Selectividad vinculante

Concepto en bioquímica

Este artículo trata sobre la selectividad en sistemas químicos en equilibrio. Para la selectividad cinética, consulte el principio de reactividad-selectividad .

La selectividad de unión se define con respecto a la unión de ligandos a un sustrato que forma un complejo . La selectividad de unión describe cómo un ligando puede unirse más preferentemente a un receptor que a otro. Un coeficiente de selectividad es la constante de equilibrio para la reacción de desplazamiento de un ligando de otro ligando en un complejo con el sustrato. La selectividad de la unión es de gran importancia en bioquímica ^[1] y en los procesos de separación química .

Coeficiente de selectividad

El concepto de selectividad se utiliza para cuantificar el grado en que una sustancia química, A, se une a otras dos sustancias químicas, B y C. El caso más simple es cuando los complejos formados tienen estequiometría 1: 1 . Entonces, las dos interacciones pueden caracterizarse por las constantes de equilibrio K _AB y K _AC . ^{[nota 1]}

${\displaystyle {\ce {{A}+B<=>AB;{\mathit {K}}_{AB}={\frac {[AB]}{[A][B]}}}}}$

${\displaystyle {\ce {{A}+C<=>AC;{\mathit {K}}_{AC}={\frac {[AC]}{[A][C]}}}}}$

[X] representa la concentración de sustancia X (A, B, C,…). Un coeficiente de selectividad se define como la relación de las dos constantes de equilibrio.

${\displaystyle K_{{\ce {B,C}}}={\frac {K_{{\ce {AC}}}}{K_{{\ce {AB}}}}}}$

Este coeficiente de selectividad es de hecho la constante de equilibrio para la reacción de desplazamiento

${\displaystyle {\ce {{AB}+C<=>{AC}+B;{\mathit {K}}_{B,C}={\frac {[AC][B]}{[AB][C]}}={\frac {{\mathit {K}}_{AC}[A][B][C]}{{\mathit {K}}_{AB}[A][B][C]}}={\frac {{\mathit {K}}_{AC}}{{\mathit {K}}_{AB}}}}}}$

Es fácil demostrar que la misma definición se aplica a complejos de diferente estequiometría, A _p B _q y A _p C _q . Cuanto mayor sea el coeficiente de selectividad, más desplazará el ligando C al ligando B del complejo formado con el sustrato A. Una interpretación alternativa es que cuanto mayor sea el coeficiente de selectividad, menor será la concentración de C que se necesita para desplazar a B de AB . Los coeficientes de selectividad se determinan experimentalmente midiendo las dos constantes de equilibrio, K _AB y K _AC .

Aplicaciones

Bioquímica

Artículo principal: Receptor (bioquímica)

En bioquímica, el sustrato se conoce como receptor. Un receptor es una molécula de proteína , incrustada en la membrana plasmática o en el citoplasma de una célula, a la que se pueden unir uno o más tipos específicos de moléculas de señalización. Un ligando puede ser un péptido u otra molécula pequeña, como un neurotransmisor , una hormona , un fármaco farmacéutico o una toxina. La especificidad de un receptor está determinada por su geometría espacial y la forma en que se une al ligando a través de interacciones no covalentes , como los enlaces de hidrógeno o las fuerzas de Van der Waals . ^[2]

Si se puede aislar un receptor, se puede desarrollar un fármaco sintético para estimular el receptor, un agonista o para bloquearlo, un antagonista . El estómago úlcera fármaco cimetidina fue desarrollado como una H ₂ antagonista por ingeniería químicamente la molécula para la máxima especificidad a un tejido aislado que contiene el receptor. El uso adicional de relaciones cuantitativas estructura-actividad (QSAR) condujo al desarrollo de otros agentes como la ranitidina .

Es importante señalar que la "selectividad" cuando se hace referencia a un fármaco es relativa y no absoluta. Por ejemplo, en una dosis más alta, una molécula de fármaco específica también puede unirse a otros receptores distintos de los que se dice que son "selectivos".

Terapia de quelación

Artículo principal: Terapia de quelación

Penicilamina

La terapia de quelación es una forma de tratamiento médico en el que se usa un ligando quelante ^{[nota 2]} para eliminar selectivamente un metal del cuerpo. Cuando el metal existe como ión divalente, como con plomo , Pb ²⁺ o mercurio , la selectividad de Hg ²⁺ frente al calcio , Ca ²⁺ y magnesio , Mg ²⁺ , es fundamental para que el tratamiento no elimine los metales esenciales. ^[3]

La selectividad está determinada por varios factores. En el caso de la sobrecarga de hierro , que puede ocurrir en personas con β- talesemia que han recibido transfusiones de sangre , el ión metálico diana se encuentra en el estado de oxidación +3 y, por lo tanto, forma complejos más fuertes que los iones divalentes. También forma complejos más fuertes con ligandos donantes de oxígeno que con ligandos donantes de nitrógeno. deferoxamina , un sideróforo natural producido por actinobacter Streptomyces pilosus y que se utilizó inicialmente como agente de terapia de quelación. Sideróforos sintéticos como deferiprona y deferasiroxse han desarrollado utilizando la estructura conocida de la deferoxamina como punto de partida. ^{[4] [5]} La quelación ocurre con los dos átomos de oxígeno.

