結合選択性

化学において、結合選択性は、複合体を形成する基質へのリガンドの結合に関して定義されます。結合選択性は、リガンドが他の受容体よりも1つの受容体に優先的に結合する仕組みを説明します。選択係数は、基質との複合体における1つのリガンドによる別のリガンドの置換反応の平衡定数です。結合選択性は、生化学^[1]および化学分離プロセスにおいて非常に重要です。

選択係数

選択性の概念は、1 つの化学物質 A が他の 2 つの化学物質 B と C のそれぞれに結合する程度を定量化するために使用されます。最も単純なケースは、形成される複合体が 1:1 の化学量論を持つ場合です。この場合、2 つの相互作用は平衡定数 $K AB$ と $K AC$ によって特徴付けられます。^{[注 1]} ここで、[X] は物質 X (A、B、C、…) の濃度を表します。 ${\begin{aligned}{\ce {A + B <=> AB}};&\quad K_{\rm {AB}}={\frac {[{\ce {AB}}]}{{\ce {[A][B]}}}}\\{\ce {A + C <=> AC}};&\quad K_{\rm {AC}}={\frac {{\ce {[AC]}}}{{\ce {[A][C]}}}}\end{aligned}}$

選択係数は、2つの平衡定数の比として定義されます。この選択係数は、実際には置換反応の平衡定数です。 $K_{\rm {B,C}}={\frac {K_{\rm {AC}}}{K_{\rm {AB}}}}$

${\ce {AB + C <=> AC + B}};\quad K_{\rm {B,C}}={\frac {{\ce {[AC][B]}}}{{\ce {[AB][C]}}}}={\frac {K_{\rm {AC}}{\ce {[A][B][C]}}}{K_{\rm {AB}}{\ce {[A][B][C]}}}}={\frac {K_{\rm {AC}}}{K_{\rm {AB}}}}$

同じ定義が異なる化学量論の錯体 A _p B _qと A _p C _qに当てはまることは簡単に示せます。選択係数が大きいほど、基質 A と形成された錯体からリガンド C がリガンド B を置換する割合が大きくなります。別の解釈としては、選択係数が大きいほど、AB から B を置換するために必要な C の濃度が低くなるということです。選択係数は、2 つの平衡定数 $K AB$ と $K AC を$ 測定することで実験的に決定されます。

アプリケーション

生化学

生化学では、基質は受容体として知られています。受容体は、細胞の細胞膜または細胞質に埋め込まれたタンパク質分子であり、1つまたは複数の特定の種類のシグナル伝達分子が結合する可能性があります。リガンドは、ペプチドまたは神経伝達物質、ホルモン、医薬品、毒素などの他の小分子です。受容体の特異性は、その空間形状と、水素結合やファンデルワールス力などの非共有結合性相互作用を介してリガンドに結合する方法によって決まります。^[2]

受容体を分離できれば、受容体を刺激するアゴニスト、または受容体をブロックするアンタゴニストの合成薬を開発できます。胃潰瘍治療薬シメチジンは、受容体を含む分離組織への特異性が最大になるように分子を化学的に加工することで、 H ₂拮抗薬として開発されました。定量的構造活性相関(QSAR)をさらに活用することで、ラニチジンなどの他の薬剤も開発されました。

薬物に関する「選択性」は相対的です。たとえば、高用量では、特定の薬物分子が「選択的」であると言われる受容体以外の受容体にも結合する可能性があります。

キレート療法

キレート療法は、キレート配位子^{[注 2]を}使用して体内から選択的に金属を除去する治療法です。金属が鉛(Pb ²⁺⁾や水銀(Hg ^{2+)などの二価イオンとして存在する場合、治療によって必須金属が除去されないようにするためには、}カルシウム(Ca ²⁺⁾とマグネシウム(Mg ²⁺ )に対する選択性が不可欠です。^[3]

