The secret of life is molecular recognition; the ability of one molecule to recognize another through weak bonding interactions.

Transkript

1 The secret of life is molecular recognition; the ability of one molecule to recognize another through weak bonding interactions. Linus Pauling at the 25 th anniversary of the Institute of Molecular Biology at the University of Oregon In the end it is nothing but equilibrium binding and kinetics. Karsten Rippe, Biochemistry II Lecture

2 eideální chování Ideální chování Charakteristika L S Molární poměr S : L

3 Mějme systém mající dvě složky S a L tvořící komplex 1 : 1, tj. SL Fyzikální primitivní popis ( f ) Chemický sofistikovaný popis ( c ) f f f a S = γ S c S f f f a L = γ L c L c c a S = c S c c a L = c L c c a SL = c SL c c SL K = c c cl c S c c c c SL + K c S c L f f S total = c S c c c S total = c S + c SL c f S total = S total c c f c S + c SL = c S c c S f c S = 1 + K c cl c f c S = a S f γ S = K c cl

4 S + L SL K = a S a L a SL = γ S c S γ L c L γ SL c SL γ S γ L c S c L = γ = K γ K a SL c SL G = -RT ln K G = H - T S H ln K = - + RT S R Vazebná (asociační, rovnovážná, stability) konstanta K a Disociační konstanta K D K a = 1 / K D

5 Kenneth Antonio Connors Binding Constants The Measurement of Molecular Complex Stability John Wiley & Sons 1987, ISB-10: , 432 pages. Hans-Jörg Schneider and Anatoly K. Yatsimirsky Principles and Methods in Supramolecular Chemistry John Wiley & Sons 2000, ISB-10: , 362 pages. Christoph A. Schalley Analytical Methods in Supramolecular Chemistry John Wiley & Sons 2007, ISB-10: , 502 pages. Christoph A. Schalley Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Wiley-VCH 2012, 2nd, 2 vol., ISB-10: X, 844 pages

6 ITRODUCTIO QUATITATIVE AALYSIS OF BIDIG PROPERTIES ISOTHERMAL TITRATIO CALORIMETRY I SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY EXTRACTIO METHODS MASS SPECTROMETRY AD GAS PHASE CHEMISTRY OF SUPRAMOLECULES DIFFUSIO MR I SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY AD COMPLEXED SYSTEMS PHOTOPHYSICS AD PHOTOCHEMISTRY OF SUPRAMOLECULAR SYSTEMS CIRCULAR DICHROISM SPECTROSCOPY ELECTROCHEMICAL METHODS CRYSTALLOGRAPHY AD CRYSTAL EGIEERIG SCAIG PROBE MICROSCOPY SIGLE-MOLECULE FORCE SPECTROSCOPY OF SUPRAMOLECULAR COMPLEXES COFOCAL LASER SCAIG MICROSCOPY: A VERSATILE SPECTROSCOPIC TOOL FOR THE IVESTIGATIO OF MOLECULAR GELS TRASMISSIO ELECTRO MICROSCOPY (TEM) OF RADIATIO SESITIVE SUPRAMOLECULAR ARCHITECTURES - STRATEGIES FOR A COMPREHESIVE STRUCTURE CHARACTERIZATIO THE CHARACTERIZATIO OF SYTHETIC IO CHAELS AD PORES THEORETICAL METHODS FOR SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY

7 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: 1 H MR libovolné deuterované log K < 4 < 10-3 mol.l mg střední Paramagnetické látky, malá změna chemických posunů

8 TrisTB diastereomers + 1,2,4,5-tetracyanobenzene δ (Hz) syn,syn K = 615 ± 68 K syn,syn / K anti,anti = 24 tweezers effect = 1.4 syn,anti K = 17 ± 2 B. Dolenský, J. Kessler, M. Jakubek, J. ovotná, J. Čejka, V. Král Tetrahedron Lett., 2012, in press. n/n anti,anti K = 16 ± 2

9

10 Test chirálního rozpoznání -(3,5-Dinitrobenzoyl)-D-α-phenylglycine (±)-syn,syn-tristb + HOOC O H O 2 O 2 + 0,3 ekv. 1 H MR spektra + 0,1 ekv. (±)-syn,syn-tristb ppm Každý z enantiomerů tristb interaguje jiným způsobem

