Селективность связывания

В химии , селективность связывания определяют по отношению к связыванию 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 реакции замещения одним лигандом другого лиганда в комплексе с субстратом. Селективность связывания имеет большое значение в биохимии. ^[1] и в процессах химического разделения .

Коэффициент избирательности

Концепция селективности используется для количественной оценки степени, в которой одно химическое вещество A связывает каждое из двух других химических веществ, B и C. Самый простой случай - это когда образующиеся комплексы имеют стехиометрию 1: 1 . взаимодействия можно охарактеризовать равновесия $KAB константами$ и $KAC .$ Тогда два ^{[примечание 1]} ${\begin{aligned}{\ce {A + B <=> AB}};&\quad K_{\rm {AB}}={\frac {[{\ce {AB}}]}{{\ce {[A][B]}}}}\\{\ce {A + C <=> AC}};&\quad K_{\rm {AC}}={\frac {{\ce {[AC]}}}{{\ce {[A][C]}}}}\end{aligned}}$ где [X] представляет собой концентрацию вещества X (A, B, C,…).

Коэффициент селективности определяется как отношение двух констант равновесия. $K_{\rm {B,C}}={\frac {K_{\rm {AC}}}{K_{\rm {AB}}}}$ Этот коэффициент селективности фактически является константой равновесия реакции замещения.

${\ce {AB + C <=> AC + B}};\quad K_{\rm {B,C}}={\frac {{\ce {[AC][B]}}}{{\ce {[AB][C]}}}}={\frac {K_{\rm {AC}}{\ce {[A][B][C]}}}{K_{\rm {AB}}{\ce {[A][B][C]}}}}={\frac {K_{\rm {AC}}}{K_{\rm {AB}}}}$

Легко показать, что то же самое определение применимо и к комплексам разной стехиометрии A _p B _q и A _p C _q . Чем больше коэффициент селективности, тем больше лиганд С будет вытеснять лиганд В из комплекса, образованного с субстратом А. Альтернативная интерпретация состоит в том, что чем больше коэффициент селективности, тем меньшая концентрация С необходима для вытеснения В из АВ. . Коэффициенты селективности определяются экспериментально путем измерения двух $KAB равновесия$ и $KAC .$ констант

Приложения

Биохимия

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 конкретных типов сигнальных молекул. Лигандом , может быть , гормон пептид или другая небольшая молекула, например нейромедиатор фармацевтический препарат или токсин. Специфичность рецептора определяется его пространственной геометрией и способом его связывания с лигандом посредством нековалентных взаимодействий , таких как водородные связи или силы Ван-дер-Ваальса . ^[2]

Если рецептор можно выделить, можно разработать синтетический препарат либо для стимуляции рецептора ( агонист) , либо для его блокировки ( антагонист) . Лекарство язвы желудка от циметидин было разработано как H ₂ антагонист путем химической инженерии молекулы для обеспечения максимальной специфичности к изолированной ткани, содержащей рецептор. Дальнейшее использование количественных соотношений структура-активность (QSAR) привело к разработке других агентов, таких как ранитидин .

«Избирательность» при упоминании препарата относительна. Например, в более высокой дозе конкретная молекула лекарства может также связываться с другими рецепторами, кроме тех, которые считаются «селективными».

Хелатная терапия

Деферипрон

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, например, свинца , Pb ²⁺ или ртуть , Hg ²⁺ селективность в отношении кальция , Ca ²⁺ и магний , Mg ²⁺, необходим для того, чтобы обработка не удаляла основные металлы. ^[3]

Селективность определяется различными факторами. В случае перегрузки железом , которая может возникнуть у людей с β- талессемией , получивших переливание крови , ион целевого металла находится в степени окисления +3 и поэтому образует более прочные комплексы, чем двухвалентные ионы. Он также образует более прочные комплексы с лигандами-донорами кислорода, чем с лигандами-донорами азота. дефероксамин , природный сидерофор, продуцируемый актинобактерией Streptomyces pilosus и первоначально использовавшийся в качестве агента хелатной терапии. Синтетические сидерофоры, такие как деферипрон и деферасирокс , были разработаны с использованием известной структуры дефероксамина в качестве отправной точки. ^[4]^[5] Хелатирование происходит с двумя атомами кислорода.

Болезнь Вильсона вызвана нарушением метаболизма меди , что приводит к накоплению металлической меди в различных органах тела. Целевой ион в данном случае двухвалентный Cu ²⁺. Этот ион классифицируется как пограничный в схеме Арланда, Чатта и Дэвиса. ^[6] Это означает, что он образует примерно одинаково прочные комплексы с лигандами, донорными атомами которых являются N, O или F, 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, более проблематично, поскольку используемые лиганды не обладают высокой специфичностью по отношению к кальцию. Например, ЭДТА можно применять в виде соли кальция, чтобы уменьшить удаление кальция из кости вместе с тяжелым металлом. Были рассмотрены факторы, определяющие селективность свинца по отношению к цинку, кадмию и кальцию. ^[7]

Хроматография

При колоночной хроматографии смесь веществ растворяют в подвижной фазе и пропускают на колонке через неподвижную фазу. Фактор селективности определяется как соотношение 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 предположением для чистой фазы. ^[8] Разрешение хроматографической колонки RS _: 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 актуально для газожидкостной хроматографии , где возможна длина колонки до 60 м, что обеспечивает очень большое количество теоретических тарелок.

