells around hydrophobic amino acids, and may cause its denaturation. Conversely, an antichaotropic agent (kosmotropic) is a molecule in an aqueous solution that will increase the hydrophobic effects within the solution. Antichaotropic salts such as ammonium sulphate can be used to precipitate substances from the impure mixture. This is used in protein purification processes, to remove undesired proteins from solution.
Обзор
Хаотропный агент – это вещество, которое нарушает структуру и денатурирует макромолекулы, такие как белки и нуклеиновые кислоты (например, ДНК и РНК). Хаотропные растворенные вещества увеличивают энтропию системы, вмешиваясь в межмолекулярные взаимодействия, опосредованные нековалентными силами, такими как водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные эффекты. Макромолекулярная структура и функция зависят от суммарного эффекта этих сил (см. свертывание белка), поэтому следует, что увеличение концентрации хаотропных растворенных веществ в биологической системе приведет к денатурации макромолекул, снижению ферментативной активности и индуцированию стресса в клетке (то есть клетке придется синтезировать стресс-протекторы). Третичная структура белка зависит от гидрофобных сил аминокислот на протяжении всей последовательности белка. Хаотропные растворенные вещества уменьшают суммарный гидрофобный эффект гидрофобных областей из-за дезорганизации молекул воды, прилегающих к белку. Это способствует растворению гидрофобной области в растворе, тем самым денатурируя белок. Это также непосредственно применимо к гидрофобным областям в липидных бислоях; если критическая концентрация хаотропного растворенного вещества достигнута (в гидрофобной области бислоя), то целостность мембраны будет нарушена, и клетка лизируется. Хаотропные соли, диссоциирующие в растворе, оказывают хаотропное действие посредством различных механизмов. В то время как хаотропные соединения, такие как этанол, нарушают нековалентные внутримолекулярные силы, как описано выше, соли могут обладать хаотропными свойствами, экранируя заряды и предотвращая стабилизацию ионных связей. Водородные связи сильнее в неполярных средах, поэтому соли, увеличивающие химическую полярность растворителя, также могут дестабилизировать водородные связи. Механически это связано с недостаточным количеством молекул воды для эффективной солютации ионов. Это может привести к ион-дипольным взаимодействиям между солями и видами, образующими водородные связи, которые более благоприятны, чем обычные водородные связи. К распространенным хаотропным агентам относятся н-бутанол, этанол, хлорид гуанидина, перхлорат лития, ацетат лития, хлорид магния, фенол, 2-пропанол, додецилсульфат натрия, тиомочевина и мочевина.