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.