選択性は様々な要因によって決まります。輸血を受けたβ-サラセミアの人に起こる可能性がある鉄過剰症の場合、標的金属イオンは+3の酸化状態にあるため、二価イオンよりも強い錯体を形成します。また、窒素供与性リガンドよりも酸素供与性リガンドとより強い錯体を形成します。デフェロキサミンは、放線菌ストレプトマイセス・ピロサスによって生成される天然のシデロフォアで、当初はキレート療法剤として使用されていました。デフェロキサミンの既知の構造を出発点として、デフェリプロンやデフェラシロクスなどの合成シデロフォアが開発されました。^[4]^[5]キレート化は2つの酸素原子で起こります。

ウィルソン病は銅代謝の欠陥によって引き起こされ、体のさまざまな臓器に銅金属が蓄積します。この場合の標的イオンは2価のCu ²⁺です。このイオンは、Ahrland、Chatt、Daviesの分類では境界イオンとして分類されています。^[6]これは、N、O、Fを供与原子とする配位子とP、S、Clを供与原子とする配位子とでほぼ同じ強さの錯体を形成することを意味します。窒素および硫黄供与原子を含むペニシラミンは、このタイプの配位子がカルシウムイオンやマグネシウムイオンよりも銅イオンに強く結合するため使用されます。

鉛や水銀などの重金属中毒の治療は、使用されるリガンドがカルシウムに対して高い特異性を持たないため、より問題が多い。例えば、EDTAはカルシウム塩として投与され、重金属とともに骨からカルシウムが除去されるのを減らすことができる。鉛に対する亜鉛、カドミウム、カルシウムに対する選択性を決定する要因は検討されている。^[7]

クロマトグラフィー

カラムクロマトグラフィーでは、物質の混合物が移動相に溶解され、カラム内の固定相に通される。選択係数は、固定相と移動相の間の分析物の平衡分布を表す分配係数の比として定義される。選択係数は、固定相（この場合は基質）の活性が1に等しいという仮定（純粋な相の標準的な仮定）を加えた選択係数に等しい。^[8]クロマトグラフィーカラムの分解能R _{S は}、選択係数と次のように関係している。

R_{S}={\frac {\sqrt {N}}{4}}\left({\frac {\alpha -1}{\alpha }}\right)\left({\frac {k_{B}}{1+k_{B}}}\right)

ここで、α は選択係数、N は理論段数、 k _Aとk _{B は}2 つの分析物の保持係数です。保持係数は分配係数に比例します。実際には、選択係数が 1 に非常に近い物質を分離できます。これは、最大 60 m のカラム長が可能で、非常に多くの理論段数を提供できるガス液体クロマトグラフィーに特に当てはまります。

イオン交換クロマトグラフィーでは選択係数は若干異なる方法で定義される^[9]

溶媒抽出

溶媒抽出法^[10]は、モナザイトなどの鉱石に自然界で含まれる混合物から個々のランタノイド元素を抽出するのに用いられる。1 つのプロセスでは、水溶液中の金属イオンをトリブチルリン酸(TBP)と錯体を形成し、これを灯油などの有機溶媒に抽出する。完全な分離は、向流交換法を用いて行われる。多数のセルがカスケード状に配置されている。平衡後、各セルの水性成分は前のセルに移され、有機成分は、最初は水のみを含む次のセルに移される。このようにして、最も安定した錯体を持つ金属イオンは有機相でカスケードを下り、最も不安定な錯体を持つ金属は水性相でカスケードを上る。^[11]

有機相への溶解性が問題にならない場合、選択係数は2 つの金属イオンの TBP 錯体の安定度定数の比に等しくなります。周期表で隣接するランタノイド元素の場合、この比は 1 より大きくないため、カスケードには多数のセルが必要になります。

