塩橋（タンパク質と超分子）

化学において、塩橋は水素結合とイオン結合という2つの非共有結合性相互作用の組み合わせです（図1）。イオン対形成は、化学、生物系、さまざまな材料、およびイオン対クロマトグラフィーなどの多くの用途において最も重要な非共有結合力の1つです。これは、タンパク質のエントロピー的に不利な折り畳まれたコンフォメーションの安定性に最も一般的に見られる寄与です。非共有結合性相互作用は比較的弱い相互作用であることが知られていますが、小さな安定化相互作用が積み重なってコンフォーマーの全体的な安定性に重要な寄与をする可能性があります。^{[1]塩橋はタンパク質だけでなく、}超分子化学 にも見られます。それぞれの熱力学は、塩橋の自由エネルギーの寄与が状態の全体的な自由エネルギーにどのように影響するかを調べるための実験手順を通じて調査されています。

水中では、塩橋またはイオン対の形成は主にエントロピーによって促進され、通常は相互作用するイオンが会合時に脱溶媒和するため、不利な ΔH 寄与を伴います。^[2]水素結合は、例えばプロトン化されたアンモニウムイオンとのイオン対の安定性に寄与し、カルボキシレート、リン酸塩などの場合のように脱プロトン化によってアニオンとのイオン対が形成されます。その後、会合定数は pH に依存します。イオン対形成のエントロピー駆動力 (顕著な H 結合寄与がない場合) は、溶媒としてのメタノールでも見られます。非極性溶媒では、非常に高い会合定数を持つ接触イオン対が形成されます。 ^{[3] [4]} 気相では、例えばアルカリハロゲン化物の会合エネルギーは 200 kJ/mol に達します。^[5] Bjerrum式または Fuoss 式は、イオン電荷 zA および zB と媒体の誘電率 ε の関数としてイオン対の会合を記述します。対応する安定性 ΔG 対 zAzB のプロットは、200 を超えるイオン対について、多種多様なイオンに対して予想される線形相関を示しています。^[6] 無機イオンと有機イオンは、中程度のイオン強度 I で、陰イオンと陽イオンの 1:1 の組み合わせで約 5 ～ 6 kJ/mol の同様の塩橋結合 ΔG 値を示し、イオンの性質 (サイズ、分極率など) にはほとんど依存しません。^{[7] [8]} ΔG 値は加算的であり、電荷のほぼ線形関数です。たとえば、2 価のリン酸陰イオンと 1 価のアンモニウム陽イオンの相互作用は約 2x5 = 10 kJ/mol を占めます。 ΔG 値は、デバイ–ヒュッケルの式で説明されるように、溶液のイオン強度 I に依存し、イオン強度がゼロのときは ΔG = 8 kJ/mol が観測されます。 陰イオン電荷 z の関数としてのアルカリイオン対の安定性は、より詳細な式で説明できます。^[9]

塩橋は、アスパラギン酸またはグルタミン酸の陰イオン性カルボキシレート（RCOO ⁻）と、リジンの陽イオン性アンモニウム（RNH ₃ ⁺）またはアルギニンのグアニジン（RNHC(NH ₂ ) ₂ ⁺）から最も頻繁に発生します（図 2）。^{[1]これらが最も一般的ですが、}ヒスチジン、チロシン、セリン などのイオン化可能な側鎖を持つ他の残基も、それらの p Ka を乱す外部要因に応じて参加する可能性があります_。塩橋に参加する残基間の距離も重要であると言われています。必要な NO 距離は 4 Å (400 pm) 未満です。この距離よりも離れたアミノ酸は、塩橋を形成するとはみなされません。^[11] タンパク質全体にアミノ酸のイオン化可能な側鎖が多数存在するため、タンパク質が置かれている pH は、その安定性に非常に重要です。

塩橋はタンパク質と小分子リガンドの間にも形成されることがあります。タンパク質データバンクの1100を超えるユニークなタンパク質-リガンド複合体は、タンパク質標的と塩橋を形成することがわかっており、薬物-タンパク質相互作用では塩橋が頻繁に発生することを示しています。^[12]これらには、加水分解酵素、転移酵素、キナーゼ、還元酵素、酸化還元酵素、リアーゼ、Gタンパク質共役受容体（GPCR）など、さまざまな酵素クラスの構造が含まれています。

タンパク質の折り畳まれた状態に対する全体的な安定性に対する塩橋の寄与は、突然変異誘発研究および核磁気共鳴技術から収集された熱力学データを通じて評価できます。^[13] 高pHでの沈殿を防ぐために特に変異させた変異擬似野生型タンパク質を使用して、点突然変異を実行して塩橋を変更し、その結果として塩橋を破壊することで、折り畳まれたタンパク質状態の全体的な自由エネルギーに対する塩橋の寄与を決定できます。たとえば、T4リゾチームでは、残基70のアスパラギン酸（Asp）と残基31のヒスチジン（His）の間に塩橋が存在することが確認されています（図3）。アスパラギン (Asn) による部位特異的変異誘発(図 4) により、3 つの新しい変異体、Asp70Asn His31 (変異体 1)、Asp70 His31Asn (変異体 2)、および Asp70Asn His31Asn (二重変異体) が得られました。