La enfermedad de Wilson es causada por un defecto en el metabolismo del cobre que resulta en la acumulación de cobre metálico en varios órganos del cuerpo. El ion objetivo en este caso es divalente, Cu ²⁺ . Este ion está clasificado como límite en el esquema de Ahrland, Chatt y Davies. ^[6] Esto significa que forma complejos aproximadamente igualmente fuertes con ligandos cuyos átomos donantes son N, O o F como con ligandos cuyos átomos donantes son P, S o Cl. La penicilamina , que contiene átomos donantes de nitrógeno y azufre, se utiliza ya que este tipo de ligando se une con más fuerza a los iones de cobre que a los de calcio y magnesio.

El tratamiento de la intoxicación por metales pesados ​​como el plomo y el mercurio es más problemático, porque los ligandos utilizados no tienen una alta especificidad en relación con el calcio. Por ejemplo, el EDTA se puede administrar como una sal de calcio para reducir la eliminación de calcio del hueso junto con el metal pesado. Se han revisado los factores que determinan la selectividad del plomo frente al zinc, el cadmio y el calcio ^[7].

Cromatografía

Artículo principal: Cromatografía

En la cromatografía en columna, se disuelve una mezcla de sustancias en una fase móvil y se pasa por una fase estacionaria en una columna. Un factor de selectividad se define como la relación de coeficientes de distribución , que describen la distribución de equilibrio de un analito entre la fase estacionaria y la fase móvil. El factor de selectividad es igual al coeficiente de selectividad con el supuesto añadido de que la actividad de la fase estacionaria, el sustrato en este caso, es igual a 1, el supuesto estándar para una fase pura. ^[8] La resolución de una columna cromatográfica, R _S, está relacionada con el factor de selectividad por:

${\displaystyle R_{S}={\frac {\sqrt {N}}{4}}\left({\frac {\alpha -1}{\alpha }}\right)\left({\frac {k_{B}}{1+k_{B}}}\right)}$

donde α es el factor de selectividad, N es el número de platos teóricos k _A y k _B son los factores de retención de los dos analitos. Los factores de retención son proporcionales a los coeficientes de distribución. En la práctica, se pueden separar sustancias con un factor de selectividad muy cercano a 1. Esto es particularmente cierto en la cromatografía gas-líquido donde son posibles longitudes de columna de hasta 60 m, lo que proporciona un gran número de platos teóricos.

En la cromatografía de intercambio iónico, el coeficiente de selectividad se define de forma ligeramente diferente ^[9].

Extracción con solvente

Artículo principal: extracción por solvente

La extracción con solvente ^[10] se utiliza para extraer elementos lantanoides individuales de las mezclas que se encuentran en la naturaleza en minerales como la monacita . En un proceso, los iones metálicos en solución acuosa se hacen para formar complejos con tributilfosfato (TBP), que se extraen en un disolvente orgánico como el queroseno . La separación completa se efectúa utilizando un método de intercambio a contracorriente . Varias celdas están dispuestas en cascada.. Después del equilibrio, el componente acuoso de cada celda se transfiere a la celda anterior y el componente orgánico se transfiere a la siguiente celda, que inicialmente contiene solo agua. De esta manera, el ión metálico con el complejo más estable pasa por la cascada en la fase orgánica y el metal con el complejo menos estable pasa por la cascada en la fase acuosa. ^[11]

Si la solubilidad en la fase orgánica no es un problema, un coeficiente de selectividad es igual a la relación de las constantes de estabilidad de los complejos TBP de dos iones metálicos. Para los elementos lantanoides adyacentes en la tabla periódica, esta relación no es mucho mayor que 1, por lo que se necesitan muchas células en la cascada.

Sensores químicos

Tipos de quimiosensores. (1.) Indicador-espaciador-receptor (ISR) (2.) Ensayo de desplazamiento de indicador (IDA)

Un coeficiente de selectividad potenciométrica define la capacidad de un electrodo selectivo de iones para distinguir un ión particular de otros. El coeficiente de selectividad, K _{B, C} se evalúa mediante la respuesta de fem del electrodo selectivo de iones en soluciones mixtas del ión primario, B, y del ión de interferencia, C (método de interferencia fija) o, menos deseablemente, en soluciones separadas de B y C (método de solución separada). ^[12] Por ejemplo, un electrodo de membrana selectivo de iones de potasio utiliza el antibiótico macrocíclico natural valinomicina. . En este caso, la cavidad en el anillo macrocíclico tiene el tamaño justo para encapsular el ión potasio, pero demasiado grande para unir fuertemente el ión sodio, la interferencia más probable.