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

Экстракция растворителем

Экстракция растворителем ^[10] используется для извлечения отдельных элементов -лантаноидов из смесей, встречающихся в природе в таких рудах, как монацит . В одном процессе ионы металлов в водном растворе образуют комплексы с трибутилфосфатом (ТБФ), которые экстрагируются органическим растворителем, например керосином . Полное разделение достигается с помощью метода противоточного обмена . Ряд ячеек расположены 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 имеет значения, коэффициент селективности равен отношению констант устойчивости комплексов ТБФ двух ионов металлов. Для элементов-лантаноидов, соседних в таблице Менделеева, это соотношение не намного превышает 1, поэтому в каскаде необходимо много ячеек.

Химические датчики

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

Коэффициент потенциометрической селективности определяет способность электрода ионоселективного 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 (отдельныеметод решения). ^[12] Например, калия , селективном к ионам в мембранном электроде , используется встречающийся в природе макроциклический антибиотик валиномицин . В этом случае полость в макроциклическом кольце имеет правильный размер, чтобы инкапсулировать ион калия, но слишком велика, чтобы прочно связать ион натрия, что, скорее всего, является помехой.

Химические датчики , ^[13]^[14] разрабатываются для конкретных целевых молекул и ионов, в которых мишень (гость) образует комплекс с сенсором (хозяином). Датчик разработан таким образом, чтобы идеально соответствовать размеру и форме мишени, чтобы обеспечить максимальную селективность связывания. С датчиком связан индикатор, который претерпевает изменения, когда мишень образует комплекс с датчиком. Изменение индикатора обычно представляет собой изменение цвета (от серого до желтого на рисунке), наблюдаемое по поглощению или, при большей чувствительности, по люминесценции . Индикатор может быть прикреплен к датчику через проставку в исполнении ISR или может быть смещен от датчика в исполнении IDA.

См. также

Примечания

^ Используемые здесь константы являются константами ассоциации . Константы диссоциации используются в некоторых контекстах. Константа диссоциации является обратной константой 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

^ Клотц, И.М. (1997). Лиганд-рецепторная энергетика: Путеводитель для недоумевающих . Уайли. ISBN 978-0-471-17626-8 .
^ Форман, Дж. К.; Йохансен Т., ред. (2003). Учебник рецепторной фармакологии (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1029-4 .
^ Уокер, М.; Шах, Х.Х. (1997). Все, что вам следует знать о хелатной терапии (4-е изд.). Нью-Ханаан, Коннектикут: паб Keats. ISBN 978-0-87983-730-3 .
^ Железоселективные хелаторы с терапевтическим потенциалом в Хидер, Роберт С.; Конг, Сяоле (2013). «Глава 8. Железо: влияние перегрузки и дефицита». В Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигел (ред.). Взаимосвязь между ионами незаменимых металлов и заболеваниями человека . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 13. Дордрехт: Спрингер. стр. 229–294. дои : 10.1007/978-94-007-7500-8_8 . ISBN 9789400774995 . ПМИД 24470094 .
^ Миллер, Марвин Дж. (1989). «Синтез и терапевтический потенциал сидерофоров и аналогов на основе гидроксамовой кислоты». Химические обзоры . 89 (7): 1563–1579. дои : 10.1021/cr00097a011 .
^ Арланд, С.; Чатт, Дж.; Дэвис, НР (1958). «Относительное сродство атомов лигандов к молекулам-акцепторам и ионам». Кварта. Преподобный . 12 (3): 265–276. дои : 10.1039/QR9581200265 .
^ Фаркас, Этелка; Бульо, Питер (2017). «Глава 8. Комплексы свинца (II) аминокислот, пептидов и других родственных лигандов, представляющих биологический интерес». В Астрид, С.; Хельмут, С.; Сигел, RKO (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 17. Берлин, Бостон: де Грюйтер. стр. 201–240. дои : 10.1515/9783110434330-008 . ISBN 9783110434330 . ПМИД 28731301 .
^ Скуг, Д.А.; Уэст, DM; Холлер, Дж. Ф.; Крауч, СР (2004). Основы аналитической химии (8-е изд.). Томсон Брукс/Коул. ISBN 978-0-03-035523-3 . Раздел 30Е
^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Коэффициент селективности k _A/B в ионообменной хроматографии ». дои : 10.1351/goldbook.S05566.html
^ Райс, Нью-Мексико; Ирвинг, HMNH; Леонард, Массачусетс (1993). «Номенклатура жидкостно-жидкостного распределения (экстракции растворителем)» . Чистое приложение. Хим . 65 (11). ИЮПАК: 2373–2396. дои : 10.1351/pac199365112373 . S2CID 98514016 .
^ Ридберг, Дж.; Музыкас, С; Чоппин, GR, ред. (2004). Принципы и практика экстракции растворителем (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3 .
^ Бак, РП; Линдер, Э. (1994). «Рекомендации по номенклатуре ионоселективных электродов» . Чистое приложение. Хим . 66 (12). ИЮПАК: 2527–2536. дои : 10.1351/Pac199466122527 . S2CID 97126225 .
^ Флоринель-Габриэль Бэника, Химические датчики и биосенсоры: основы и приложения, John Wiley and Sons, Чичестер, 2012, Печать ISBN 978-0-470-71066-1
^ Кэтролл, RW (1997). Химические датчики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850090-2 .

