View
0
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Vnútromolekulové a
medzimolekulové interakcie
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 :
( ) rrUF dd−=
0<F0>F
( ) 31 >≈ nrrU n
( ) 31 ≤≈ nrrU n
Vnútro- a medzimolekulové interakcie
Kovalentné väzby (~ 200 - 400 kJ·mol-1)
Vodíkové väzby (10 - 40 kJ·mol-1)
Iónové interakcie (~ 10 - 100 kJ·mol-1)
Hydrofóbne interakcie (~ 3 kJ·mol-1)
Van der Waalsove interakcie ( 4 - 6 kJ·mol-1)
Kovalentné väzby
Vnútromolekulová väzba medzi dvoma atómami prostredníctvomzdieľania jedného, alebo viacerých elektrónových párov.
Kovalentné väzby sú zodpovedné za stabilnú architektúru molekúl. Ich značná energetická hodnota (~ 100 kJ.mol-1) znemožňuje disociáciutýchto 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 0 – 0.2- polárna kovalentná väzba - rozdiel elektronegativít medzi atómami vo väzbe 0.2 – 1.6
Násobnosť kovalentných väzieb:
- v biologicky významných molekulách sa najčastejšie vyskytuje jednoduchá, dvojitá alebo trojitá väzba
Coulombovské (iónové) interakcie
Elektrostatické interakcie sú dlhodosahové:
ε – permitivita prostredia q1, q2 – veľkosti nábojov interagujúcich častíc
Avšak aj krátkodosahové interakcie sa môžu vysvetliť pomocoucoulombovských 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.
( ) rqqKrU 21..=επ ..41=K
Coulombovské (iónové) interakcie
Dipólový moment permanentného dipólu:
C·m alebo D (Debye) 1D = 3.33 x10-30 C.m
Veľkosť indukovaného dipólu:
E - intenzita elektrického poľa α - polarizovateľnosť molekuly
rμ .q=
[ ] =μ
Eμ .α=
Coulombovské (iónové) interakcie
Interakčná energia U(r) Stredná hodnota U(r)vzhľadom na Brownov
pohyb
Interakcia ión–ión
Interakcia ión–permanentný dipól
Interakcia ión–indukovaný dipól
Interakcia dipól–dipól
C – konštanta súvisiaca so vzájomnou orientáciou interagujúcich dipólovK= 1 / (4πε), ε – permitivita prostrediar – vzdialenosť medzi interagujúcimi iónmi (dipólmi)q – veľkosť náboja molekuly (časti molekuly)µ – veľkosť dipólového momentu molekuly α – polarizovateľnosť molekulykB – Boltzmanova konštantaT – termodynamická teplota
rqqK 21.. rqqK 21..
2cos... rqK θµ− 4222 ...3.. rTkqK Bµ−
422 .2... rqK αε− 422 .2... rqK αε−3
21... rKC µµ 622
21
2 ...3...2 rTkK Bµµ−
Katión - π interakcie
Interakcia príťažlivého charakteru medzi aromatickými jadrami a katiónmi nachádzajúcimi sa v ich blízkosti.
Katión nachádzajúci sa v blízkosti aromatického kruhu dokážepolarizovať tento kruh, čo vedie k interakcii náboj - indukovaný dipól.
Samotný aromatický kruh má nábojovú distribúciu, ktorá vedie k vznikukvadrupólu, čo umožňuje existenciu katión - kvadrupólovej interakcie.
van der Waalsove sily
Príťažlivé sily, ktoré pôsobia medzi neutrálnymi molekulami sa vovšeobecnosti 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:
Táto interakčná energia príťažlivých síl je pri veľmi malých vzdialenostiach molekúl kompenzovaná odpudivými silami medzi elektrónovými oblakmi približujúcich sa molekúl.
( ) 61 rrU −≈
Lennard – Jonesov potenciál
Lennard – Jonesov potenciál:
r0 – rovnovážna vzdialenosť medzi molekulamir – 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
( ) ( ) ( )120
60 .. rrBrrArU +−=
Vodíkové väzby
Typ príťažlivej vnútro- alebo medzimolekulovej interakcie medzi čiastočnenabitými skupinami (jedna zo skupín je Hδ+ ) opačného náboja.
