Изотермическая титровальная калориметрия
Акроним | ИТЦ |
---|---|
Классификация | Термический анализ |
Производители | TA Instruments , Microcal/Malvern Instruments |
Другие методы | |
Связанный | Изотермическая микрокалориметрия Дифференциальная сканирующая калориметрия |
В химической термодинамике изотермическая титровальная калориметрия ( ИТК ) — физический метод определения термодинамических параметров взаимодействий в растворах . [1] [2] Его чаще всего используют для изучения связывания небольших молекул (таких как лекарственные соединения) с более крупными макромолекулами ( белками , ДНК и т. д.) в среде без меток. [3] [4] Он состоит из двух ячеек, заключенных в адиабатический кожух. Исследуемые соединения помещаются в ячейку для образца, а другая ячейка, эталонная, используется в качестве контроля и содержит буфер, в котором растворяется образец.
Методика была разработана Х.Д. Джонстоном в 1968 году в рамках его докторской диссертации. диссертация в Университете Бригама Янга, [5] и считался нишевым, пока не был представлен на коммерческой основе компанией MicroCal Inc. в 1988 году. По сравнению с другими калориметрами ИТК имеет преимущество в том, что не требует каких-либо корректоров, поскольку между системой и окружающей средой не происходит теплообмена.
Термодинамические измерения
[ редактировать ]ITC — это количественный метод, позволяющий определить аффинность связывания ( реакции ), энтальпия ( ) и стехиометрия связывания ( ) взаимодействия двух или более молекул в растворе. Это достигается путем измерения энтальпий серии реакций связывания, вызванных введением раствора одной молекулы в реакционную ячейку, содержащую раствор другой молекулы. Значения энтальпии нанесены на график в зависимости от молярных соотношений, полученных в результате инъекций. Судя по графику, молярная энтальпия реакции , константа сродства ( ) и стехиометрия определяется путем аппроксимации кривой . реакции Изменение свободной энергии Гиббса ( ) и энтропии ( изменение ) можно определить с помощью соотношения:
(где газовая постоянная и – абсолютная температура ).
Для точных измерений аффинности связывания кривая термограммы должна иметь сигмоидальную форму. Профиль кривой определяется значением c, которое рассчитывается по уравнению:
где – стехиометрия связывания, ассоциации константа и – концентрация молекулы в клетке. [1] [6] [7] Значение c должно находиться в диапазоне от 1 до 1000, в идеале от 10 до 100. С точки зрения сродства связывания оно будет примерно от ~ в пределах предельного диапазона. [8]
Инструментальные измерения
[ редактировать ]Изотермический калориметр для титрования состоит из двух идентичных ячеек, изготовленных из высокоэффективного теплопроводящего и химически инертного материала, такого как сплав Хастеллой или золото, окруженных адиабатической рубашкой. [1] [7] Чувствительные схемы термобатареи/термопары используются для обнаружения разницы температур между эталонной ячейкой (заполненной буфером или водой) и ячейкой для образца, содержащей макромолекулу. Перед добавлением лиганда к эталонной ячейке прикладывают постоянную мощность (<1 мВт). Это управляет цепью обратной связи, активируя нагреватель, расположенный на ячейке для образца. [6] В ходе эксперимента лиганд титруется в ячейке для образца в точно известных аликвотах, вызывая либо поглощение, либо выделение тепла (в зависимости от характера реакции). Измерения состоят из зависящей от времени подачи мощности, необходимой для поддержания равных температур между образцом и эталонными ячейками. [5]
При экзотермической реакции температура в ячейке для образца повышается при добавлении лиганда . Это приводит к уменьшению мощности обратной связи к ячейке с образцом (помните: к эталонной ячейке подается эталонная мощность), чтобы поддерживать одинаковую температуру между двумя ячейками. В эндотермической реакции происходит обратное; цепь обратной связи увеличивает мощность для поддержания постоянной температуры (изотермический режим). [1]
Наблюдения представлены как мощность, необходимая для поддержания одинаковой температуры эталона и ячейки с образцом в зависимости от времени. В результате экспериментальные исходные данные представляют собой серию всплесков теплового потока (мощности), причем каждый всплеск соответствует одному впрыску лиганда. Эти всплески/импульсы теплового потока интегрируются по времени, что дает общее количество тепла, передаваемое за впрыск. Затем можно проанализировать характер этих тепловых эффектов в зависимости от молярного соотношения [лиганд]/[макромолекула] и получить термодинамические параметры изучаемого взаимодействия.
