อ่าน 11 นาที
ค่าคงที่การแตกตัว
ใน วิชาเคมี ชีวเคมี และ เภสัชวิทยา ค่า คง ที่การแตกตัว ( KD ) เป็น ค่าคงที่สมดุล ชนิดหนึ่ง ที่ วัด แนวโน้มของวัตถุขนาดใหญ่ที่จะแยกตัว (แตกตัว)...
ค่าคงที่การแตกตัว
ในวิชาเคมีชีวเคมีและเภสัชวิทยาค่าคงที่การแตกตัว ( KD ) เป็น ค่าคงที่สมดุลชนิดหนึ่ง ที่ วัดแนวโน้มของวัตถุขนาดใหญ่ที่จะแยกตัว (แตกตัว) ออกเป็นส่วนประกอบที่เล็กกว่าได้แบบย้อนกลับได้ เช่น เมื่อสารประกอบเชิงซ้อน แตกตัวออกเป็น โมเลกุลองค์ประกอบหรือเมื่อเกลือ แตกตัวออกเป็น ไอออนองค์ประกอบ ค่า คงที่การแตกตัวเป็นส่วนกลับของค่าคงที่การรวมตัวในกรณีพิเศษของเกลือ ค่าคงที่การแตกตัวอาจเรียกว่าค่าคงที่การแตกตัวเป็นไอออนก็ได้[ 1 ] [ 2 ]สำหรับปฏิกิริยาทั่วไป:
ในกรณีที่สารประกอบเชิงซ้อนแตกตัวออกเป็น หน่วยย่อย A จำนวน x หน่วย และ หน่วยย่อย B จำนวน y หน่วย ค่าคงที่การแตกตัวจะถูกกำหนดดังนี้
โดยที่ [A], [B] และ [A x B y ] คือความเข้มข้นสมดุลของ A, B และสารเชิงซ้อน A x B yตามลำดับ
เหตุผลหนึ่งที่ทำให้ค่าคงที่การแตกตัว (dissociation constant) เป็นที่นิยมในชีวเคมีและเภสัชวิทยาคือ ในกรณีที่พบได้บ่อยซึ่งx = y = 1 ค่าK Dมีการตีความทางกายภาพที่ง่าย: เมื่อ [A] = K Dแล้ว [B] = [AB] หรือเทียบเท่ากับนั่นคือK Dซึ่งมีมิติของความเข้มข้น เท่ากับความเข้มข้นของ A ที่เป็นอิสระซึ่งครึ่งหนึ่งของโมเลกุลทั้งหมดของ B จับกับ A การตีความที่ง่ายนี้ใช้ไม่ได้กับค่าxหรือy ที่สูงกว่า นอกจากนี้ยังสันนิษฐานว่าไม่มีปฏิกิริยาแข่งขันกัน แม้ว่าการคำนวณสามารถขยายเพื่ออธิบายการจับกันแบบแข่งขันได้ก็ตาม มันมีประโยชน์ในฐานะคำอธิบายอย่างรวดเร็วของการจับกันของสาร ในทำนองเดียวกับที่EC 50และIC 50อธิบายกิจกรรมทางชีวภาพของสาร
ความเข้มข้นของโมเลกุลที่จับกัน
โมเลกุลที่มีตำแหน่งการจับเพียงตำแหน่งเดียว
ในทางทดลอง ความเข้มข้นของโมเลกุลเชิงซ้อน [AB] ได้มาโดยอ้อมจากการวัดความเข้มข้นของโมเลกุลอิสระ ไม่ว่าจะเป็น [A] หรือ [B] [ 3 ] โดยหลักการแล้ว ปริมาณรวมของโมเลกุล [A] 0และ [B] 0ที่เติมลงในปฏิกิริยาเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว พวกมันจะแยกออกเป็นส่วนประกอบอิสระและส่วนประกอบที่จับกันตามหลักการอนุรักษ์มวล:
ในการติดตามความเข้มข้นของสารเชิงซ้อน [AB] จะใช้ค่าคงที่การแตกตัวมาแทนความเข้มข้นของโมเลกุลอิสระ ([A] หรือ [B]) ในสมการอนุรักษ์ที่เกี่ยวข้อง
ซึ่งจะทำให้ได้ความเข้มข้นของสารเชิงซ้อนที่สัมพันธ์กับความเข้มข้นของโมเลกุลอิสระตัวใดตัวหนึ่ง
โมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีตำแหน่งการจับอิสระที่เหมือนกัน
