Vnútromolekulové a medzimolekulové interakcie

Transcript

1 Vnútromolekulové a medzimolekulové interakcie

2 Vnútro- a medzimolekulové interakcie Atómy a molekuly pôsobia na seba silami a vytvárajú vzájomné väzby, ktoré determinujú štruktúru molekúl, ktorá určuje ich funkciu a vlastnosti. Všetky vnútro- a medzimolekulové sily sú elektromagnetického pôvodu. Medzimolekulové interakcie existujú aj medzi elektricky neutrálnymi molekulami - ich existencia je spôsobená asymetrickou distribúciou náboja v molekule a polarizovateľnosťou molekúl. Medzimolekulové interakcie sú charakterizované potenciálovou funkciou U(r) (r - vzdialenosť medzi interagujúcim časticami). Sila medzi interagujúcimi časticami: - príťažlivá sila : (dôsledok príťažlivých elektrických síl) - odpudivá sila : (dôsledok Pauliho vylučovacieho princípu) - krátkodosahová : - ďalekodosahová : F F U U < > 0 0 ( r ) 1 n r n > 3 ( r ) 1 n r n 3 F = du ( r ) d r

3 Vnútro- a medzimolekulové interakcie Kovalentné väzby (~ kj mol -1 ) Vodíkové väzby (10-40 kj mol -1 ) Iónové interakcie (~ kj mol -1 ) Hydrofóbne interakcie (~ 3 kj mol -1 ) Van der Waalsove interakcie ( 4-6 kj mol -1 )

4 Kovalentné väzby Vnútromolekulová väzba medzi dvoma atómami prostredníctvom zdieľania jedného, alebo viacerých elektrónových párov. Kovalentné väzby sú zodpovedné za stabilnú architektúru molekúl. Ich značná energetická hodnota (~ 100 kj.mol -1 ) znemožňuje disociáciu týchto väzieb za normálnych fyziologických podmienok. Pre tvorbu a zánik kovalentných väzieb v biologicky dôležitých molekulách je nevyhnutná prítomnosť špecifických enzýmov. - nepolárna (čistá) kovalentná väzba - rozdiel elektronegativít medzi atómami vo väzbe v intervale polárna kovalentná väzba - rozdiel elektronegativít medzi atómami vo väzbe Násobnosť kovalentných väzieb: - v biologicky významných molekulách sa najčastejšie vyskytuje jednoduchá, dvojitá alebo trojitá väzba

5 Coulombovské (iónové) interakcie Elektrostatické interakcie sú dlhodosahové: ( r ) = K. q q r U. 1 2 K = 1 4.π.ε ε permitivita prostredia q 1, q 2 veľkosti nábojov interagujúcich častíc Avšak aj krátkodosahové interakcie sa môžu vysvetliť pomocou coulombovských interakcií: 1. Interagujúce častice sú elektricky neutrálne, ale majú nehomogénne distribuovaný elektrický náboj vo svojej štruktúre (existencia elektrických dipólov, kvadrupólov, oktapólov). 1. Interagujúce častice sú elektricky neutrálne a nemajú permanentný dipólový (kvadrupólový) moment, ale sú polarizovateľné. Indukcia nehomogénnej distribúcie náboja v molekule vplyvom vonkajšieho elektrického poľa vznik indukovaného dipólu.

6 Coulombovské (iónové) interakcie Dipólový moment permanentného dipólu: μ = q.r [ μ] = C m alebo D (Debye) 1D = 3.33 x10-30 C.m Veľkosť indukovaného dipólu: E - intenzita elektrického poľa α - polarizovateľnosť molekuly μ = α.e

7 Coulombovské (iónové) interakcie Interakcia ión ión Interakčná energia U(r) K 2 Stredná hodnota U(r) vzhľadom na Brownov pohyb. q1. q r K. q1. q2 r Interakcia ión permanentný dipól K. µ. q.cosθ r 2 K µ. q 3. kb. T. r Interakcia ión indukovaný dipól K ε. α. q 2. r K ε. α. q 2. r Interakcia dipól dipól C. K. µ 1. µ 2 r K. µ 1. µ 2 3. kb. T. r C konštanta súvisiaca so vzájomnou orientáciou interagujúcich dipólov K= 1 / (4πε), ε permitivita prostredia r vzdialenosť medzi interagujúcimi iónmi (dipólmi) q veľkosť náboja molekuly (časti molekuly) µ veľkosť dipólového momentu molekuly α polarizovateľnosť molekuly k B Boltzmanova konštanta T termodynamická teplota

8 Katión - π interakcie Interakcia príťažlivého charakteru medzi aromatickými jadrami a katiónmi nachádzajúcimi sa v ich blízkosti. Katión nachádzajúci sa v blízkosti aromatického kruhu dokáže polarizovať tento kruh, čo vedie k interakcii náboj - indukovaný dipól. Samotný aromatický kruh má nábojovú distribúciu, ktorá vedie k vzniku kvadrupólu, čo umožňuje existenciu katión - kvadrupólovej interakcie.

