ثابت التفكك
في الكيمياء والكيمياء الحيوية وعلم الأدوية ، يُعد ثابت التفكك ( K<sub> D</sub> ) نوعًا خاصًا من ثوابت التوازن التي تقيس ميل جزيء كبير للانفصال (التفكك) بشكل عكسي إلى مكونات أصغر، كما هو الحال عند تفكك مركب إلى جزيئاته المكونة ، أو عند انقسام ملح إلى أيوناته المكونة . ثابت التفكك هو مقلوب ثابت الارتباط . في حالة الأملاح تحديدًا، يُطلق على ثابت التفكك أيضًا اسم ثابت التأين . [ 1 ] [ 2 ] بالنسبة للتفاعل العام:
حيث مجمعيتفكك إلى وحدات فرعية x A ووحدات فرعية y B، ويُعرَّف ثابت التفكك على النحو التالي:
حيث [A] و [B] و [A x B y ] هي تراكيز التوازن لـ A و B والمركب A x B y ، على التوالي.
أحد أسباب شيوع استخدام ثابت التفكك في الكيمياء الحيوية وعلم الأدوية هو أنه في الحالة الشائعة حيث x = y = 1، يكون لـ K D تفسير فيزيائي بسيط: عندما يكون [A] = K D ، فإن [B] = [AB] أو، بشكل مكافئ،أي أن ثابت التوازن ( K<sub> D</sub> )، الذي يُقاس بوحدة التركيز، يساوي تركيز المادة A الحرة التي يرتبط عندها نصف جزيئات المادة B بها. هذا التفسير البسيط لا ينطبق على القيم الأعلى لـ x أو y . كما يفترض غياب التفاعلات المنافسة، مع إمكانية توسيع الاشتقاق ليشمل وصف الارتباط التنافسي بشكل صريح. يُعد هذا مفيدًا كوصف سريع لارتباط المادة، تمامًا كما يصف كل من EC <sub>50</sub> و IC<sub> 50 </sub> النشاط البيولوجي للمواد.
تركيز الجزيئات المرتبطة
جزيئات ذات موقع ارتباط واحد
تجريبياً، يُحسب تركيز المركب الجزيئي [AB] بشكل غير مباشر من قياس تركيز الجزيئات الحرة، إما [A] أو [B]. [ 3 ] من حيث المبدأ، تكون الكميات الإجمالية للجزيئات [A] و [B] المضافة إلى التفاعل معروفة . وتنفصل هذه الجزيئات إلى مكونات حرة ومرتبطة وفقاً لمبدأ حفظ الكتلة.
لتتبع تركيز المركب [AB]، يتم استبدال تركيز الجزيئات الحرة ([A] أو [B])، في معادلات الحفظ الخاصة بها، بتعريف ثابت التفكك.
وهذا ينتج عنه تركيز المركب المرتبط بتركيز أي من الجزيئات الحرة.
الجزيئات الكبيرة ذات مواقع الارتباط المستقلة المتطابقة
يمكن أن تمتلك العديد من البروتينات والإنزيمات البيولوجية أكثر من موقع ارتباط واحد. [ 3 ] عادةً، عندما يرتبط الليجاند L بجزيء كبير M ، فإنه يؤثر على حركية ارتباط الليجاندات الأخرى L بالجزيء الكبير. يمكن صياغة آلية مبسطة إذا اعتُبرت ألفة جميع مواقع الارتباط مستقلة عن عدد الليجاندات المرتبطة بالجزيء الكبير. ينطبق هذا على الجزيئات الكبيرة المكونة من أكثر من وحدة فرعية واحدة، متطابقة في الغالب. يمكن حينها افتراض أن كل وحدة فرعية من هذه الوحدات n متطابقة ومتناظرة، وأنها تمتلك موقع ارتباط واحد فقط. عندئذٍ، يكون تركيز الليجاندات المرتبطةيصبح
في هذه الحالة،، ولكنها تشمل جميع الأشكال المشبعة جزئيًا للجزيء الكبير:
حيث يحدث التشبع تدريجياً
لاشتقاق معادلة الربط العامة، دالة التشبعيُعرَّف بأنه حاصل قسمة جزء الليجاند المرتبط على الكمية الإجمالية للجزيء الكبير:
تُعرف ثوابت التفكك K′n باسم ثوابت التفكك الكلية أو الظاهرية، ويمكن أن تنتج عن تفاعلات فردية متعددة. على سبيل المثال، إذا كان لجزيء كبير M ثلاثة مواقع ارتباط، فإن K′1 يصف ارتباط الليجاند بأي من هذه المواقع الثلاثة. في هذا المثال، يصف K′2 ارتباط جزيئين ، بينما يصف K′3 ارتباط ثلاثة جزيئات بالجزيء الكبير. يصف ثابت التفكك المجهري أو الفردي حالة التوازن بين ارتباط الليجاندات بمواقع ارتباط محددة. ولأننا نفترض مواقع ارتباط متطابقة دون أي تعاونية، يجب أن يكون ثابت التفكك المجهري متساويًا لجميع مواقع الارتباط، ويمكن اختصاره ببساطة إلى KD . في مثالنا، يمثل K′1 مجموع ارتباط الليجاند بأحد مواقع الارتباط الثلاثة الممكنة (I، II ، وIII)، وبالتالي ثلاثة ثوابت تفكك مجهرية وثلاث حالات متميزة لمركب الليجاند-الجزيء الكبير. بالنسبة لـ K′ 2، توجد ستة ثوابت تفكك مجهرية مختلفة (I–II، I–III، II–I، II–III، III–I، III–II)، ولكن ثلاث حالات متميزة فقط (لا يهم ما إذا كنت ترتبط بالجيب I أولاً ثم II أو II أولاً ثم I). أما بالنسبة لـ K′ 3، فتوجد ثلاثة ثوابت تفكك مختلفة - هناك ثلاث احتمالات فقط للجيب الذي يتم ملؤه أخيرًا (I أو II أو III) - وحالة واحدة (I–II–III).
حتى عندما يكون ثابت التفكك المجهري متساويًا لكل حدث ارتباط فردي، فإن الناتج الكلي ( K′1 ، K′2 ، و K′3 ) لا يكون متساويًا. يمكن فهم ذلك بديهيًا من خلال مثالنا لثلاثة مواقع ارتباط محتملة. يصف K′1 التفاعل من حالة واحدة (بدون ارتباط أي ربيطة) إلى ثلاث حالات (ارتباط ربيطة واحدة بأحد مواقع الارتباط الثلاثة). وبالتالي، سيكون K′1 الظاهري أصغر بثلاث مرات من ثابت التفكك الفردي KD . يصف K′2 التفاعل من ثلاث حالات ( ارتباط ربيطة واحدة) إلى ثلاث حالات (ارتباط ربيطتين)؛ لذلك، سيكون K′2 مساويًا لـ KD . يصف K′3 التفاعل من ثلاث حالات (ارتباط ربيطتين) إلى حالة واحدة (ارتباط ثلاث ربيطات)؛ ومن ثم، فإن ثابت التفكك الظاهري K′3 أكبر بثلاث مرات من ثابت التفكك المجهري KD . العلاقة العامة بين كلا نوعي ثوابت التفكك لـ n موقع ارتباط هي
وبالتالي، تصبح نسبة الليجاند المرتبط إلى الجزيئات الكبيرة
أينهو معامل ذات الحدين . ثم يتم إثبات المعادلة الأولى بتطبيق قاعدة ذات الحدين.
ارتباط البروتين بالرابط
يُستخدم ثابت التفكك عادةً لوصف الألفة بين الليجاند(مثل دواء ) وبروتينأي مدى قوة ارتباط الليجاند ببروتين معين. تتأثر ألفة الليجاند-البروتين بالتفاعلات الجزيئية غير التساهمية بين الجزيئين، مثل الروابط الهيدروجينية ، والتفاعلات الكهروستاتيكية ، والقوى الكارهة للماء ، وقوى فان دير فالس . كما يمكن أن تتأثر الألفة بالتركيزات العالية للجزيئات الكبيرة الأخرى، مما يُسبب ازدحامًا جزيئيًا كبيرًا . [ 4 ] [ 5 ]
تكوين معقد الربيطة-البروتينيمكن وصفها بعملية ذات حالتين
يتم تعريف ثابت التفكك المقابل
أين، وتمثل هذه القيم التركيزات المولية للبروتين، والرابط، ومركب البروتين والرابط، على التوالي.
ثابت التفكك له وحدات مولية (M) ويتوافق مع تركيز الليجاندعندها يكون نصف البروتينات مشغولاً عند التوازن، [ 6 ] أي تركيز الليجاند الذي يكون عنده تركيز البروتين المرتبط بالليجانديساوي تركيز البروتين بدون ارتباط أي ربيطةكلما صغر ثابت التفكك، زادت قوة ارتباط الليجاند بالبروتين، أو زادت الألفة بين الليجاند والبروتين. على سبيل المثال، يرتبط الليجاند ذو ثابت تفكك نانومولي (nM) ببروتين معين بقوة أكبر من الليجاند ذي ثابت تفكك ميكرومولي (μM).
