En química , un puente salino es una combinación de dos interacciones no covalentes : enlace de hidrógeno y enlace iónico (Figura 1). El apareamiento iónico es una de las fuerzas no covalentes más importantes en química, en sistemas biológicos, en diferentes materiales y en muchas aplicaciones como la cromatografía de pares iónicos . Es una contribución observada más comúnmente a la estabilidad de la conformación plegada entrópicamente desfavorable de las proteínas. Aunque se sabe que las interacciones no covalentes son interacciones relativamente débiles, pequeñas interacciones estabilizadoras pueden sumarse para hacer una contribución importante a la estabilidad general de un confórmero. [1] Los puentes salinos no solo se encuentran en proteínas, sino que también se pueden encontrar en la química supramolecular . La termodinámica de cada uno se explora a través de procedimientos experimentales para acceder a la contribución de energía libre del puente salino a la energía libre general del estado.
En el agua, la formación de puentes salinos o pares de iones es impulsada principalmente por la entropía, usualmente acompañada por contribuciones desfavorables de ΔH debido a la desolvatación de los iones interactuantes tras la asociación. [2] Los enlaces de hidrógeno contribuyen a la estabilidad de los pares de iones con, por ejemplo, iones de amonio protonados , y con aniones se forman por desprotonación como en el caso del carboxilato , fosfato , etc.; entonces las constantes de asociación dependen del pH. Las fuerzas impulsoras entrópicas para el apareamiento de iones (en ausencia de contribuciones significativas de enlaces de H) también se encuentran en el metanol como disolvente. En disolventes no polares se forman pares de iones de contacto con constantes de asociación muy altas; [3] [4] en la fase gaseosa las energías de asociación de, por ejemplo, haluros alcalinos alcanzan hasta 200 kJ/mol. [5] La ecuación de Bjerrum o Fuoss describe la asociación de pares de iones como función de las cargas iónicas zA y zB y la constante dieléctrica ε del medio; un gráfico correspondiente de la estabilidad ΔG vs. zAzB muestra para más de 200 pares de iones la correlación lineal esperada para una gran variedad de iones. [6] Los iones inorgánicos así como orgánicos muestran a una fuerza iónica moderada I valores ΔG de asociación de puente salino similares alrededor de 5 a 6 kJ/mol para una combinación 1:1 de anión y catión, casi independiente de la naturaleza (tamaño, polarizabilidad, etc.) de los iones. [7] [8] Los valores ΔG son aditivos y aproximadamente una función lineal de las cargas, la interacción de por ejemplo un anión fosfato doblemente cargado con un catión amonio cargado individualmente representa alrededor de 2x5 = 10 kJ/mol. Los valores ΔG dependen de la fuerza iónica I de la solución, como se describe por la ecuación de Debye–Hückel , a una fuerza iónica cero se observa ΔG = 8 kJ/mol. Las estabilidades de los pares de iones alcalinos en función de la carga del anión z se pueden describir mediante una ecuación más detallada. [9]
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El puente salino surge con mayor frecuencia del carboxilato aniónico (RCOO − ) del ácido aspártico o del ácido glutámico y del amonio catiónico (RNH 3 + ) de la lisina o del guanidinio (RNHC(NH 2 ) 2 + ) de la arginina (Figura 2). [1] Aunque estos son los más comunes, otros residuos con cadenas laterales ionizables como la histidina , la tirosina y la serina también pueden participar, dependiendo de factores externos que perturben sus p K a 's. La distancia entre los residuos que participan en el puente salino también se cita como importante. La distancia de NO requerida es menor a 4 Å (400 pm). Los aminoácidos separados por una distancia mayor a esta no califican como formadores de un puente salino. [11] Debido a las numerosas cadenas laterales ionizables de aminoácidos que se encuentran en toda una proteína, el pH en el que se coloca una proteína es crucial para su estabilidad.