11 Test chirálního rozpoznání (±)-syn,syn-tristb + -(3,5-Dinitrobenzoyl)-D-α-phenylglycine v CDCl 3 / (CD 3 ) 2 SO 5:1 1 H MR spektra v CDCl 3 Přídavek DMSO interakci neruší

12 Test chirálního rozpoznání Dochází ke změně chemických posunů edochází ke změně chemických posunů Ostatní signály nelze sledovat ( překryvy ) Pravděpodobně dochází k interakci do kavity

13 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: 13 C MR libovolné log K < 3 < 10-2 mol.l mg malá Paramagnetické látky

14 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: UV-Vis voda, omezeně i další záleží na molárním absorpčním koeficientu mol.l -1 0,010 0,100 mg vysoká překryvy pásů

15 + 13/60 syn-bistb + TCE anti-bistb + TCE anti-bistb + TCE syn-bistb + TCE anti-bistb syn-bistb

16 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Fluorometrie voda, omezeně i další log K = mol.l -1 0,001 0,010 mg velmi vysoká překryvy pásů, zhášení fluorescence

17 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Infračervená spektroskopie pouze některé rozpouštědla záleží na molárním absorpčním koeficientu záleží na molárním absorpčním koeficientu 0,001 0,100 mg vysoká překryvy pásů

18 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Polarimetrie voda, omezeně i další log K < mol.l mg vysoká malá přesnost, nízká citlivost

19 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: CD / ORD voda, omezeně i další log K = mol.l -1 0,01 1 mg vysoká omezena na opticky aktivní látky

20 Complexation study by UV-Vis (+) TB with L-Lys Ar F F Co O F F Ar F F Ar O H 2 H 2 F F Co Ar Ar = F F F (-) TB with D-Lys (+) TB with D-Lys (-) TB with L-Lys Ar COOMe Ar F F

21 Complexation study by ECD (-) TB with D-Lys 2 (+) TB with L-Lys Wavelength [nm] (-) TB with L-Lys Wavelength [nm] (+) TB with D-Lys Wavelength [nm] Red enantiomers;1.1 eq, grey; 3.3 eq green; 9.4 eq blue Wavelength [nm] c = mol/l

22 Binding constants of enantiomers with tested aminoacids Amino acid ( )-TB (+)-TB H H 2 COOCH 3 L- His 8.9 ± ± 0.7 D- His 7.9 ± ± 0.9 H 2 COOCH 3 H 2 COOCH 3 H L- Lys 41.7 ± ± 3.6 D- Lys 20.9 ± ± 4.1 L- Pro 9.8 ± ± 0.8 D- Pro 8.9 ± ± 0.4

23 Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Kalorimetrie voda, omezeně i další záleží na velikosti H mol.l mg nejvyšší závislost na H, vedlejší reakce

24 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Potenciometrie - ph zejména voda log K = mol.l -1 0,1 10 mg velmi vysoká značná závislost na prostředí a teplotě

25 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Potenciometrie - ISE zejména voda log K = mol.l -1 0,01 1 mg vysoká značná závislost na prostředí, potřeba selektivní elektrody

26 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Polarografie zejména voda log K = mol.l -1 0,001 1 mg velmi vysoká pouze pro látky podléhající redox reakcím, citlivá ale méně přesná než potenciometrie

27 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Konduktometrie libovolné log K = mol.l -1 0,001 1 mg velmi vysoká nabité látky jakožto nečistoty, nesymetrické ionty

28 Metoda: Vhodné prostředí: Hmotnostní spektroskopie libovolný plyn, LC-MS kapalina Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: < 0, mg malá malá přesnost, nespecifické associace

29 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Rozpustnost libovolné log K = mol.l -1 0,1 10 mg střední mikrodisperze

30 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Extrakce libovolné dvě nemísitelné log K = 5 12 Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: 0,01 1 mg střední vzájemná mísitelnost fází

31 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Chromatografie zejména voda, omezeně i další log K = mol.l -1 0,0001 0,001 mg střední zadržování substrátu stacionární fází Chromatographic Determination of Molecular Interactions Applications in Biochemistry, Chemistry, and Biophysics Tibor Cserhati, Klara Valko, Cserhati Cserhati CRC Press, 1993

