Enlace molecular
Interacción atractiva entre dos moléculas

La unión molecular es una interacción atractiva entre dos moléculas que da como resultado una asociación estable en la que las moléculas están muy próximas entre sí. Se forma cuando los átomos o las moléculas se unen compartiendo electrones. A menudo, aunque no siempre, implica algún tipo de enlace químico .

En algunos casos, las asociaciones pueden ser bastante fuertes (por ejemplo, la proteína estreptavidina y la vitamina biotina tienen una constante de disociación (que refleja la relación entre la biotina unida y la libre) del orden de 10 −14 ), por lo que las reacciones son efectivamente irreversibles. El resultado de la unión molecular es a veces la formación de un complejo molecular en el que las fuerzas de atracción que mantienen unidos los componentes son generalmente no covalentes y, por lo tanto, normalmente son energéticamente más débiles que los enlaces covalentes .

La unión molecular ocurre en complejos biológicos (por ejemplo, entre pares o conjuntos de proteínas, o entre una proteína y un ligando de molécula pequeña al que se une) y también en sistemas químicos abiológicos, por ejemplo, como en los casos de polímeros de coordinación y redes de coordinación como los marcos metalorgánicos .

Tipos

La unión molecular se puede clasificar en los siguientes tipos: [1]

  • No covalente : no se forman enlaces químicos entre las dos moléculas que interactúan, por lo tanto, la asociación es completamente reversible.
  • Covalente reversible : se forma un enlace químico, sin embargo, la diferencia de energía libre que separa los reactivos unidos de forma no covalente del producto unido está cerca del equilibrio y la barrera de activación es relativamente baja, de modo que la reacción inversa que rompe el enlace químico ocurre fácilmente.
  • Covalente irreversible: se forma un enlace químico en el que el producto es termodinámicamente mucho más estable que los reactivos, de modo que no se produce la reacción inversa.

Las moléculas unidas a veces se denominan "complejos moleculares"; el término generalmente se refiere a asociaciones no covalentes . [2] Las interacciones no covalentes pueden volverse irreversibles; por ejemplo, los inhibidores de unión fuerte de las enzimas pueden tener cinéticas que se parecen mucho a los inhibidores covalentes irreversibles. Entre los complejos proteína-proteína más fuertes conocidos se encuentra el de la enzima angiogenina y el inhibidor de la ribonucleasa ; la constante de disociación para las proteínas humanas es 5x10 −16 mol/L. [3] [4] Otro ejemplo biológico es la proteína de unión estreptavidina , que tiene una afinidad extraordinariamente alta por la biotina (vitamina B7/H, constante de disociación , K d ≈10 −14 mol/L). [5] En tales casos, si las condiciones de reacción cambian (p. ej., la proteína se mueve a un entorno donde las concentraciones de biotina son muy bajas, o se alteran el pH o las condiciones iónicas), se puede promover la reacción inversa. Por ejemplo, la interacción biotina-estreptavidina se puede romper incubando el complejo en agua a 70 °C, sin dañar ninguna de las moléculas. [6] Un ejemplo de cambio en la concentración local que causa disociación se puede encontrar en el efecto Bohr , que describe la disociación de ligandos de la hemoglobina en el pulmón frente a los tejidos periféricos. [5]

Algunas interacciones proteína-proteína resultan en enlaces covalentes , [7] y algunos fármacos son antagonistas irreversibles que pueden o no estar unidos covalentemente. [8] El descubrimiento de fármacos ha atravesado períodos en los que los candidatos a fármacos que se unen covalentemente a sus objetivos son atractivos y luego se evitan; el éxito del bortezomib hizo que los candidatos a fármacos con unión covalente basados ​​en boro fueran más atractivos a fines de la década de 2000. [9] [10]

Fuerza motriz

Para que el complejo sea estable, la energía libre del complejo, por definición, debe ser menor que la de las moléculas separadas por el solvente. La unión puede ser impulsada principalmente por la entropía (liberación de moléculas de solvente ordenadas alrededor de la molécula aislada que da como resultado un aumento neto de la entropía del sistema). Cuando el solvente es agua, esto se conoce como efecto hidrofóbico . Alternativamente, la unión puede ser impulsada por la entalpía donde las fuerzas de atracción no covalentes como la atracción electrostática , el enlace de hidrógeno y las fuerzas de dispersión de van der Waals / London son las principales responsables de la formación de un complejo estable. [11] Los complejos que tienen una fuerte contribución de entropía a la formación tienden a tener contribuciones de entalpía débiles. Por el contrario, los complejos que tienen un fuerte componente de entalpía tienden a tener un componente de entropía débil. Este fenómeno se conoce como compensación de entalpía-entropía . [12]

Medición

La fuerza de unión entre los componentes del complejo molecular se mide cuantitativamente mediante la constante de enlace (K A ), definida como la relación de la concentración del complejo dividida por el producto de las concentraciones de los componentes aislados en equilibrio en unidades molares:

A + B ⇌ A B : registro ⁡ K A = registro ⁡ ( [ A B ] [ A ] [ B ] ) = − pag K A {\displaystyle A+B\rightleftharpoons AB:\log K_{A}=\log \left({\frac {[AB]}{[A][B]}}\right)=-pK_{A}}

Cuando el complejo molecular impide el funcionamiento normal de una enzima , la constante de enlace también se denomina constante de inhibición (K I ).