Los puentes salinos también pueden formarse entre una proteína y ligandos de moléculas pequeñas. Se encontró que más de 1100 complejos proteína-ligando únicos del Protein Databank formaban puentes salinos con sus proteínas diana, lo que indica que los puentes salinos son frecuentes en la interacción fármaco-proteína. [12] Estos contienen estructuras de diferentes clases de enzimas, incluidas hidrolasas, transferasas, quinasas, reductasas, oxidorreductasas, liasas y receptores acoplados a proteína G (GPCR).
La contribución de un puente salino a la estabilidad general del estado plegado de una proteína se puede evaluar a través de datos termodinámicos recopilados a partir de estudios de mutagénesis y técnicas de resonancia magnética nuclear. [13] Utilizando una proteína pseudo-salvaje mutada específicamente mutada para evitar la precipitación a pH alto, la contribución del puente salino a la energía libre general del estado plegado de la proteína se puede determinar realizando una mutación puntual, alterando y, en consecuencia, rompiendo el puente salino. Por ejemplo, se identificó la existencia de un puente salino en la lisozima T4 entre el ácido aspártico (Asp) en el residuo 70 y una histidina (His) en el residuo 31 (Figura 3). Se realizó mutagénesis dirigida al sitio con asparagina (Asn) (Figura 4) obteniendo tres nuevos mutantes: Asp70Asn His31 (Mutante 1), Asp70 His31Asn (Mutante 2) y Asp70Asn His31Asn (Mutante doble).
Una vez que se han establecido los mutantes, se pueden emplear dos métodos para calcular la energía libre asociada con un puente salino. Un método implica la observación de la temperatura de fusión de la proteína de tipo salvaje frente a la de los tres mutantes. La desnaturalización se puede controlar a través de un cambio en el dicroísmo circular . Una reducción en la temperatura de fusión indica una reducción en la estabilidad. Esto se cuantifica a través de un método descrito por Becktel y Schellman donde la diferencia de energía libre entre los dos se calcula a través de Δ T Δ S . [14] Hay algunos problemas con este cálculo y solo se puede utilizar con datos muy precisos. [ cita requerida ] En el ejemplo de la lisozima T4, se había informado previamente que Δ S del tipo pseudo-salvaje se encontraba a un pH de 5,5, por lo que la diferencia de temperatura del punto medio de 11 °C a este pH multiplicada por la Δ S informada de 360 cal/(mol·K) (1,5 kJ/(mol·K)) produce un cambio de energía libre de aproximadamente −4 kcal/mol (−17 kJ/mol). Este valor corresponde a la cantidad de energía libre que contribuye a la estabilidad de la proteína mediante el puente salino.
El segundo método utiliza la espectroscopia de resonancia magnética nuclear para calcular la energía libre del puente salino. Se realiza una titulación, mientras se registra el desplazamiento químico correspondiente a los protones del carbono adyacente al grupo carboxilato o amonio. El punto medio de la curva de titulación corresponde al p K a , o el pH donde la relación de moléculas protonadas: desprotonadas es 1:1. Continuando con el ejemplo de la lisozima T4, se obtiene una curva de titulación a través de la observación de un desplazamiento en el protón C2 de la histidina 31 (Figura 5). La Figura 5 muestra el desplazamiento en la curva de titulación entre el tipo salvaje y el mutante en el que Asp70 es Asn. El puente salino formado es entre el Asp70 desprotonado y la His31 protonada. Esta interacción causa el desplazamiento observado en el p K a de la His31 . En la proteína de tipo salvaje desdoblada, donde el puente salino está ausente, se informa que His31 tiene un p K a de 6,8 en tampones de H 2 O de fuerza iónica moderada. La Figura 5 muestra un p K a del tipo salvaje de 9,05. Esta diferencia en p K a está respaldada por la interacción de His31 con Asp70. Para mantener el puente salino, His31 intentará mantener su protón el mayor tiempo posible. Cuando el puente salino se interrumpe, como en el mutante D70N, el p K a vuelve a un valor de 6,9, mucho más cercano al de His31 en el estado desdoblado.