[2] Используемые здесь константы являются константами ассоциации . Константы диссоциации используются в некоторых контекстах. Константа диссоциации является обратной константой 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] Клотц, И.М. (1997). Лиганд-рецепторная энергетика: Путеводитель для недоумевающих . Уайли. ISBN 978-0-471-17626-8 .

[3] Форман, Дж. К.; 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, Х.Х. (1997). Все, что вам следует знать о хелатной терапии (4-е изд.). Нью-Ханаан, Коннектикут: паб Keats. ISBN 978-0-87983-730-3 .

[6] Железоселективные хелаторы с терапевтическим потенциалом в Хидер, Роберт С.; Конг, Сяоле (2013). «Глава 8. Железо: влияние перегрузки и дефицита». В Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигел (ред.). Взаимосвязь между ионами незаменимых металлов и заболеваниями человека . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 13. Дордрехт: Спрингер. стр. 229–294. дои : 10.1007/978-94-007-7500-8_8 . ISBN 9789400774995 . ПМИД 24470094 .

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

[8] Арланд, С.; Чатт, Дж.; Дэвис, НР (1958). «Относительное сродство атомов лигандов к молекулам-акцепторам и ионам». Кварта. Преподобный . 12 (3): 265–276. дои : 10.1039/QR9581200265 .

[9] Фаркас, Этелка; Бульо, Питер (2017). «Глава 8. Комплексы свинца (II) аминокислот, пептидов и других родственных лигандов, представляющих биологический интерес». В Астрид, С.; Хельмут, С.; Сигел, RKO (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 17. Берлин, Бостон: де Грюйтер. стр. 201–240. дои : 10.1515/9783110434330-008 . ISBN 9783110434330 . ПМИД 28731301 .

[10] Скуг, Д.А.; Уэст, DM; Холлер, Дж. Ф.; Крауч, СР (2004). Основы аналитической химии (8-е изд.). Томсон Брукс/Коул. ISBN 978-0-03-035523-3 . Раздел 30Е

[11] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Коэффициент селективности k _A/B в ионообменной хроматографии ». дои : 10.1351/goldbook.S05566.html

[12] Райс, Нью-Мексико; Ирвинг, HMNH; Леонард, Массачусетс (1993). «Номенклатура жидкостно-жидкостного распределения (экстракции растворителем)» . Чистое приложение. Хим . 65 (11). ИЮПАК: 2373–2396. дои : 10.1351/pac199365112373 . S2CID 98514016 .

[13] Ридберг, Дж.; Музыкас, С; Чоппин, GR, ред. (2004). Принципы и практика экстракции растворителем (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3 .

[14] Бак, РП; Линдер, Э. (1994). «Рекомендации по номенклатуре ионоселективных электродов» . Чистое приложение. Хим . 66 (12). ИЮПАК: 2527–2536. дои : 10.1351/Pac199466122527 . S2CID 97126225 .

[15] Флоринель-Габриэль Бэника, Химические датчики и биосенсоры: основы и приложения, John Wiley and Sons, Чичестер, 2012, Печать ISBN 978-0-470-71066-1

[16] Кэтролл, RW (1997). Химические датчики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850090-2 .

[1]

[примечание 1]

[2]

[примечание 2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

v т и Химическое равновесие
Концепции	Химическая стабильность Хелатирование Динамическое равновесие Равновесная химия Стадия равновесия Бесплатная энергия Гиббс Гельмгольц Принцип Ле Шателье Разделение фаз Обратимая реакция Термодинамическое равновесие
Модели	Константа равновесия определение Фазовая диаграмма Диаграмма доминирования Правило фаз Коэффициент реакции Термодинамическая активность
Приложения	Буферный раствор Равновесие разворачивается Жидкостно-жидкостная экстракция
Конкретные равновесия	Кислотная диссоциация Функция кислотности Гаммета Константа связывания Селективность связывания Координационные комплексы Макроциклический эффект Константа диссоциации Гидролиз Самоионизация воды Раздел Коэффициент распределения Растворимость Эффект общего иона Пар–жидкость Закон Генри