Sensores químicos , ^{[13] [14]} están siendo desarrollados para moléculas diana específicas e iones en la que el objetivo (guest) formar un complejo con un sensor (host). El sensor está diseñado para ser una combinación excelente en términos de tamaño y forma del objetivo con el fin de proporcionar la máxima selectividad de unión. Un indicador está asociado con el sensor que sufre un cambio cuando el objetivo forma un complejo con el sensor. El cambio de indicador suele ser un cambio de color (gris a amarillo en la ilustración) visto en absorbancia o, con mayor sensibilidad, luminiscencia . El indicador puede estar unido al sensor a través de un espaciador, en la disposición ISR, o puede ser desplazado del sensor, disposición IDA.

Ver también

• Vinculante
• Afinidad
• Selectividad funcional

Notas

1. Las constantes que se utilizan aquí son las constantes de asociación . Las constantes de disociación se utilizan en algunos contextos. Una constante de disociación es el recíproco de una constante de asociación.
2. El término "ligando" aquí se refiere a la unión a un metal. En la definición de coeficiente de selectividad, este "ligando" es de hecho el sustrato y el ligando en esa definición es el ión metálico.

Referencias

1. Klotz, IM (1997). Energética del receptor de ligando: una guía para los perplejos . Wiley. ISBN 978-0-471-17626-8.
2. Capataz, JC; Johansen, T., eds. (2003). Libro de texto de farmacología de receptores (2ª ed.). Boca Raton, Fla .: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1029-4.
3. Walker, M .; Shah, HH (1997). Todo lo que debe saber sobre la terapia de quelación (4ª ed.). New Canaan, Connecticut: Keats Pub. ISBN 978-0-87983-730-3.
4. Quelantes selectivos de hierro con potencial terapéutico en Hider, Robert C .; Kong, Xiaole (2013). "Capítulo 8. Hierro: efecto de la sobrecarga y la deficiencia". En Astrid Sigel, Helmut Sigel y Roland KO Sigel (ed.). Interrelaciones entre los iones metálicos esenciales y las enfermedades humanas . Iones metálicos en ciencias de la vida. 13 . Dordrecht: Springer. págs. 229-294. doi : 10.1007 / 978-94-007-7500-8_8 . ISBN 9789400774995. PMID  24470094 .
5. Miller, Marvin J. (1989). "Síntesis y potencial terapéutico de sideróforos y análogos a base de ácido hidroxámico". Revisiones químicas . 89 (7): 1563-1579. doi : 10.1021 / cr00097a011 .
6. Ahrland, S .; Chatt, J .; Davies, NR (1958). "Las afinidades relativas de los átomos del ligando por iones y moléculas aceptoras". Cuarto de galón. Rev . 12 (3): 265-276. doi : 10.1039 / QR9581200265 .
7. Farkas, Etelka; Buglyó, Péter (2017). "Capítulo 8. Complejos de plomo (II) de aminoácidos, péptidos y otros ligandos relacionados de interés biológico". En Astrid, S .; Helmut, S .; Sigel, RKO (eds.). Plomo: sus efectos sobre el medio ambiente y la salud . Iones metálicos en ciencias de la vida. 17 . Berlín, Boston: de Gruyter. págs. 201–240. doi : 10.1515 / 9783110434330-008 . ISBN 9783110434330. PMID  28731301 .
8. Skoog, DA; West, DM; Holler, JF; Crouch, SR (2004). Fundamentos de Química Analítica (8ª ed.). Thomson Brooks / Cole. ISBN 978-0-03-035523-3. Sección 30E
9. IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida online: (2006–) " coeficiente de selectividad, k A / B en cromatografía de intercambio iónico ". doi : 10.1351 / goldbook.S05566.html
10. Arroz, Nuevo México; Irving, HMNH; Leonard, MA (1993). "Nomenclatura para distribución líquido-líquido (extracción por solvente)". Pure Appl. Chem . IUPAC. 65 (11): 2373–2396. doi : 10.1351 / pac199365112373 .
11. Rydberg, J .; Musikas, C; Choppin, GR, eds. (2004). Principios y práctica de la extracción con disolventes ( (2ª ed.). Boca Raton, Fla .: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3.
12. Buck, RP; Linder, E. (1994). "Recomendaciones para la nomenclatura de electrodos selectivos de iones". Pure Appl. Chem . IUPAC. 66 (12): 2527-2536. doi : 10.1351 / Pac199466122527 .
13. Florinel-Gabriel Bănică, Sensores químicos y biosensores: fundamentos y aplicaciones, John Wiley and Sons, Chichester, 2012, ISBN 978-0-470-71066-1 impreso 
14. Cattrall, RW (1997). Sensores químicos . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-850090-2.