Unión molecular

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 moléculas se unen compartiendo electrones. A menudo, pero no siempre, implica algún 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 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 se produce en complejos biológicos (por ejemplo, entre pares o conjuntos de proteínas, o entre una proteína y un ligando de molécula pequeña a la que se une) y también en sistemas químicos biológicos, por ejemplo, como en los casos de polímeros de coordinación y redes de coordinación como marcos metal-orgánicos.

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 que la asociación es completamente reversible
• covalente reversible: se forma un enlace químico, sin embargo, la diferencia de energía libre que separa los reactivos no covalentemente enlazados del producto enlazado está cerca del equilibrio y la barrera de activación es relativamente baja, de modo que la reacción inversa que escinde 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 "complejo molecular"; el término generalmente se refiere a asociaciones no covalentes.^[2]​ Las interacciones no covalentes pueden volverse efectivamente irreversibles; por ejemplo, los inhibidores de enzimas de unión estrecha pueden tener una cinética que se asemeja mucho a los inhibidores covalentes irreversibles. Entre los complejos proteína-proteína conocidos más estrechos se encuentra el que se encuentra entre la enzima angiogenina y el inhibidor de la ribonucleasa; la constante de disociación de las proteínas humanas es 5x10 ^-16 mol/L.^[3]​^[4]​ Otro ejemplo biológico es la proteína de unión a estreptavidina, que tiene extraordinariamente alta afinidad 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 (por ejemplo, la proteína se mueve a un ambiente 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 la disociación se puede encontrar en el efecto Bohr, que describe la disociación de los ligandos de la hemoglobina en el pulmón frente a los tejidos periféricos.

Algunas interacciones proteína-proteína dan como resultado enlaces covalentes,^[7]​ y algunos fármacos son antagonistas irreversibles que pueden o no estar unidos covalentemente.^[8]​ El descubrimiento de fármacos ha pasado por períodos en los que los candidatos a fármacos que se unen covalentemente a sus objetivos son atractivos y luego se evitan; el éxito de bortezomib hizo que los candidatos de unión covalente a base de boro fueran más atractivos a finales de la década de 2000.^[9]​^[10]​^[11]​

Fuerza impulsora

Para que el complejo sea estable, la energía libre del complejo, por definición, debe ser menor que la de las moléculas separadas por disolvente. La unión puede estar impulsada principalmente por la entropía (liberación de moléculas de disolvente ordenadas alrededor de la molécula aislada que da como resultado un aumento neto de entropía del sistema). Cuando el solvente es agua, esto se conoce como efecto hidrofóbico. Alternativamente, la unión puede estar impulsada por entalpía donde las fuerzas de atracción no covalentes tales como la atracción electrostática, los enlaces de hidrógeno y las fuerzas de van der Waals/London son las principales responsables de la formación de un complejo estable.^[12]​ 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 componente de entalpía fuerte tienden a tener un componente de entropía débil. Este fenómeno se conoce como compensación de entalpía-entropía.^[13]​

Medición

La fuerza de unión entre los componentes del complejo molecular se mide cuantitativamente por la constante de unión (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.

${\displaystyle A+B\rightleftharpoons AB:\log K_{A}=\log \left({\frac {[AB]}{[A][B]}}\right)=-pK_{A}}$

Cuando el complejo molecular impide el funcionamiento normal de una enzima, la constante de unión 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^[14]​
• proteína– ADN^[15]​
• proteína– hormona
• proteína-fármaco^[16]​

Las proteínas que forman complejos estables con otras moléculas a menudo se denominan receptores, mientras que sus compañeros de unión se denominan ligandos.^[17]​