9 van der Waalsove sily Príťažlivé sily, ktoré pôsobia medzi neutrálnymi molekulami sa vo všeobecnosti nazývajú van der Waalsove sily. Sú to krátkodosahové sily v porovnaní s iónovými interakciami. Vznikajú v prípadoch interakcíí: permanentný dipól - permanentný dipól (Keesomove sily) permanentný dipól - indukovaný dipól (Debyeove sily) indukovaný dipól - indukovaný dipól (Londonove disperzné sily) Pri všetkých týchto interakciách je interakčná energia: U 6 ( r ) 1 r Táto interakčná energia príťažlivých síl je pri veľmi malých vzdialenostiach molekúl kompenzovaná odpudivými silami medzi elektrónovými oblakmi približujúcich sa molekúl.

10 Lennard Jonesov potenciál Lennard Jonesov potenciál: ( ) ( ) 6 r = A. r r B ( r r ) 12 U + 0. r 0 rovnovážna vzdialenosť medzi molekulami r vzdialenosť medzi interagujúcimi molekulami A, B konštanty, ktoré sú funkciami vzdialenosti, pri ktorej je potenciál rovný nule a takisto súvisiace s hodnotou energie potenciálovej jamy 0

11 Vodíkové väzby Typ príťažlivej vnútro- alebo medzimolekulovej interakcie medzi čiastočne nabitými skupinami (jedna zo skupín je H δ+ ) opačného náboja. Ak je atóm H kovalentne naviazaný na silne elektronegatívny atóm ( O, N, F - donory vodíkovej väzby), táto väzba spôsobuje vznik čiastočne kladne nabitého atómu H δ+, ktorý takto môže pritiahnuť voľný elektrónový pár blízkeho atómu (O, N, F - akceptory vodíkovej väzby). Charakter vodíkovej väzby čiastočne kovalentný, čiastočne elektrostatický. Neexistuje presné analytické vyjadrenie potenciálnej energie vodíkových väzieb. vnútromolekulová medzimolekulová

12 Parametre vodíkových väzieb Energia vodíkovej väzby Vzdialenosť medzi donorom a akceptorom O-H N ~25 kj.mol nm O-H O ~20 kj.mol nm N-H N ~15 kj.mol nm N-H O ~20 kj.mol nm V prípade tzv. symetrickej vodíkovej väzby, kedy atóm vodíka tvorí kovalentnú väzbu s dvoma atómami (nie je možné rozlíšiť donor a akceptor), môže energia tejto väzby dosahovať hodnoty kj mol -1.

13 Úloha vodíkových väzieb Vodíkové väzby výrazne determinujú štruktúru a vlastnosti vody: záporná zmena objemu pri topení, vysoká teplota topenia a varu, veľká dielektrická konštanta, značná merná tepelná kapacita. Schopnosť tvoriť vodíkové väzby umožňuje vode byť dobrým rozpúšťadlom. Vodíkové väzby spoluurčujú štruktúru a stabilitu biopolymérov (proteíny, nukleové kyseliny). Komplementarita dusíkatých báz v nukleových kyselinách nevyhnutná podmienka prenosu genetickej informácie. Vodíkové väzby sa spolupodieľajú na interakciách ligand receptor, substrát enzým.

14 Hydrofóbne interakcie Schopnosť nepolárnych molekúl medzi sebou vzájomne pôsobiť vo vodnom prostredí sa nazýva hydrofóbny efekt. V okolí hydrofóbnej molekuly nachádzajúcej sa vo vode existuje usporiadaná štruktúra molekúl vody. Ak sa vo vodnom prostredí stretnú dve hydrofóbne molekuly, tieto molekuly budú medzi sebou asociovať s tým, že sa rozruší usporiadaná štruktúra vody v ich okolí, čím dôjde k zvýšeniu entropie systému. Toto zvýšenie entropie umožňuje zbaľovanie proteínov (proteín folding), tvorbu biologických membrán, spolupodieľa sa na interakciách proteín - proteín, proteín nízkomolekulový ligand.