تُعدّ ثوابت التفكك دون البيكومولية الناتجة عن تفاعلات الارتباط غير التساهمية بين جزيئين نادرة. ومع ذلك، توجد بعض الاستثناءات المهمة. يرتبط البيوتين والأفيدين بثابت تفكك يبلغ حوالي 10⁻¹⁵ مولار = 1 فيمتومولار = 0.000001 نانومولار. [ 7 ] قد ترتبط بروتينات مثبطات الريبونيوكلياز أيضًا بالريبونيوكلياز بتقارب مماثل يبلغ 10⁻¹⁵ مولار. [ 8 ]
يمكن أن يتغير ثابت تفكك تفاعل الليجاند-البروتين بتغير ظروف المحلول (مثل درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، وتركيز الملح). ويؤدي اختلاف ظروف المحلول إلى تعديل قوة التفاعلات بين الجزيئات التي تربط معقد الليجاند-البروتين.
قد تُسبب الأدوية آثارًا جانبية ضارة نتيجة تفاعلها مع بروتينات لم تُصمم أو تُقصد للتفاعل معها. ولذلك، يهدف جزء كبير من الأبحاث الصيدلانية إلى تصميم أدوية ترتبط فقط ببروتيناتها المستهدفة (التصميم السلبي) بتقارب عالٍ (عادةً 0.1-10 نانومتر)، أو إلى تحسين التقارب بين دواء معين وبروتينه المستهدف داخل الجسم الحي (التصميم الإيجابي).
الأجسام المضادة
في الحالة المحددة للأجسام المضادة (Ab) المرتبطة بالمستضد (Ag)، يشير مصطلح ثابت التقارب عادةً إلى ثابت الارتباط.
يمثل هذا التوازن الكيميائي أيضًا نسبة ثابت معدل الارتباط ( k الأمامي أو k a ) إلى ثابت معدل الانفصال ( k الخلفي أو k d ). قد يمتلك جسمان مضادان نفس الألفة، لكن أحدهما قد يمتلك ثابت معدل ارتباط وانفصال مرتفعين، بينما قد يمتلك الآخر ثابت معدل ارتباط وانفصال منخفضين.
تفاعلات الحمض والقاعدة
في عملية نزع البروتون من الأحماض ، يُعرف ثابت التفكك الحمضي ( Ka ) باسم Ka . تتميز الأحماض القوية، مثل حمض الكبريتيك أو حمض الفوسفوريك ، بثوابت تفكك كبيرة؛ بينما تتميز الأحماض الضعيفة، مثل حمض الخليك ، بثوابت تفكك صغيرة.
قد يؤدي الرمز Ka ، المستخدم لثابت تفكك الحمض، إلى الخلط بينه وبين ثابت الارتباط ، وقد يكون من الضروري الاطلاع على التفاعل أو تعبير التوازن لمعرفة المقصود.
تُعبّر ثوابت تفكك الحمض أحيانًا عن طريق pKa ، والذي يُعرّف بواسطة
هذايُلاحظ هذا الترميز في سياقات أخرى أيضًا؛ فهو يُستخدم بشكل أساسي للتفكك التساهمي (أي التفاعلات التي يتم فيها تكوين أو كسر الروابط الكيميائية) نظرًا لأن ثوابت التفكك هذه يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا.
يمكن أن يمتلك الجزيء الواحد عدة ثوابت تفكك حمضي. وبناءً على ذلك، أي تبعًا لعدد البروتونات التي يمكن أن يفقدها، نُصنّف الأحماض إلى أحادية البروتون ، وثنائية البروتون ، وثلاثية البروتون . الأحماض أحادية البروتون (مثل حمض الخليك أو أيون الأمونيوم ) لها مجموعة واحدة قابلة للتفكك، والأحماض ثنائية البروتون (مثل حمض الكربونيك ، والبيكربونات ، والجليسين ) لها مجموعتان قابلتان للتفكك ، والأحماض ثلاثية البروتون (مثل حمض الفوسفوريك) لها ثلاث مجموعات قابلة للتفكك. في حالة وجود قيم pK متعددة ، يُشار إليها بمؤشرات: pK1 ، pK2 ، pK3 ، وهكذا . بالنسبة للأحماض الأمينية، يشير ثابت pK1 إلى مجموعة الكربوكسيل (–COOH)، ويشير pK2 إلى مجموعة الأمين (–NH2 ) ، بينما يُمثل pK3 قيمة pK للسلسلة الجانبية .