変異体が確立されると、塩橋に関連する自由エネルギーを計算するために2つの方法を採用することができます。1つの方法は、野生型タンパク質の融解温度と3つの変異体の融解温度を観察することです。変性は円二色性の変化によって監視できます。融解温度の低下は安定性の低下を示します。これは、BecktelとSchellmanによって説明された方法によって定量化され、2つの間の自由エネルギーの差はΔTΔSによって計算されます。[ 14 ^] この計算にはいくつかの問題があり、非常に正確なデータでのみ使用できます。^[要出典] T4リゾチームの例では、擬似野生型のΔSは以前にpH 5.5で報告されていたため、このpHでの中点温度差11°Cに報告されたΔS 360 cal/(mol·K) (1.5 kJ/(mol·K))を掛けると、自由エネルギー変化は約-4 kcal/mol (-17 kJ/mol)となる。この値は、塩橋によってタンパク質の安定性に寄与する自由エネルギーの量に対応する。

2 番目の方法では、核磁気共鳴分光法を使用して塩橋の自由エネルギーを計算します。カルボキシレートまたはアンモニウム基に隣接する炭素のプロトンに対応する化学シフトを記録しながら滴定が行われます。滴定曲線の中点は p K _a、つまりプロトン化された分子と脱プロトン化された分子の比率が 1:1 である pH に対応します。T4 リゾチームの例を続けると、ヒスチジン 31 の C2 プロトンのシフトを観察することで滴定曲線が得られます (図 5)。図 5 は、野生型と Asp70 が Asn である変異体との間の滴定曲線のシフトを示しています。形成される塩橋は、脱プロトン化された Asp70 とプロトン化された His31 の間にあります。この相互作用により、His31 の p K _aに見られるシフトが発生します。塩橋が存在しない折り畳まれていない野生型タンパク質では、中程度のイオン強度のH _{2 O 緩衝液中の His31 の ap} K _aは 6.8 であると報告されています。図 5 は、野生型のap K _{a が9.05 であることを示しています。この p} K _aの差は、His31 と Asp70 の相互作用によって裏付けられています。塩橋を維持するために、His31 はできるだけ長くプロトンを保持しようとします。変異体 D70N のように塩橋が破壊されると、p K _{a は}6.9 の値に戻り、折り畳まれていない状態の His31 の値にかなり近くなります。

p K _aの差は、塩橋の自由エネルギーへの寄与を反映するように定量化できます。ギブスの自由エネルギーを使用します: Δ G  = − RT  ln( K _eq )、ここでRは普遍気体定数、Tはケルビン単位での温度、K _{eq は}平衡にある反応の平衡定数です。 His31 の脱プロトン化は、酸解離定数として知られる特別なK _{eq を}持つ酸平衡反応であり、K _a : His31-H ⁺ ⇌ His31 + H ⁺です。 p K _{a は}、次のようにK _aと関連しています: p K _a = −log( K _a )。 突然変異体と野生型の自由エネルギー差の計算は、自由エネルギー方程式、p K _aの定義、観測された p K _a値、および自然対数と対数の関係を使用して実行できるようになりました。 T4リゾチームの例では、このアプローチにより、全体の自由エネルギーへの寄与は約3 kcal/molと計算されました。^{[13]同様のアプローチは、T4リゾチームの例のAsp70など、塩橋の他の参加者に対しても、His31の変異後のp} K _a のシフトを監視することによって行うことができます。

適切な実験を選択する際の注意点は、タンパク質内の塩橋の位置に関するものである。環境は相互作用に大きな役割を果たす。^[15] イオン強度が高い場合、静電相互作用が関与するため、塩橋は完全に隠される可能性がある。T4リゾチームのHis31-Asp70塩橋はタンパク質内に埋め込まれていた。表面塩橋では、通常は移動する能力を持つ残基が静電相互作用と水素結合によって制限されるため、エントロピーがより大きな役割を果たす。これにより、相互作用の寄与をほぼ消去できるほどエントロピーが低下することがわかっている。^[16] 表面塩橋は、二重変異体サイクルとNMR滴定を使用して、埋め込まれた塩橋と同様に研究することができる。^[17] 埋め込まれた塩橋が安定性に寄与するケースもあるが、他のものと同様に、例外も存在し、埋め込まれた塩橋は不安定化効果を示すことがある。^[11] また、表面塩橋は、特定の条件下では安定化効果を示すことがある。^{[15] [17]} 安定化効果または不安定化効果はケースバイケースで評価する必要があり、一概に述べることはほとんどできない。

超分子化学は、高分子間の非共有結合相互作用を扱う分野です。この分野の化学者は、塩橋を、陰イオンの感知、分子カプセルや二重らせんポリマーの合成など、多様かつ独創的な方法で使用してきました。

超分子化学の主な貢献は、陰イオンの認識と感知に捧げられてきました。^{[18] [19] [20] [21] [22] [23]}イオン対形成は陰イオン錯体形成の最も重要な原動力ですが、例えばハロゲン化物系列内での選択性は、主に水素結合の寄与によって達成されています。

分子カプセルは、ゲスト分子を捕捉して保持するように設計された化学足場です（分子カプセル化を参照）。Szumnaと同僚は、キラルな内部を持つ新しい分子カプセルを開発しました。 ^[24] このカプセルは、プラスチックのイースターエッグのように2つの半分で構成されています（図6）。2つの半分の間の塩橋相互作用により、溶液中で自己組織化します（図7）。60℃に加熱しても安定しています。

八島らは塩橋を利用して、DNAによく似た二重らせん構造をとるポリマーをいくつか構築した。^{[25]一例では、}白金 を組み込んで二重らせんメタロポリマーを作成した。^[26] モノマーと白金(II)ビフェニル（図8）から始めて、メタロポリマーは一連の配位子交換反応を通じて自己組織化する。モノマーの2つの半分は、脱プロトン化されたカルボキシレートとプロトン化された窒素の間の塩橋を介して一緒に固定されている。