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分子之间的相互作用力

(2007-07-19 21:24:19)
 
                   分子之间的相互作用力
  
1、共价键
  共价键具有一定的大小和方向,是有机分子之间最强的作用力,化学物质(药物、毒物等)可以与生物大分子(受体蛋白或核酸)构成共价键,共价键除非被体内的特异性酶催化断裂以外,很难恢复原形,是不可逆过程,对酶来讲就是不可逆抑制作用。这种作用常常形成长期的药理作用及毒理效应,如抗癌药、抗寄生虫药、化疗药、抗生素、杀虫剂等。化学物质(药物等)的主要共价结合方式有烷基化作用、酰基化作用和磷酰化作用。

  药物的主要共价结合方式
        方式      作用基团         药物示例
        烷基化      N-氯乙基     氮芥药物、环磷酰胺
        正碳离子      甲磺酸乙酯
        氮丙啶基     氮丙啶苯醌
        双氧乙基     T-2毒素
酰基化     β-内酰胺基    青霉素、头孢菌素
        氨甲酰基      毒扁豆碱
        邻二甲酸酐基    斑螯素
磷酰化      磷酰基       丙氟磷
                  二异丙基氟磷酸酯

  药物的共价基团的选择性
  药物的共价基团往往具有较高的化学活性而缺乏特异选择性。有些药物或毒物本身结构并没有反应基团,而是在人体内转化生成活性基团。如自力霉素和致癌物苯并蒽就是先在体内转化,再通过生成正碳离子而发生烷基化作用。药物与生物大分子的化学反应与生物分子表面的基团和性质有关。

  2、非共价键
  生物体系中分子识别的过程不仅涉及到化学键的形成,而且具有选择性的识别。共价键存在于一个分子或多个分子的原子之间,决定分子的基本结构,是分子识别的一种方式。而非共价键(又称为次级键或分子间力)决定生物大分子和分子复合物的高级结构,在分子识别中起着关键的作用。

  1)、静电作用
  静电作用是指荷电基团、偶极以及诱导偶极之间的各种静电吸引力。酶、核酸、生物膜、蛋白质等生物大分子的表面都具有可电离的基团和偶极基团存在,很容易与含有极性基团的底物或抑制剂等生成离子键和其它静电作用。
  (1).离子键
  生物大分子表面的带电基团可以与药物或底物分子的带电基团形成离子键。这种键可以解离。
  (2).离子-偶极作用
  药物分子和受体分子中O、S、N和C原子的电负性均不相等,这些原子形成的键由于电负性差值可以产生偶极现象。这种偶极部分与永久电荷可以形成静电作用。离子-偶极相互作用一般比离子键小得多,键能与距离的平方差成反比,由于偶极矩是个向量,电荷与偶极的取向会影响药物-受体的作用强度。如普鲁卡因及其衍生物的局部麻醉作用与酯羰基的偶极性质有关。
  (3).偶极-偶极相互作用
  两个原子的电负性不同,产生价键电子的极化作用,成为持久的偶极两个偶极间的作用。偶极—偶极相互作用的大小,取决于偶极的大小、它们之间的距离和相互位置。这种相互作用在水溶液中普遍存在。它的作用强度比离子—偶极作用小,但比偶极—诱导偶极作用大。这种作用对药物—受体相互作用的特异性和立体选择性非常重要。