ثابت تفكك الماء
يُرمز إلى ثابت تفكك الماء بالرمز K w :
يتم حذف تركيز الماء، [H 2 O]، وفقًا للاتفاقية، مما يعني أن قيمة K w تختلف عن قيمة K eq التي سيتم حسابها باستخدام هذا التركيز.
تتغير قيمة K<sub> w</sub> بتغير درجة الحرارة، كما هو موضح في الجدول أدناه. يجب مراعاة هذا التغير عند إجراء قياسات دقيقة لكميات مثل الرقم الهيدروجيني (pH).
درجة حرارة الماء ك و p K w [ 9 ] 0 درجة مئوية 0.112 × 10-14 14.95 25 درجة مئوية 1.023 × 10-14 13.99 50 درجة مئوية 5.495 × 10-14 13.26 75 درجة مئوية 19.95 × 10-14 12.70 100 درجة مئوية 56.23 × 10-14 12.25
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ "ثابت التفكك" . نصوص الكيمياء الحرة . 9 أغسطس 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 أكتوبر 2020 .
- ↑ كتاب الكيمياء التحليلية الحيوية، دي جرويتر 2021 https://doi.org/10.1515/9783110589160-206
- 1 2 بيسوانجر، هانز (2008). حركية الإنزيمات: المبادئ والأساليب (ملف PDF) . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. ص 302. ISBN 978-3-527-31957-2.
- ↑ تشو، هـ.؛ ريفاس، ج.؛ مينتون، أ. (2008). "ازدحام الجزيئات الكبيرة وحصرها: العواقب البيوكيميائية والبيوفيزيائية والفسيولوجية المحتملة" . المراجعة السنوية للفيزياء الحيوية . 37 : 375-397 . doi : 10.1146/annurev.biophys.37.032807.125817 . PMC 2826134. PMID 18573087 .
- ↑ مينتون، أ.ب. (2001). "تأثير الازدحام الجزيئي الكبير والحصر الجزيئي الكبير على التفاعلات الكيميائية الحيوية في الأوساط الفيزيولوجية" (ملف PDF) . مجلة الكيمياء البيولوجية . 276 (14): 10577-10580 . doi : 10.1074/jbc.R100005200 . PMID 11279227 .
- ↑ بيوركلوند، حنا؛ جيدا، لارس؛ أندرسون، كارل (31 يناير 2011). "مقارنة تفاعل عامل نمو البشرة مع أربعة خطوط خلوية مختلفة: تأثيرات مثيرة للاهتمام تشير إلى اعتماد قوي للسياق الخلوي" . PLOS ONE . 6 (1) e16536. Bibcode : 2011PLoSO...616536B . doi : 10.1371/ journal.pone.0016536 . ISSN 1932-6203 . PMC 3031572. PMID 21304974 .
- ↑ ليفناه، أ.؛ باير، إ.؛ ويلتشيك، م.؛ سوسمان، ج. (1993). "البنى ثلاثية الأبعاد للأفيدين ومركب الأفيدين-بيوتين" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 90 (11): 5076-5080 . Bibcode : 1993PNAS...90.5076L . doi : 10.1073 / pnas.90.11.5076 . PMC 46657. PMID 8506353 .
- ↑ جونسون، ر.؛ مكوي، ج.؛ بينغمان، س.؛ فيليبس، ج.؛ راينز، ر. (2007). " تثبيط الريبونيوكلياز البنكرياسي البشري بواسطة بروتين مثبط الريبونيوكلياز البشري" . مجلة البيولوجيا الجزيئية . 368 (2): 434-449 . doi : 10.1016/j.jmb.2007.02.005 . PMC 1993901. PMID 17350650 .
- ↑ باندورا، أندريه ف.؛ لفوف، سيرغي ن. (2006). "ثابت تأين الماء على نطاقات واسعة من درجات الحرارة والكثافة" (ملف PDF) . مجلة البيانات المرجعية الفيزيائية والكيميائية . 35 (1): 15-30 . رمز Bibcode : 2006JPCRD..35...15B . doi : 10.1063/1.1928231 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 12 مايو 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 يوليو 2017 .
- كيمياء التوازن
- حركية الإنزيم