Véase también

• Receptor celular
• Química supramolecular

Referencias

1. Smith, Adam J. T.; Zhang, Xiyun; Leach, Andrew G.; Houk, K. N. (22 de enero de 2009). «Beyond Picomolar Affinities: Quantitative Aspects of Noncovalent and Covalent Binding of Drugs to Proteins». Journal of Medicinal Chemistry 52 (2): 225-233. ISSN 0022-2623. PMC 2646787. PMID 19053779. doi:10.1021/jm800498e. 
2. «Definition of a molecular complex». Compendium of Chemical Terminology: Gold Book. International Union of Pure and Applied Chemistry. 19 de agosto de 2012. «A molecular entity formed by loose association involving two or more component molecular entities (ionic or uncharged), or the corresponding chemical species. The bonding between the components is normally weaker than in a covalent bond. The term has also been used with a variety of shades of meaning in different contexts: it is therefore best avoided when a more explicit alternative is applicable. In inorganic chemistry the term 'coordination entity' is recommended instead of 'complex'.» 
3. Papageorgiou, A C; Shapiro, R; Acharya, K R (1 de septiembre de 1997). «Molecular recognition of human angiogenin by placental ribonuclease inhibitor--an X-ray crystallographic study at 2.0 A resolution.». The EMBO Journal 16 (17): 5162-5177. ISSN 0261-4189. PMC 1170149. PMID 9311977. doi:10.1093/emboj/16.17.5162. 
4. Dickson, Kimberly A.; Haigis, Marcia C.; Raines, Ronald T. (2005). «Ribonuclease inhibitor: structure and function». Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology 80: 349-374. ISSN 0079-6603. PMC 2811166. PMID 16164979. doi:10.1016/S0079-6603(05)80009-1. 
5. Green, N. M. (1975). «Avidin». Advances in Protein Chemistry 29: 85-133. ISSN 0065-3233. PMID 237414. doi:10.1016/s0065-3233(08)60411-8. 
6. Holmberg, Anders; Blomstergren, Anna; Nord, Olof; Lukacs, Morten; Lundeberg, Joakim; Uhlén, Mathias (2005-02). «The biotin-streptavidin interaction can be reversibly broken using water at elevated temperatures». Electrophoresis 26 (3): 501-510. ISSN 0173-0835. PMID 15690449. doi:10.1002/elps.200410070. 
7. Westermarck, Jukka; Ivaska, Johanna; Corthals, Garry L. (2013-7). «Identification of Protein Interactions Involved in Cellular Signaling». Molecular & Cellular Proteomics : MCP 12 (7): 1752-1763. ISSN 1535-9476. PMC 3708163. PMID 23481661. doi:10.1074/mcp.R113.027771. 
8. Dale, M. M.; Dale, Maureen M. (2007). Rang & Dale's pharmacology (en inglés) (6th ed edición). Churchill Livingstone. p. 19. ISBN 978-0-443-06911-6. OCLC 76798115. 
9. «Not boring at all. Boron is the new carbon in the quest for novel drug candidates». EMBO Reports 10 (2): 125-8. Feb 2009. PMC 2637326. PMID 19182828. doi:10.1038/embor.2009.2. 
10. Hunter, Philip (2009-02). «Not boring at all. Boron is the new carbon in the quest for novel drug candidates». EMBO Reports 10 (2): 125-128. ISSN 1469-221X. PMC 2637326. PMID 19182828. doi:10.1038/embor.2009.2. 
11. London, Nir; Miller, Rand M.; Krishnan, Shyam; Uchida, Kenji; Irwin, John J.; Eidam, Oliv; Gibold, Lucie; Cimermančič, Peter et al. (2014-12). «Covalent Docking of Large Libraries for the Discovery of Chemical Probes». Nature chemical biology 10 (12): 1066-1072. ISSN 1552-4450. PMC 4232467. PMID 25344815. doi:10.1038/nchembio.1666.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
12. Miyamoto, S; Kollman, P A (15 de septiembre de 1993). «What determines the strength of noncovalent association of ligands to proteins in aqueous solution?». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 90 (18): 8402-8406. ISSN 0027-8424. PMID 8378312. 
13. Cooper, A. (1999-10). «Thermodynamic analysis of biomolecular interactions». Current Opinion in Chemical Biology 3 (5): 557-563. ISSN 1367-5931. PMID 10508661. doi:10.1016/s1367-5931(99)00008-3. 
14. Fu, Haian (2004). Protein-protein interactions : methods and applications. Humana Press. ISBN 1-58829-120-0. OCLC 53091845. 
15. Seitz, Harald (2007). Analytics of protein-DNA interactions. Springer. ISBN 978-3-540-48150-8. OCLC 262693312. 
16. Böhm, Hans-Joachim; Schneider, Gisbert (2003). Protein-ligand interactions from molecular recognition to drug design. Wiley-VCH. ISBN 3-527-30521-1. OCLC 52317245. 
17. Klotz, Irving M. (1997). Ligand-receptor energetics : a guide for the perplexed. Wiley. ISBN 0-471-17626-5. OCLC 35269936. 

• Datos: Q6507061