โปรตีนและเอนไซม์ทางชีวภาพจำนวนมากสามารถมีตำแหน่งการจับได้มากกว่าหนึ่งตำแหน่ง[ 3 ] โดยปกติ เมื่อลิแกนด์Lจับกับโมเลกุลขนาดใหญ่Mมันสามารถส่งผลต่อจลนศาสตร์การจับของลิแกนด์L อื่นๆ ที่จับกับโมเลกุลขนาดใหญ่ได้ กลไกที่ง่ายขึ้นสามารถกำหนดได้หากความสัมพันธ์ของตำแหน่งการจับทั้งหมดถือว่าไม่ขึ้นอยู่กับจำนวนลิแกนด์ที่จับกับโมเลกุลขนาดใหญ่ ซึ่งใช้ได้กับโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยมากกว่าหนึ่งหน่วย ซึ่งส่วนใหญ่เหมือนกัน จากนั้นสามารถสันนิษฐานได้ว่า หน่วยย่อย n แต่ละหน่วยนั้น เหมือนกัน สมมาตร และมีตำแหน่งการจับเพียงตำแหน่งเดียว จากนั้นความเข้มข้นของลิแกนด์ที่จับจะกลายเป็น
ในกรณีนี้แต่ประกอบด้วยรูปแบบที่อิ่มตัวบางส่วนทั้งหมดของโมเลกุลขนาดใหญ่:
โดยที่ความอิ่มตัวเกิดขึ้นทีละขั้นตอน
ในการหาอนุพันธ์ของสมการการจับตัวทั่วไป จะมีการกำหนดฟังก์ชันความอิ่มตัวเป็นอัตราส่วนของสัดส่วนของลิแกนด์ที่จับตัวกับปริมาณทั้งหมดของโมเลกุลขนาดใหญ่:
K′nคือค่าคงที่การแตกตัวแบบมหภาคหรือแบบปรากฏ ซึ่งอาจเกิดจากปฏิกิริยาแต่ละอย่างหลายอย่าง ตัวอย่างเช่น หากโมเลกุลขนาดใหญ่Mมีตำแหน่งการจับสามตำแหน่งK′1จะอธิบายถึงลิแกนด์ที่จับกับตำแหน่งการจับใดๆ ในสามตำแหน่งนั้น ในตัวอย่างนี้K′2 อธิบายถึงโมเลกุลสองโมเลกุลที่จับกับลิแกนด์ และK′3 อธิบาย ถึงโมเลกุลสาม โมเลกุล ที่จับกับโมเลกุลขนาดใหญ่ ค่าคงที่การแตกตัวแบบจุลภาคหรือแบบเฉพาะบุคคลจะอธิบายถึงสมดุลของการจับลิแกนด์กับ ตำแหน่งการจับที่เฉพาะเจาะจง เนื่องจากเราสมมติว่าตำแหน่งการจับเหมือนกันโดยไม่มีการทำงานร่วมกัน ค่าคงที่การแตกตัวแบบจุลภาคจึงต้องเท่ากันสำหรับทุกตำแหน่งการจับ และสามารถย่อได้ง่ายๆ ว่าK Dในตัวอย่างของเราK′1คือการรวมกันของการจับลิแกนด์กับตำแหน่งการจับใดๆ ในสามตำแหน่งที่เป็นไปได้ (I, II และ III) ดังนั้นจึงมีค่าคงที่การแตกตัวแบบจุลภาคสามค่าและสถานะที่แตกต่างกันสามสถานะของสารประกอบลิแกนด์-โมเลกุลขนาดใหญ่ สำหรับK′ 2มีค่าคงที่การแยกตัวระดับจุลภาคที่แตกต่างกันหกแบบ (I–II, I–III, II–I, II–III, III–I, III–II) แต่มีสถานะที่แตกต่างกันเพียงสามสถานะเท่านั้น (ไม่สำคัญว่าคุณจะจับกับช่อง I ก่อนแล้วจึงจับกับช่อง II หรือจับกับช่อง II ก่อนแล้วจึงจับกับช่อง I) สำหรับK′ 3มีค่าคงที่การแยกตัวที่แตกต่างกันสามแบบ — มีความเป็นไปได้เพียงสามแบบเท่านั้นว่าช่องใดจะถูกเติมเต็มเป็นลำดับสุดท้าย (I, II หรือ III) — และมีสถานะเดียว (I–II–III)