15 Hydrofóbne interakcie Hydrofóbny charakter molekuly sa zisťuje pri zisťovaní distribúcie skúmanej molekuly v zmesi n-oktanolu a vody. P = C oktanol C voda P partičný koeficient C oktanol, C voda koncentrácia molekúl v organickej fáze a vo vode Využitie vo farmaceutickom priemysle, metalurgii, agrochémii. Vo farmakológii hodnota P konkrétneho liečiva vyjadruje jeho schopnosť záchytu, distribúcie a metabolizmu v biologickom organizme, ako aj potenciál pre interakciu s rôznymi biomakromolekulovými štruktúrami (proteíny, biologické membrány, nukleové kyseliny).

16 Hydratačné sily Hydrofilné povrchy pozostávajúce z nabitých resp. polárnych molekúl ochotne interagujú s vodou. Ak sa majú dva takéto povrchy spojiť, je potrebné odstrániť molekuly vody, ktoré tomu zabraňujú. Čiže tieto molekuly vody spôsobujú odpudivú silu medzi týmito povrchmi. Táto sila sa nazýva hydratačná sila. Príklad: Spájanie dvoch lipidových vrstiev (fúzia membrán)-tento proces je inhibovaný existenciou hydratačných síl. V tomto prípade môžu byť tieto sily kompenzované prítomnosťou dvojmocných katiónov (Ca 2+, Mg 2+ ), ktoré premosťujú polárne skupiny fosfolipidov v štruktúre membrán. Hydratačné sily sú exponenciálne závislé na vzdialenosti medzi hydrofilnými povrchmi (čím menšia vzdialenosť tým väčšia hydratačná sila).

17 Empirická analytická forma pre potenciálovú energiu vnútromolekulových interakcií U = + + väzby väzobné uhly K b dihedrálne uhly ( b b ). K θ 0 2 ( θ θ ) ( 1 + cos( n. ϕ δ ) ) ( K. ) ϕ 2 energia stretching vibrácií kovalentných väzieb energia bending vibrácií väzobných uhlov energia torznej vibrácie + + nabité skupiny K. q neutrálne molekuly 1. q A. 2 6 ( r r ) + B. ( r r ) 0 r 0 12 energia elektrostatickej energie medzi nábojmi energia interakcií medzi neutrálnymi atómami K b, K θ, K φ silové konštanty väzieb b, b 0 hodnota dĺžky väzby v danom a rovnovážnom stave θ, θ 0 hodnota väzobného uhla v danom a rovnovážnom stave ϕ veľkosť torzného uhla

18 Empirická analytická forma pre potenciálovú energiu vnútromolekulových interakcií

19 Stabilizujúce nekovalentné interakcie v proteínoch Hydrofóbne interakcie medzi hydrofóbnymi bočnými reťazcami aminokyselín. Tieto interakcie sa podstatnou mierou podieľajú na zbaľovaní proteínov (protein folding). Elektrostatické interakcie (soľné mostíky) tieto interakcie sa predovšetkým vyskytujú na povrchoch proteínov. Zvyčajne nezohrávajú najdôležitejšiu úlohu pri stabilizácii proteínovej štruktúry. Vodíkové väzby výraznou mierou prispievajú k tvorbe sekundárnych štruktúr nachádzajúcich sa v proteínoch. Katión - π interakcie interakcie medzi aromatickými aminokyselinami (Trp, Tyr, Phe) a kladne nabitými aminokyselinami (Lys, Arg). Úloha týchto interakcií v stabilite proteínov nie je celkom ozrejmená.

20 Stabilizujúce nekovalentné interakcie v nukleových kyselinách Vrstviace (z angl. stacking) interakcie medzi bázovými pármi tieto interakcie vznikajú predovšetkým prostredníctvom disperzných síl a hydrofóbnych interakcií. Vodíkové väzby medzi komplementárnymi bázami (A-T, G-C) v protiľahlých reťazcoch DNA. Priemerná energia pripadajúca na jednu vodíkovú väzbu v DNA špirále má hodnotu 3-6 kj mol -1. Elektrostatické interakcie odpudivé pôsobenie medzi záporne nabitými fosfátovými skupinami. Táto sila sa neutralizuje prítomnosťou katiónov (Na +, Ca 2+, Mg 2+ ).

21 Sily v lipidových dvojvrstvách a membránových proteínoch Hydrofóbne interakcie medzi reťazcami dlhých mastných kyselín, ako aj medzi vnútrom dvojvrstvy a hydrofóbnymi segmentami integrálnych membránových proteínov. Van der Waalsove sily medzi paralelnými uhľovodíkovými reťazcami mastných kyselín. Elektrostatické interakcie medzi elektricky nabitými povrchmi lipidových dvojvrstiev a nabitými skupinami niektorých aminokyselinových zvyškov.