Ejemplos

Las moléculas que pueden participar en la unión molecular incluyen proteínas , ácidos nucleicos , carbohidratos , lípidos y pequeñas moléculas orgánicas como los fármacos . Por lo tanto, los tipos de complejos que se forman como resultado de la unión molecular incluyen:

  • proteína–proteína [13]
  • proteína– ADN [14]
  • proteína- hormona
  • proteína-fármaco [15]

Las proteínas que forman complejos estables con otras moléculas a menudo se denominan receptores, mientras que sus socios de unión se denominan ligandos . [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ Smith AJ, Zhang X, Leach AG, Houk KN (enero de 2009). "Más allá de las afinidades picomolares: aspectos cuantitativos de la unión no covalente y covalente de fármacos a proteínas". Journal of Medicinal Chemistry . 52 (2): 225–33. doi :10.1021/jm800498e. PMC  2646787 . PMID  19053779.
  2. ^ "Definición de complejo molecular". Compendio de terminología química: Libro de oro . Unión Internacional de Química Pura y Aplicada. 19 de agosto de 2012. doi : 10.1351/goldbook.C01203 . Entidad molecular formada por asociación laxa que involucra dos o más entidades moleculares componentes (iónicas o sin carga), o las especies químicas correspondientes. El enlace entre los componentes normalmente es más débil que en un enlace covalente. El término también se ha utilizado con una variedad de matices de significado en diferentes contextos: por lo tanto, es mejor evitarlo cuando se aplica una alternativa más explícita. En química inorgánica, se recomienda el término "entidad de coordinación" en lugar de "complejo".
  3. ^ Papageorgiou AC, Shapiro R, Acharya KR (septiembre de 1997). "Reconocimiento molecular de la angiogenina humana por el inhibidor de la ribonucleasa placentaria: un estudio cristalográfico de rayos X con una resolución de 2,0 A". The EMBO Journal . 16 (17): 5162–77. doi :10.1093/emboj/16.17.5162. PMC 1170149 . PMID  9311977. 
  4. ^ Dickson KA, Haigis MC, Raines RT (2005). "Inhibidor de ribonucleasa: estructura y función". Progreso en la investigación de ácidos nucleicos y biología molecular . 80 : 349–374. doi :10.1016/S0079-6603(05)80009-1. ISBN 9780125400800. PMC  2811166 . PMID  16164979.
  5. ^ ab Green NM (1975). "Avidina". Avances en química de proteínas . 29 : 85–133. doi :10.1016/s0065-3233(08)60411-8. ISBN 9780120342297. Número PMID  237414.
  6. ^ Holmberg A, Blomstergren A, Nord O, Lukacs M, Lundeberg J, Uhlén M (febrero de 2005). "La interacción biotina-estreptavidina se puede romper de forma reversible utilizando agua a temperaturas elevadas". Electroforesis . 26 (3): 501–510. doi :10.1002/elps.200410070. PMID  15690449. S2CID  16058388.
  7. ^ Westermarck J, Ivaska J, Corthals GL (julio de 2013). "Identificación de interacciones proteicas implicadas en la señalización celular". Molecular & Cellular Proteomics . 12 (7): 1752–63. doi : 10.1074/mcp.R113.027771 . PMC 3708163 . PMID  23481661. 
  8. ^ Rang HP, Ritter JM (2007). Farmacología de Rang y Dale (6.ª ed.). Filadelfia, PA: Churchill Livingstone/Elsevier. pág. 19. ISBN 978-0-443-06911-6.
  9. ^ Hunter P (febrero de 2009). "No es aburrido en absoluto. El boro es el nuevo carbono en la búsqueda de nuevos candidatos a fármacos". EMBO Reports . 10 (2): 125–8. doi :10.1038/embor.2009.2. PMC 2637326 . PMID  19182828. 
  10. ^ London N, Miller RM, Krishnan S, Uchida K, Irwin JJ, Eidam O, Gibold L, Cimermančič P, Bonnet R, Shoichet BK, Taunton J (diciembre de 2014). "Acoplamiento covalente de grandes bibliotecas para el descubrimiento de sondas químicas". Nature Chemical Biology . 10 (12): 1066–72. doi :10.1038/nchembio.1666. PMC 4232467 . PMID  25344815. 
  11. ^ Miyamoto S, Kollman PA (septiembre de 1993). "¿Qué determina la fuerza de la asociación no covalente de ligandos a proteínas en solución acuosa?". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 90 (18): 8402–6. Bibcode :1993PNAS...90.8402M. doi : 10.1073/pnas.90.18.8402 . PMC 47364 . PMID  8378312. 
  12. ^ Cooper A (octubre de 1999). "Análisis termodinámico de interacciones biomoleculares". Current Opinion in Chemical Biology . 3 (5): 557–63. doi :10.1016/S1367-5931(99)00008-3. PMID  10508661.
  13. ^ Fu H (2004). Interacciones proteína-proteína: métodos y aplicaciones . Totowa, NJ: Humana Press. ISBN 1-58829-120-0.
  14. ^ Seitz H (2007). Análisis de interacciones proteína-ADN (Avances en ingeniería bioquímica/biotecnología) . Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-48147-8.
  15. ^ Folkers G, Böhm HJ, Schneider G, Mannhold R, Kubinyi H (2003). "Interacciones proteína-ligando desde el reconocimiento molecular hasta el diseño de fármacos" . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-527-30521-1.
  16. ^ Klotz IM (1997). Energética ligando-receptor: una guía para los perplejos . Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-17626-5.
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