化学センサー

電位差選択係数は、イオン選択電極が特定のイオンを他のイオンと区別する能力を定義します。選択係数 K _{B,C は}、主要イオン B と干渉イオン C の混合溶液 (固定干渉法)、またはあまり望ましくない方法として B と C の別々の溶液 (分離溶液法) におけるイオン選択電極の起電力応答によって評価されます。^[12] たとえば、カリウムイオン選択膜電極は、天然に存在する大環状抗生物質バリノマイシンを利用します。この場合、大環状リングの空洞はカリウムイオンをカプセル化するのにちょうどよいサイズですが、最も干渉する可能性のあるナトリウムイオンを強く結合するには大きすぎます。

化学センサー^[13]^[14]は、特定の標的分子およびイオンを対象に開発されており、標的（ゲスト）がセンサー（ホスト）と複合体を形成します。センサーは、最大の結合選択性を提供するために、標的のサイズと形状に関して完全に一致するように設計されています。センサーには指示薬が関連付けられており、標的がセンサーと複合体を形成すると指示薬が変化します。指示薬の変化は通常、吸光度または感度が高い場合は発光で見られる色の変化（図では灰色から黄色）です。指示薬は、ISR配置でスペーサーを介してセンサーに取り付けられることもあれば、IDA配置でセンサーから外されることもあります。

参照

注記

^ ここで使用される定数は結合定数です。一部の状況では解離定数が使用されます。解離定数は結合定数の逆数です。
^ ここでの「リガンド」という用語は、金属への結合を指します。選択係数の定義では、この「リガンド」は実際には基質であり、その定義におけるリガンドは金属イオンです。

参考文献

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[2] ここで使用される定数は結合定数です。一部の状況では解離定数が使用されます。解離定数は結合定数の逆数です。

[4] ここでの「リガンド」という用語は、金属への結合を指します。選択係数の定義では、この「リガンド」は実際には基質であり、その定義におけるリガンドは金属イオンです。

[1] Klotz, IM (1997).リガンド受容体のエネルギー論: 困惑した人のためのガイド. Wiley. ISBN 978-0-471-17626-8。

[3] フォアマン、JC;ヨハンセン、T.編。（2003年）。受容体薬理学の教科書（第２版）。フロリダ州ボカラトン：CRC Press。ISBN 978-0-8493-1029-4。

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[6] 治療効果のある鉄選択性キレート剤Hider, Robert C.; Kong, Xiaole (2013). 「第 8 章鉄: 過剰と欠乏の影響」 Astrid Sigel、Helmut Sigel、Roland KO Sigel (編)必須金属イオンとヒト疾患の相互関係生命科学における金属イオン第 13 巻ドルドレヒト: Springer. pp. 229–294. doi :10.1007/978-94-007-7500-8_8. ISBN 9789400774995. PMID 24470094。

[7] ミラー、マーヴィン J. (1989)。「ヒドロキサム酸ベースのシデロフォアと類似体の合成と治療の可能性」。化学レビュー。89 (7): 1563–1579。doi :10.1021/cr00097a011。

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[9] Farkas, Etelka; Buglyó, Péter (2017). 「第8章アミノ酸、ペプチド、および生物学的に興味深いその他の関連リガンドの鉛(II)錯体」。Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, RKO (編)。鉛：環境と健康への影響。生命科学における金属イオン。第17巻。ベルリン、ボストン：de Gruyter。pp. 201–240。doi ：10.1515/9783110434330-008。ISBN 9783110434330. PMID 28731301。

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[13] Rydberg, J.; Musikas, C; Choppin, GR, 編 (2004).溶媒抽出の原理と実践 ( (第2版). フロリダ州ボカラトン: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3。

[14] Buck, RP; Linder, E. (1994). 「イオン選択電極の命名法に関する推奨事項」. Pure Appl. Chem . 66 (12). IUPAC: 2527–2536. doi : 10.1351/Pac199466122527 . S2CID 97126225.

[15] フロリネル・ガブリエル・バニカ、「化学センサーとバイオセンサー：基礎と応用」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、チチェスター、2012年、印刷ISBN 978-0-470-71066-1

[16] Cattrall, RW (1997).化学センサー. オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-850090-2。