Для получения оптимального результата каждой инъекции следует уделять достаточно времени для достижения равновесия реакции. Дегазация проб часто необходима для получения точных результатов измерений, поскольку наличие пузырьков газа внутри ячейки для пробы приведет к искажению графиков данных в записанных результатах. Весь эксперимент проходит под контролем компьютера. [7]
Прямое титрование чаще всего выполняется с помощью ITC для получения термодинамических данных путем связывания двух компонентов реакции непосредственно друг с другом. Однако многие химические реакции и взаимодействия связывания могут иметь более высокую аффинность связывания , превышающую желаемую для c-окна. Чтобы устранить ограничение c-окна и условий для определенных взаимодействий связывания, можно использовать различные методы титрования. В некоторых случаях простое обратное титрование при смене образцов между инъекционным шприцем и ячейкой для образцов может решить проблему, в зависимости от механизма связывания. [9] Для большинства связываний с высоким или низким сродством требуется хелатирование или конкурентное титрование. Этот метод осуществляется путем загрузки раствора предварительно связанного комплекса в ячейку для образца и хелатирования одного из компонентов с помощью реагента с более высокой наблюдаемой аффинностью связывания в пределах желаемого c-окна.
Анализ и интерпретация
[ редактировать ]Апостериорный анализ и инвентаризация протонов
[ редактировать ]Собранные экспериментальные данные отражают не только обязательную термодинамику интересующего взаимодействия, но и любые связанные с ним конкурирующие равновесия . Апостериорный анализ может быть выполнен для определения независимой от буфера или растворителя энтальпии на основе экспериментальной термодинамики, просто выполняя процесс закона Гесса . В приведенном ниже примере показано простое взаимодействие между ионом металла (M) и лигандом (L). B представляет собой буфер, используемый для этого взаимодействия, и представляет собой протоны .
Поэтому,
который можно дополнительно обработать для расчета энтальпии взаимодействия металла с лигандом. [10] [11] Хотя этот пример относится к металлу и лиганду , он применим к любому эксперименту ITC, касающемуся взаимодействий связывания.
В рамках анализа для расчета термодинамики, независимой от растворителя, требуется определенное количество протонов. Это можно легко сделать, построив график, подобный показанному ниже.
Линейное уравнение этого графика представляет собой переработанную версию приведенного выше уравнения, полученного в результате апостериорного анализа, в форме y = mx + b:
Константа равновесия
[ редактировать ]Константа равновесия реакции также не является независимой от других конкурирующих равновесий. Конкуренция будет включать буферные взаимодействия и другие реакции, зависящие от pH, в зависимости от условий эксперимента. Конкуренция со стороны видов, отличных от интересующих видов, включена в коэффициент конкуренции Q в следующем уравнении: [11]
где, представляет такие виды, как буфер или протоны, представляет их константу равновесия, когда,
Приложения
[ редактировать ]За последние 30 лет изотермическая титровальная калориметрия использовалась в самых разных областях. Раньше этот метод использовался для определения фундаментальных термодинамических величин основных низкомолекулярных взаимодействий. [12] В последние годы ITC использовался в более промышленно применимых областях, таких как открытие лекарств и тестирование синтетических материалов . Хотя он по-прежнему широко используется в фундаментальной химии, тенденция сместилась в сторону биологии, где относительно труднее достичь значений без меток и независимых от буфера. [13] [14]
Кинетика ферментов
[ редактировать ]Используя термодинамические данные ITC, можно вывести кинетику ферментов, включая перенос протонов или электронов , аллостерию и кооперативность , а также ингибирование ферментов . [15] [16] ITC собирает данные с течением времени, что полезно для любых кинетических экспериментов, особенно с белками, благодаря постоянным аликвотам инъекций. С точки зрения расчета, константа равновесия и наклоны связывания могут быть непосредственно использованы для определения аллостерии и переноса заряда путем сравнения экспериментальных данных в различных условиях ( рН , использование мутированной пептидной цепи и сайтов связывания и т. д.).