La diferencia en p K a se puede cuantificar para reflejar la contribución del puente salino a la energía libre. Usando la energía libre de Gibbs : Δ G = − RT ln( K eq ), donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura en kelvins y K eq es la constante de equilibrio de una reacción en equilibrio. La desprotonación de His31 es una reacción de equilibrio ácido con una K eq especial conocida como la constante de disociación ácida , K a : His31-H + ⇌ His31 + H + . El p K a se relaciona entonces con K a por lo siguiente: p K a = −log( K a ). El cálculo de la diferencia de energía libre del mutante y el tipo salvaje ahora se puede hacer usando la ecuación de energía libre, la definición de p K a , los valores de p K a observados y la relación entre logaritmos naturales y logaritmos. En el ejemplo de la lisozima T4, este enfoque produjo una contribución calculada de aproximadamente 3 kcal/mol a la energía libre total. [13] Se puede adoptar un enfoque similar con el otro participante en el puente salino, como Asp70 en el ejemplo de la lisozima T4, al monitorear su cambio en p K a después de la mutación de His31.
Una palabra de precaución al elegir el experimento apropiado involucra la ubicación del puente salino dentro de la proteína. El entorno juega un papel importante en la interacción. [15] A altas fuerzas iónicas, el puente salino puede estar completamente enmascarado ya que está involucrada una interacción electrostática. El puente salino His31-Asp70 en la lisozima T4 estaba enterrado dentro de la proteína. La entropía juega un papel más importante en los puentes salinos superficiales donde los residuos que normalmente tienen la capacidad de moverse están restringidos por su interacción electrostática y enlaces de hidrógeno. Se ha demostrado que esto disminuye la entropía lo suficiente como para borrar casi la contribución de la interacción. [16] Los puentes salinos superficiales se pueden estudiar de manera similar a los puentes salinos enterrados, empleando ciclos de doble mutación y titulaciones de RMN. [17] Aunque existen casos en los que los puentes salinos enterrados contribuyen a la estabilidad, como cualquier otra cosa, existen excepciones y los puentes salinos enterrados pueden mostrar un efecto desestabilizador. [11] Además, los puentes salinos superficiales, bajo ciertas condiciones, pueden mostrar un efecto estabilizador. [15] [17] El efecto estabilizador o desestabilizador debe evaluarse caso por caso y pocas afirmaciones generales pueden hacerse.
La química supramolecular es un campo que estudia las interacciones no covalentes entre macromoléculas. Los químicos de este campo han utilizado los puentes salinos de formas diversas y creativas, como la detección de aniones, la síntesis de cápsulas moleculares y polímeros de doble hélice.
Las principales contribuciones de la química supramolecular se han dedicado al reconocimiento y detección de aniones. [18] [19] [20] [21 ] [22] [23] El apareamiento de iones es la fuerza impulsora más importante para la formación de complejos de aniones, pero la selectividad, por ejemplo dentro de la serie de haluros, se ha logrado principalmente mediante contribuciones de enlaces de hidrógeno.
Las cápsulas moleculares son estructuras químicas diseñadas para capturar y retener una molécula huésped (ver encapsulación molecular ). Szumna y sus colaboradores desarrollaron una nueva cápsula molecular con un interior quiral . [24] Esta cápsula está formada por dos mitades, como un huevo de Pascua de plástico (Figura 6). Las interacciones de puentes salinos entre las dos mitades hacen que se autoensamblen en solución (Figura 7). Son estables incluso cuando se calientan a 60 °C.
Yashima y sus colaboradores han utilizado puentes salinos para construir varios polímeros que adoptan una conformación de doble hélice muy similar al ADN . [25] En un ejemplo, incorporaron platino para crear un metalopolímero de doble hélice. [26] A partir de su monómero y bifenilo de platino (II) (Figura 8), su metalopolímero se autoensambla a través de una serie de reacciones de intercambio de ligando . Las dos mitades del monómero están ancladas entre sí a través del puente salino entre el carboxilato desprotonado y los nitrógenos protonados.