แม้ว่าค่าคงที่การแยกตัวในระดับจุลภาคจะเท่ากันสำหรับเหตุการณ์การจับแต่ละครั้ง แต่ผลลัพธ์ในระดับมหภาค ( K′1 , K′2และK′3 ) ก็ไม่เท่ากัน เราสามารถเข้าใจเรื่องนี้ได้ง่ายๆ จากตัวอย่างของเราเกี่ยวกับตำแหน่งการจับที่เป็นไปได้สามตำแหน่งK′1 อธิบายปฏิกิริยาจากสถานะหนึ่ง (ไม่มีลิแกนด์จับ) ไปสู่สามสถานะ (มีลิแกนด์จับกับด้านใดด้านหนึ่งของตำแหน่งการจับทั้งสาม) ดังนั้น K′1 ที่ปรากฏจึงมีค่า น้อยกว่า K Dแต่ละตัวถึงสามเท่าK′2 อธิบายปฏิกิริยาจากสามสถานะ (มีลิแกนด์จับหนึ่งตัว) ไปสู่สามสถานะ (มีลิแกนด์จับสองตัว) ดังนั้นK′2จึงเท่ากับK D K′3 อธิบายปฏิกิริยาจากสามสถานะ ( มี ลิแกน ด์ จับสองตัว) ไปสู่สถานะหนึ่ง (มีลิแกนด์จับสามตัว) ดังนั้นค่าคงที่ การแยกตัวที่ปรากฏK′3 จึงมีค่ามากกว่าค่าคงที่การแยกตัวในระดับจุลภาคK D ถึงสาม เท่า ความสัมพันธ์ทั่วไประหว่างค่าคงที่การแยกตัวทั้งสองประเภทสำหรับ ตำแหน่งการจับ nคือ
ดังนั้น อัตราส่วนของลิแกนด์ที่จับกับโมเลกุลขนาดใหญ่จึงกลายเป็น
โดยที่คือสัมประสิทธิ์ทวินาม จากนั้นสมการแรกจะได้รับการพิสูจน์โดยการใช้กฎทวินาม
การจับกันระหว่างโปรตีนและลิแกนด์
ค่าคงที่การแตกตัวมักใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างลิแกนด์ (เช่นยา ) กับโปรตีนกล่าวคือ ลิแกนด์จะจับกับโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่งได้แน่นแค่ไหน ความสัมพันธ์ระหว่างลิแกนด์กับโปรตีนได้รับอิทธิพลจาก ปฏิกิริยา ระหว่างโมเลกุลที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ เช่น พันธะไฮโดรเจนปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตแรงไฮโดรโฟบิกและแรงแวนเดอร์วาลส์ความสัมพันธ์ยังอาจได้รับผลกระทบจากความเข้มข้นสูงของโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ ซึ่งทำให้เกิดการแออัดของโมเลกุลขนาดใหญ่[ 4 ] [ 5 ]
การก่อตัวของสารเชิงซ้อนระหว่างลิแกนด์และโปรตีน สามารถอธิบายได้ด้วยกระบวนการสองสถานะ
ค่าคงที่การแตกตัวที่สอดคล้องกันจะถูกกำหนด
โดยที่, และแทนความเข้มข้นโมลาร์ของโปรตีน ลิแกนด์ และสารเชิงซ้อนโปรตีน-ลิแกนด์ ตามลำดับ
ค่าคงที่การแตกตัวมี หน่วย เป็นโมลาร์ (M) และสอดคล้องกับความเข้มข้นของลิแกนด์ที่โปรตีนครึ่งหนึ่งถูกครอบครองที่สมดุล[ 6 ]กล่าวคือ ความเข้มข้นของลิแกนด์ที่ความเข้มข้นของโปรตีนที่มีลิแกนด์จับเท่ากับความเข้มข้นของโปรตีนที่ไม่มีลิแกนด์จับ ยิ่งค่าคงที่การแตกตัวน้อยลงเท่าใด ลิแกนด์ก็จะยิ่งจับแน่นมากขึ้นเท่านั้น หรือความสัมพันธ์ระหว่างลิแกนด์กับโปรตีนก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ลิแกนด์ที่มีค่าคงที่การแตกตัวระดับนาโนโมลาร์ (nM) จะจับกับโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่งได้แน่นกว่าลิแกนด์ที่มีค่าคงที่การแตกตัวระดับไมโครโมลาร์ (μM)