Ak je atóm H kovalentne naviazaný na silne elektronegatívny atóm ( O, N, F - donory vodíkovej väzby), táto väzba spôsobuje vznik čiastočnekladne nabitého atómu Hδ+, ktorý takto môže pritiahnuť voľný elektrónovýpár blízkeho atómu (O, N, F - akceptory vodíkovej väzby).
Charakter vodíkovej väzby čiastočne kovalentný, čiastočne elektrostatický.
Neexistuje presné analytické vyjadrenie potenciálnej energie vodíkovýchväzieb.
vnútromolekulová
medzimolekulová
Parametre vodíkových väzieb
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 50 – 80 kJ·mol-1.
Energia vodíkovej väzby
Vzdialenosť medzi donorom a akceptorom
O-H·····N ~25 kJ.mol-1 0.288 nm
O-H·····O ~20 kJ.mol-1 0.270 nm
N-H·····N ~15 kJ.mol-1 0.310 nm
N-H·····O ~20 kJ.mol-1 0.304 nm
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.
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 stretnúdve hydrofóbne molekuly, tieto molekuly budú medzi sebou asociovať s tým, že sa rozruší usporiadaná štruktúra vody v ich okolí, čím dôjdek zvýšeniu entropie systému. Toto zvýšenie entropie umožňuje zbaľovanie proteínov (proteín folding), tvorbu biologických membrán,spolupodieľa sa na interakciách proteín - proteín, proteín – nízkomolekulový ligand.
Hydrofóbne interakcie
Hydrofóbny charakter molekuly sa zisťuje pri zisťovaní distribúcieskúmanej molekuly v zmesi n-oktanolu a vody.
P – partičný koeficient Coktanol, Cvoda – 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).
vodaoktanol CCP =
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 (Ca2+, Mg2+), 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).
Empirická analytická forma pre potenciálovú energiu vnútromolekulových interakcií
Kb, Kθ, Kφ – silové konštanty väzieb b, b0 – hodnota dĺžky väzby v danom a rovnovážnom staveθ, θ0 – hodnota väzobného uhla v danom a rovnovážnom staveϕ – veľkosť torzného uhla
( )
( )
( )( )( )
( ) ( )∑
∑
∑
∑
∑
+−+
+
−++
−+
−=
molekuly neutrálne
120
60
skupiny nabité21
uhly dihedrálne
2
uhly väzobné
20
väzby
20
..
..
.ncos1.
2.
2.
rrBrrA
rqqK
K
K
bbKU b
δϕ
θθ
ϕ
θ
– energia “stretching“ vibrácií kovalentných väzieb
– energia „bending“ vibrácií väzobných uhlov
– energia torznej vibrácie
– energia elektrostatickej energie medzi nábojmi
– energia interakcií medzi neutrálnymi atómami
Empirická analytická forma pre potenciálovú energiu vnútromolekulových interakcií
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 sekundárnychštruktúr nachádzajúcich sa v proteínoch.
Katión - π interakcie – interakcie medzi aromatickými aminokyselinami(Trp, Tyr, Phe) a kladne nabitými aminokyselinami (Lys, Arg). Úlohatýchto interakcií v stabilite proteínov nie je celkom ozrejmená.
Stabilizujúce nekovalentné interakcie v nukleových kyselinách
Vrstviace (z angl. stacking) interakcie medzi bázovými pármi – tietointerakcie vznikajú predovšetkým prostredníctvom disperzných síl ahydrofóbnych interakcií.
Vodíkové väzby – medzi komplementárnymi bázami (A-T, G-C) v protiľahlých reťazcoch DNA. Priemerná energia pripadajúca na jednuvodíkovú väzbu v DNA špirále má hodnotu 3-6 kJ·mol-1.
Elektrostatické interakcie – odpudivé pôsobenie medzi záporne nabitýmifosfátovými skupinami. Táto sila sa neutralizuje prítomnosťou katiónov(Na+, Ca 2+, Mg 2+).
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 reťazcamimastných kyselín.
Elektrostatické interakcie – medzi elektricky nabitými povrchmi lipidových dvojvrstiev a nabitými skupinami niektorých aminokyselinových zvyškov.
Recommended