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Articulo de referencia

Selectividad de unión

En química , la selectividad de unión se define con respecto a la unión de ligandos a un sustrato formando un complejo . La selectividad de unión describe cómo un ligando puede ...

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En química , la selectividad de unión se define con respecto a la unión de ligandos a un sustrato formando un complejo . La selectividad de unión describe cómo un ligando puede unirse de forma más preferencial a un receptor que a otro. Un coeficiente de selectividad es la constante de equilibrio para la reacción de desplazamiento de un ligando por otro en un complejo con el sustrato. La selectividad de unión es de gran importancia en bioquímica [ 1 ] y en 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 cada una de otras dos sustancias químicas, B y C. El caso más simple se da cuando los complejos formados tienen una estequiometría 1:1 . En ese caso, las dos interacciones pueden caracterizarse mediante las constantes de equilibrio K AB y K AC . [ nota 1 ]A+B↽−−⇀AB;KAB=[AB][A][B]A+do↽−−⇀C.A.;KAdo=[C.A.][A][do]{\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {A + B <=> AB}};&\quad K_{\rm {AB}}={\frac {[{\ce {AB}}]}{{\ce {[A][B]}}}}\\{\ce {A + C <=> AC}};&\quad K_{\rm {AC}}={\frac {{\ce {[AC]}}}{{\ce {[A][C]}}}}\end{aligned}}} donde [X] representa la concentración de la sustancia X (A, B, C, …).

El coeficiente de selectividad se define como la relación entre las dos constantes de equilibrio. KB,do=KAdoKAB{\displaystyle K_{\rm {B,C}}={\frac {K_{\rm {AC}}}{K_{\rm {AB}}}}} Este coeficiente de selectividad es, de hecho, la constante de equilibrio para la reacción de desplazamiento.

AB+do↽−−⇀C.A.+B;KB,do=[C.A.][B][AB][do]=KAdo[A][B][do]KAB[A][B][do]=KAdoKAB{\displaystyle {\ce {AB + C <=> AC + B}};\quad K_{\rm {B,C}}={\frac {{\ce {[AC][B]}}}{{\ce {[AB][C]}}}}={\frac {K_{\rm {AC}}{\ce {[A][B][C]}}}{K_{\rm {AB}}{\ce {[A][B][C]}}}}={\frac {K_{\rm {AC}}}{K_{\rm {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, mayor será el desplazamiento del ligando C por el 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 necesaria 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

En bioquímica, el sustrato se conoce como receptor. Un receptor es una molécula proteica , incrustada en la membrana plasmática o 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 o una toxina. La especificidad de un receptor está determinada por su geometría espacial y la forma en que se une al ligando mediante interacciones no covalentes , como enlaces de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals . [ 2 ]

Si se puede aislar un receptor , se puede desarrollar un fármaco sintético para estimularlo ( agonista) o bloquearlo ( antagonista) . El fármaco para la úlcera gástrica cimetidina se desarrolló como antagonista H2 mediante ingeniería química de la molécula para lograr la máxima especificidad en un tejido aislado que contiene el receptor. El uso posterior de relaciones cuantitativas estructura-actividad (QSAR) condujo al desarrollo de otros agentes como la ranitidina .

La "selectividad", cuando se refiere a un fármaco, es relativa. Por ejemplo, a dosis más altas, una molécula de un fármaco específico puede unirse a otros receptores además de los considerados "selectivos".

Terapia de quelación

Deferiprona
Penicilamina

La terapia de quelación es un tratamiento médico en el que se utiliza un ligando quelante [ nota 2 ] para eliminar selectivamente un metal del organismo. Cuando el metal se presenta como un ion divalente, como el plomo (Pb²⁺ ) o el mercurio ( Hg²⁺) , la selectividad frente al calcio (Ca²⁺ ) y el magnesio (Mg²⁺ ) es fundamental para que el tratamiento no elimine metales esenciales. [ 3 ]

La selectividad está determinada por varios factores. En el caso de sobrecarga de hierro , que puede ocurrir en individuos con β- talasemia que han recibido transfusiones de sangre , el ion metálico objetivo está en estado de oxidación +3 y por lo tanto forma complejos más fuertes que los iones divalentes. También forma complejos más fuertes con ligandos donadores de oxígeno que con ligandos donadores de nitrógeno. La deferoxamina , un sideróforo natural producido por la actinobacteria Streptomyces pilosus y se usó inicialmente como agente de terapia de quelación. Se han desarrollado sideróforos sintéticos como la deferiprona y el deferasirox , 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 diana en este caso es el Cu²⁺ divalente . Este ion se clasifica como límite en el esquema de Ahrland, Chatt y Davies. [ 6 ] Esto significa que forma complejos aproximadamente igual de fuertes con ligandos cuyos átomos donadores son N, O o F que con ligandos cuyos átomos donadores son P, S o Cl. La penicilamina , que contiene átomos donadores de nitrógeno y azufre, se utiliza porque este tipo de ligando se une con mayor fuerza a los iones de cobre que a los iones de calcio y magnesio.