Исследования мембран и самособирающихся пептидов
[ редактировать ]С помощью этого метода можно изучать мембранные белки и свойства самосборки некоторых белков, поскольку это калориметр без меток . Известно, что мембранные белки испытывают трудности с выбором правильных протоколов солюбилизации и очистки. Поскольку ITC является неразрушающим калориметрическим инструментом, его можно использовать в качестве детектора для определения фракции белка с желаемыми сайтами связывания путем связывания известного связывающего лиганда с белком. [17] Эта особенность также применима при изучении самосборки белков, особенно при использовании измерения термодинамики их структурных преобразований . [18]
Разработка лекарств
[ редактировать ]Сродство связывания имеет огромное значение в медицинской химии, поскольку лекарства должны эффективно связываться с белком в желаемом диапазоне. Однако определение изменений энтальпии и оптимизация термодинамических параметров чрезвычайно сложны при разработке лекарств. [19] ITC легко решает эту проблему, определяя сродство связывания, энтальпийный/энтропийный вклад и стехиометрию связывания.
Хиральная химия
[ редактировать ]Применяя изложенные выше идеи, хиральность металлоорганических соединений. с помощью этого метода можно также вывести [20] Каждое хиральное соединение имеет свои уникальные свойства и механизмы связывания, сравнимые друг с другом, что приводит к различиям в термодинамических свойствах. Путем связывания хиральных растворов в сайте связывания можно определить тип хиральности и, в зависимости от цели, какое хиральное соединение больше подходит для связывания.
Взаимодействие металлических связей
[ редактировать ]Связывание ионов металлов с белком и другими компонентами биологического материала является одним из наиболее популярных применений ИТК, поскольку исследование связывания овотрансферрина с трехвалентным железом опубликовано Lin et al. от MicroCal Inc. [21] Это связано с тем, что некоторые ионы металлов, используемые в биологических системах, имеют d 10 электронная конфигурация, которую невозможно изучить с помощью других распространенных методов, таких как УФ-Вид спектрофотометрия или электронный парамагнитный резонанс . [8] [10] Он также тесно связан с биохимическими и медицинскими исследованиями из-за большого количества металлосвязывающих ферментов в биологических системах. [22]
Углеродные нанотрубки и родственные материалы
[ редактировать ]Этот метод хорошо использовался при изучении углеродных нанотрубок для определения термодинамических взаимодействий связывания с биологическими молекулами и взаимодействий с графеновыми композитами . [23] Еще одним заметным применением ITC с углеродными нанотрубками является оптимизация получения углеродных нанотрубок из графенового композита и поливинилового спирта (ПВС) . Процесс сборки ПВС можно измерить термодинамически, поскольку смешивание двух ингредиентов представляет собой экзотермическую реакцию, и тенденцию к связыванию можно легко наблюдать с помощью ITC.