32 Supramolecular chromatography Molecular Tweezers as Synthetic Receptors: Molecular Recognition of Electron-Deficient Aromatic Substrates by Chemically Bonded Stationary Phases M. Kamieth, U. Burker, P. S. Corbin, S. J. Dell, S. C. Zimmerman, F.-G. Klärner Eur. J. Org. Chem. 1999,

33 O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 Eur. J. Org. Chem. 1999,

34 Eur. J. Org. Chem. 1999, C C C O 2 O 2 O 2 C C C O 2 O 2 O 2

35 MeOOC COOMe syn-bistb anti-bistb COOMe COOH COCl + aminopropylsilica stationary phase for HPLC

36 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 H O H O H O H O O O Si O O O Si O O O Si O O O Si O O O Si O O O Si O

37 Heptane : CH 2 Cl 2 (1:2)

38 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: Elektroforéza voda log K = mol.l -1 0,0001 0,001 mg střední pouze pro nabité látky, médium effekt

39 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: SPR Povrchová plazmonová rezonance voda, omezeně i další log K = 3 15 Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: vyžaduje imobilizovaný ligand

40 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: RIA Radioimmunoassay voda log K < 15 Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: radioaktivita, vyžaduje pomalou disociaci komplexu

41 Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay voda log K < 15 Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody: vyžaduje pomalou disociaci komplexu a značený enzym

42 Problém: Metody založené na analýze titračních křivek vypovídají pouze o relativní stechiometrii nelze rozlišit mezi komplexem 1:1 a třeba 5:5 Metody vypovídající o velikosti (stechiometrii) komplexu

43 GPC (SEC) Gel Permeation Chromatography (Size Exclusion Chromatography) Gelová permeační chromatografie VPO Vapour Pressure Osmosis Osmometrie v parní fázi MS Mass Spectroscopy Hmotnostní spektroskopie (ionizace ESI, MALDI, SIMS) DOSY MR Diffusion ordered spectroscopy, D 1 /D 2 = (M 2 /M 1 ) 1/3 Difusní MR techniky SAS, SAXS, SAS Small-Angle X-Ray Scattering, Small-Angle eutron Scattering Rozptyl záření pod malým úhlem Viskozimetrie, Supermikroskopie,...

44 Designed Self-Assembly of Molecular ecklaces Using Host-Stabilized Charge-Transfer Interactions Y. H. Ko, K. Kim, J.-K. Kang, H. Chun, J. W. Lee, S. Sakamoto, K. Yamaguchi, J. C. Fettinger, K. Kim J. Am. Chem. Soc. 2004, 126,

45 Intermolecular OE JACS 2004, 126,

46 MS (ESI) JACS 2004, 126,

47 JACS 2004, 126, D DOSY MR of 2 in D 2 O at 25 C

48 X-ray JACS 2004, 126,

49 Chiral Supramolecular Polymers Formed by Host-Guest Interactions M. Miyauchi, Y. Takashima, H. Yamaguchi, A. Harada J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,

50 1 H MR JACS 2005, 127,

51 2D ROESY MR JACS 2005, 127,

52 JACS 2005, 127, VPO Vapour Pressure Osmosis

53 Diffusion MR JACS 2005, 127,

54 Mass Spectroscopy JACS 2005, 127,

55 Scanning Tunneling Microscope Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry 2006, 44,

56 SIGLE-MOLECULE FORCE SPECTROSCOPY ( SMFS ) anomedicine (2010) 5(4),

57

58 anomedicine (2010) 5(4), Alexander Fuhrmann and Robert Ros Single-molecule force spectroscopy: a method for quantitative analysis of ligand receptor interactions

59 Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, Au ( SAM )

60 Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12,

61 K a = M -1 G 0 = -27 kj mol -1 at T = 293 K Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12,

62 Study on Intercalations between Double-Stranded DA and Pyrene by Single- Molecule Force Spectroscopy: Toward the Detection of Mismatch in DA Langmuir 2010, 26(17),

63 Study on Intercalations between Double-Stranded DA and Pyrene by Single- Molecule Force Spectroscopy: Toward the Detection of Mismatch in DA Langmuir 2010, 26(17),