  2)、氢键
  氢键的形成氢键是由两个负电性原子对氢原子的静电引力所形成,是一种特殊形式的偶极—偶极键。它是质子给予体X-H和质子接受体Y之间的一种特殊类型的相互作用。
  氢键的大小和方向氢键的键能比共价键弱,比范德华力强,在生物体系中为8.4~33.4kj/mol(2-8kcal/mol)。键长为0.25~0.31nm,比共价键短。氢键的方向用键角表示,是指X—H与H…Y之间的夹角,一般为180度~250度。
  (1).氢键的分类
  氢键可分为分子内和分子间氢键。目前人们根据谱学和晶体结构数据按氢键强弱进行分类。
  弱氢键 uOH(cm-1)>3200, R(O…O)(nm)>0.270
  中强氢键uOH(cm-1)>2800-3100, R(O…O)(nm)>0.26-0.270
  强氢键 uOH(cm-1)>700-2700, R(O…O)(nm)>0.240-0.260
  近年来,人们又提出了一种芳香氢键(α—平面氢键),即芳环的电子云作为质子受体与一个氢键的质子给体所形成的氢键。已经证明这种氢键在蛋白质—DNA相互作用中能代替普通氢键的功能,用于蛋白质和DNA结合的能量约为2.09-4.18kj/mol,用于特异性识别过程的能量约为4.18-8.36kj/mol。
  (2).氢键与质子传递
  在生物体内氢键和质子的传递过程与某些重要的生命现象有着密切的联系,如酶的催化机制以及DNA重组中的快速氢交换现象。质子沿氢键的传递过程可以表示为:X—H…Y=[XHY]=X-…H +—Y 随着质子从给体X转移到受体Y上,氢键的势能曲线夜相应发生变化。
  某些酶作用的第一步就是质子的定向传递,因此能有效调节质子的传递势垒。质子传递发生后,导致给体和受体的电荷和构型的变化。如果质子传递沿氢键链进行或与相邻氢键发生偶合,则会引起体系极性的改变,产生电荷的定向传导和分子结构的重排。
  在单一氢键中,质子从给体原子转移到受体原子,有两种可能途径。一种是质子隧道效应(proton tunneling),即质子隧穿势垒到达对面的势阱。通常在低温下固体中的质子以隧道效应为主。另一种途径是质子跃迁(proton flopping),即质子通过热活化翻跃势垒进入对面的势阱。某些酶的活化过程与该机理有关。

  3). 范德华力
  这是一种普遍存在的作用力,是一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力。这种作用力非常依赖原子间的距离,当相互靠近到大约0.4~0.6nm(4~6A?)时,这种力就表现出较大的集合性质。
  范德华力包括引力和排斥力,其中作用势能与1/R6成正比的三种作用力(静电力、诱导力和色散力)通称为范德华引力。
  (1).静电力
  静电力是极性分子的永久偶极之间的静电吸引作用。
  (2).诱导力
  永久偶极矩诱导邻近分子,并使其发生电荷转移,出现诱导偶极矩。永久偶极矩和诱导偶极矩之间存在吸引作用,此相互作用的能量称为诱导能。诱导力通常是较弱的,并随温度升高而降低, 其大小随偶极矩指向的不同而不同,具有方向性。
  (3).色散力
  非极性分子有瞬间偶极矩。瞬间偶极矩将在邻近分子中诱导出新的偶极矩。瞬间偶极矩与诱导偶极矩间的相互作用力就叫做色散力。在非极性分子之间只有色散力;在极性分子和非极性分子之间有诱导力也有色散力;在极性分子之间,静电力、诱导力和色散力都存在。
  (4).排斥力
  当分子间相距较远时,表现为范德华引力,当分子靠得很近时,则会出现排斥力。和吸引力相比,排斥力是短程力。总之范德华力是瞬息间作用力,时间大约为10-8s。是非特异性的作用力,分子越复杂,原子或基团间接触点越多,其引力总和就越大。多环芳烃致癌物与生物受体的作用及啶垒抗疟药与DNA的结合主要为范德华力;而甾类化合物与受体的结合能主要表现为疏水作用和范德华力。

  4)、疏水作用
  疏水作用是指极性基团间的静电力和氢键使极性基团倾向于聚集在一起,因而排斥疏水基团,使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。就化学分子来说,它们的非极性部分在生物体内的环境中均为水合状态,即被水分子所包围,当它们与受体接近到某种程度时,非极性部分周围的水分子便被挤出去,两个非极性区域的接触稳定化,从而缔合在一起。蛋白质和酶的表面通常具有极性链或区域,这是由构成它们的氨基酸侧链上的烷基链或苯环在空间上相互接近时形成的。高分子的蛋白质可形成分子内疏水链、疏水腔或疏水缝隙,可以稳定生物大分子的高级结构。

  5)、电荷转移作用
  在生物系统中,生物分子可以通过电子给予分子与电子接受分子的相互作用形成电荷转移复合物。电荷转移是生物体系的重要作用方式和传能方式之一。

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