См. также
[ редактировать ]- Дифференциальная сканирующая калориметрия
- Интерферометрия двойной поляризации
- Сорбционная калориметрия
- Калориметрия возмущений давления
- Поверхностный плазмонный резонанс
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Фрейре, Эрнесто; Майорга, Обдулио Л.; Страуме, Мартин (1 сентября 1990 г.). «Изотермическая титровальная калориметрия» . Аналитическая химия . 62 (18): 950А–9А. дои : 10.1021/ac00217a002 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Гролье, Жан-Пьер Э.; дель Рио, Хосе Мануэль (2012). «Изотермическая титровальная калориметрия: термодинамическая интерпретация измерений» . Журнал химической термодинамики . 55 : 193–202. Бибкод : 2012JChTh..55..193Г . дои : 10.1016/j.jct.2012.05.018 .
- ^ Сердюк; Заккай; Заккай (2017). «Изотермическая титровальная калориметрия C3» . Методы молекулярной биофизики: Структура, динамика, функции . Издательство Кембриджского университета. стр. 221–233. дои : 10.1017/CBO9780511811166 . ISBN 978-0-511-64901-1 .
- ^ Куриян; Конфорти; Веммер (2013). «12.23 Изотермическая титровальная калориметрия позволяет определять энтальпийную и энтропийную составляющие свободной энергии связи.». Молекулы жизни: Физические и химические основы . Издательство «Гирлянда». стр. 573–7.
- ^ Jump up to: а б Джонстон, HD (1968). Термодинамика (lg K, ΔH°, ΔS°, ΔCp°) взаимодействия металлов с лигандами в водном растворе (к.т.н.). Университет Бригама Янга.
- ^ Jump up to: а б Быстрый старт: изотермическая титровальная калориметрия (ITC) (2016). ТА Инструмент. Нью-Касл, Делавэр.
- ^ Jump up to: а б с Руководство по эксплуатации VP-ITC (2001 г.). Microcal Inc., Нортгемптон, Массачусетс.
- ^ Jump up to: а б Стивенсон, М.Дж. (2016) Термодинамические исследования Cu(I) и других веществ 10 ионы металлов связываются с белками по пути гомеостаза меди и пути детоксикации ртутьорганических соединений. Дартмутский колледж.
- ^ Гролье, Жан-Пьер Э.; дель Рио, Хосе Мануэль (2015). «Изотермическая титровальная калориметрия: применение уравнения Гиббса – Дюгема к изучению взаимосвязи между прямым и обратным титрованием» . Журнал химии растворов . 44 (5): 987–1003. дои : 10.1007/s10953-014-0243-7 . ISSN 0095-9782 . S2CID 98752781 .
- ^ Jump up to: а б Гроссёме, Николас Э.; Спучес, Энн М.; Уилкокс, Дин Э. (2010). «Применение изотермической титровальной калориметрии в бионеорганической химии» . Журнал биологической неорганической химии . 15 (8): 1183–91. дои : 10.1007/s00775-010-0693-3 . ISSN 0949-8257 . ПМИД 20725755 . S2CID 28672066 .
- ^ Jump up to: а б Куинн, Колетт Ф.; Карпентер, Маргарет К.; Крото, Молли Л.; Уилкокс, Дин Э. (2016), «Измерения изотермической титровальной калориметрии ионов металлов, связывающихся с белками», Калориметрия , Методы в энзимологии, том. 567, Elsevier, стр. 3–21, номер документа : 10.1016/bs.mie.2015.08.021 , ISBN. 978-0-12-802906-0 , PMID 26794348 , получено 15 февраля 2023 г.
- ^ Пэрриш, У.Р. (1986). «Последние достижения калориметрии» . Жидкостно-фазовые равновесия . 29 : 177–192. Бибкод : 1986FlPEq..29..177P . дои : 10.1016/0378-3812(86)85020-8 .
- ^ Фальконер, Роберт Дж. (2016). «Применение изотермической титровальной калориметрии - исследования и технические разработки с 2011 по 2015 год: Обзор изотермической титровальной калориметрии с 2011 по 2015 год» . Журнал молекулярного распознавания . 29 (10): 504–515. дои : 10.1002/jmr.2550 . ПМИД 27221459 . S2CID 206095685 .