El tratamiento de la intoxicación por metales pesados ​​como el plomo y el mercurio es más problemático, ya que los ligandos utilizados no presentan una alta especificidad con respecto al calcio. Por ejemplo, el EDTA puede administrarse como sal de calcio para reducir la pérdida 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

En la cromatografía de columna, una mezcla de sustancias se disuelve en una fase móvil y se hace pasar a través de una fase estacionaria en una columna. El factor de selectividad se define como la relación de los 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 la suposición adicional de que la actividad de la fase estacionaria, el sustrato en este caso, es igual a 1, la suposición estándar para una fase pura. [ 8 ] La resolución de una columna cromatográfica, R S, está relacionada con el factor de selectividad mediante:

RS=norte4(α−1α)(kB1+kB){\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 especialmente cierto en la cromatografía gas-líquido, donde se pueden utilizar columnas de hasta 60 m de longitud, lo que proporciona un número muy elevado de platos teóricos.

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

Extracción con solventes

La extracción con solventes [ 10 ] se utiliza para extraer elementos lantánidos individuales de las mezclas que se encuentran en la naturaleza en minerales como la monacita . En un proceso, los iones metálicos en solución acuosa forman complejos con tributilfosfato (TBP), que se extraen en un solvente orgánico como el queroseno . La separación completa se efectúa mediante un método de intercambio a contracorriente . Varias celdas se disponen 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 ion metálico con el complejo más estable desciende por la cascada en la fase orgánica y el metal con el complejo menos estable asciende por la cascada en la fase acuosa. [ 11 ]

Si la solubilidad en la fase orgánica no representa un problema, el coeficiente de selectividad es igual a la relación entre las constantes de estabilidad de los complejos TBP de dos iones metálicos. Para los elementos lantánidos adyacentes en la tabla periódica, esta relación no es mucho mayor que 1, por lo que se necesitan muchas celdas 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 ion particular de otros. El coeficiente de selectividad, K B,C, se evalúa mediante la respuesta de la fuerza electromotriz del electrodo selectivo de iones en soluciones mixtas del ion primario, B, y el ion interferente, C (método de interferencia fija) o, menos deseable, 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 adecuado para encapsular el ion potasio, pero es demasiado grande para unirse fuertemente al ion sodio, la interferencia más probable.

Se están desarrollando sensores químicos [ 13 ] [ 14 ] para moléculas e iones específicos , en los que el objetivo (huésped) forma un complejo con un sensor (anfitrión). El sensor está diseñado para que coincida perfectamente en tamaño y forma con el objetivo, a fin de proporcionar la máxima selectividad de unión. Un indicador se asocia al sensor y experimenta un cambio cuando el objetivo forma un complejo con él. El cambio del indicador suele ser un cambio de color (de gris a amarillo en la ilustración), que se observa en la absorbancia o, con mayor sensibilidad, en la luminiscencia . El indicador puede estar unido al sensor mediante un espaciador, en la configuración ISR, o puede estar desplazado del sensor, en la configuración IDA.

Véase también

Notas

  1. ↑ Las constantes que se utilizan aquí son constantes de asociación .En algunos contextos se utilizan constantes de disociación . Una constante de disociación es la recíproca 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 en realidad el sustrato, y el ligando en esa definición es el ion metálico.

Referencias

  1. ↑ Klotz, IM (1997). Energética ligando-receptor: 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 Ratón, Florida: CRC Press. ISBN  978-0-8493-1029-4.
  3. ↑ Walker, M.; Shah, HH (1997). Todo lo que debe saber sobre la terapia de quelación (4.ª ed.). New Canaan, Conn.: 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 (eds.). Interrelaciones entre iones metálicos esenciales y enfermedades humanas . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 13. Dordrecht: Springer. pp. 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 basados ​​en ácido hidroxámico". Chemical Reviews . 89 (7): 1563– 1579. doi : 10.1021/cr00097a011 .
  6. ↑ Ahrland, S.; Chatt, J.; Davies, NR (1958). "Las afinidades relativas de los átomos de ligando por moléculas e iones aceptores". Quart. 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 en el medio ambiente y la salud . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 17. Berlín, Boston: de Gruyter. pp. 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 (8.ª ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN  978-0-03-035523-3.Sección 30E
  9. ↑ IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (2006 – ) " coeficiente de selectividad, k A/B en cromatografía de intercambio iónico ". doi : 10.1351/goldbook.S05566
  10. ↑ Rice, NM; Irving, HMNH; Leonard, MA (1993). "Nomenclatura para la distribución líquido-líquido (extracción con solventes)" . Pure Appl. Chem . 65 (11). IUPAC: 2373–2396 . doi : 10.1351/pac199365112373 . S2CID 98514016 . 
  11. ↑ Rydberg, J.; Musikas, C; Choppin, GR, eds. (2004). Solvent Extraction Principles and Practice ( 2.ª 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 . 66 (12). IUPAC: 2527–2536 . doi : 10.1351/Pac199466122527 . S2CID 97126225 . 
  13. ↑ Florinel-Gabriel Bănică, Sensores químicos y biosensores: Fundamentos y aplicaciones, John Wiley and Sons, Chichester, 2012, ISBN impreso 978-0-470-71066-1
  14. ↑ Cattrall, RW (1997). Sensores químicos . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850090-2.