- ^ Фальконер, Роберт Дж.; Шур, Боэло; Миттермайер, Энтони К. (2021). «Применение изотермической титровальной калориметрии в чистых и прикладных исследованиях с 2016 по 2020 годы» . Журнал молекулярного распознавания . 34 (10): e2901. дои : 10.1002/jmr.2901 . ISSN 0952-3499 . ПМИД 33975380 . S2CID 234472084 .
- ^ Ван, Юн; Ван, Гуаньюй; Муатсье, Николя; Миттермайер, Энтони К. (19 октября 2020 г.). «Кинетика ферментов с помощью изотермической титровальной калориметрии: аллостерия, ингибирование и динамика» . Границы молекулярной биологии . 7 : 583826. doi : 10.3389/fmolb.2020.583826 . ISSN 2296-889X . ПМК 7604385 . ПМИД 33195429 .
- ^ Бюрнуф, Доминик; Эннифар, Эрик; Гедич, Зондес; Паффер, Барбара; Хоффманн, Гийом; Бек, Гийом; Дисдье, Франсуа; Бальцингер, Мирей; Дюма, Филипп (11 января 2012 г.). «kinITC: новый метод получения совместных термодинамических и кинетических данных с помощью изотермической титрационной калориметрии» . Журнал Американского химического общества . 134 (1): 559–565. дои : 10.1021/ja209057d . ISSN 0002-7863 . ПМИД 22126339 .
- ^ Драчковский, Петр; Матосюк, Дариуш; Йозвяк, Кшиштоф (2014). «Изотермическая титровальная калориметрия в исследовании мембранных белков» . Журнал фармацевтического и биомедицинского анализа . 87 : 313–325. дои : 10.1016/j.jpba.2013.09.003 . ПМИД 24119484 .
- ^ Кабири, М.; Ансворт, Л.Д. (2014). «Применение изотермической титровальной калориметрии для характеристики термодинамических параметров биомолекулярных взаимодействий: тематические исследования самосборки пептидов и адсорбции белков». Биомакромолекулы . 15 (10): 3463–73. дои : 10.1021/bm5004515 . ПМИД 25131962 .
- ^ Фрейре, Эрнесто (2008). «Энтальпия и энтропия отличают первого в классе от лучшего в своем классе?» . Открытие наркотиков сегодня . 13 (19): 869–874. дои : 10.1016/j.drudis.2008.07.005 . ПМК 2581116 . ПМИД 18703160 .
- ^ Вербер, Л.; Мастай, Ю. (2018). «Изотермическая титровальная калориметрия для хиральной химии». Хиральность . 30 (5): 619–631. дои : 10.1002/чир.22842 . ПМИД 29528520 .
- ^ Лин, Л.Н.; Мейсон, AB; Вудворт, Колорадо; Брандтс, Дж. Ф. (1991). «Калориметрические исследования связывания ионов трехвалентного железа с овотрансферрином и взаимодействия между сайтами связывания». Биохимия . 30 (50): 11660–9. дои : 10.1021/bi00114a008 . ПМИД 1751486 .
- ^ Фаллер, П.; Юро, К.; Дорлет, П.; Хеллвиг, П.; Коппель, Ю.; Коллин, Ф.; Элис, Б. (2012). «Методы и техники изучения бионеорганической химии металлопептидных комплексов, связанных с нейродегенеративными заболеваниями». Обзоры координационной химии . 256 (19–20): 2381–96. дои : 10.1016/j.ccr.2012.03.015 .
- ^ Родригес-Эступиньян, П.; Миранда-Карвахаль, И.; Филдс, ПК; Герреро-Фахардо, Калифорния; Хиральдо, Л.; Морено-Пираджан, JC (2022). «Материалы на основе графена: анализ калориметрическими методами». Журнал термического анализа и калориметрии 147 (17): 9301–51. дои : 10.1007/s10973-022-11206-w .