ค่าคงที่การแยกตัวระดับซับพิโคโมลาร์อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาการจับกันแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์ระหว่างโมเลกุลสองโมเลกุลนั้นหายาก อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้นที่สำคัญบางประการ ไบโอตินและอะวิดินจับกันด้วยค่าคงที่การแยกตัวประมาณ 10 −15 M = 1 fM = 0.000001 nM [ 7 ] โปรตีน ยับยั้งไรโบเอนไซม์อาจจับกับไรโบเอนไซม์ด้วยความสัมพันธ์ที่คล้ายคลึงกัน 10 −15 M [ 8 ]
ค่าคงที่การแตกตัวของปฏิกิริยาระหว่างลิแกนด์กับโปรตีนนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามสภาวะของสารละลาย (เช่นอุณหภูมิค่าpHและความเข้มข้นของเกลือ) ผลของสภาวะสารละลายที่แตกต่างกันจะส่งผลต่อความแข็งแรงของปฏิกิริยา ระหว่างโมเลกุล ที่ยึดเหนี่ยวสารประกอบเชิงซ้อนระหว่างลิแกนด์กับโปรตีนเอาไว้ด้วยกัน
ยาอาจก่อให้เกิดผลข้างเคียงที่เป็นอันตรายได้จากการทำปฏิกิริยากับโปรตีนที่ไม่ได้ตั้งใจให้ทำปฏิกิริยาด้วย ดังนั้น การวิจัยทางเภสัชกรรมจำนวนมากจึงมุ่งเน้นไปที่การออกแบบยาที่จับกับโปรตีนเป้าหมายเท่านั้น (การออกแบบเชิงลบ) ด้วยความสัมพันธ์สูง (โดยทั่วไป 0.1–10 นาโนโมลาร์) หรือการปรับปรุงความสัมพันธ์ระหว่างยาเฉพาะกับ โปรตีนเป้าหมาย ในร่างกาย (การออกแบบเชิงบวก)
แอนติบอดี
ในกรณีเฉพาะของการจับกันระหว่างแอนติบอดี (Ab) กับแอนติเจน (Ag) โดยทั่วไป คำว่า ค่าคงที่ความสัมพันธ์ (affinity constant ) หมายถึงค่าคงที่ของการจับกัน (association constant)
สมดุลทางเคมีนี้ยังเป็นอัตราส่วนของค่าคงที่อัตราการจับ ( k forwardหรือk a ) และอัตราการหลุด ( k backหรือk d ) แอนติบอดีสองตัวอาจมีความสัมพันธ์กันเท่ากัน แต่ตัวหนึ่งอาจมีค่าคงที่อัตราการจับและอัตราการหลุดสูง ในขณะที่อีกตัวหนึ่งอาจมีค่าคงที่อัตราการจับและอัตราการหลุดต่ำ
ปฏิกิริยาของกรด-เบส
สำหรับปฏิกิริยาการกำจัดโปรตอนของกรด ค่าKเรียกว่าK <sub> a</sub>ซึ่ง เป็นค่าคง ที่ การแตกตัวของ กรด กรดแก่ เช่นกรดซัลฟิวริกหรือ กรดฟอสฟอริก จะมีค่าคงที่การแตกตัวสูง ในขณะที่กรดอ่อน เช่นกรดอะซิติกจะมีค่าคงที่การแตกตัวต่ำ
สัญลักษณ์K<sub> a</sub>ที่ใช้สำหรับค่าคงที่การแตกตัวของกรด อาจทำให้เกิดความสับสนกับค่าคงที่การรวมตัวและอาจจำเป็นต้องดูปฏิกิริยาหรือสมการสมดุลเพื่อทราบว่าหมายถึงค่าใด
ค่าคง ที่การแตกตัวของกรดบางครั้งแสดงด้วยpKaซึ่งกำหนดโดย
สัญลักษณ์ นี้พบเห็นได้ในบริบทอื่นๆ เช่นกัน โดยส่วนใหญ่จะใช้สำหรับ การแตกตัวของ พันธะโคเวเลนต์ (เช่น ปฏิกิริยาที่เกิดการสร้างหรือทำลายพันธะเคมี) เนื่องจากค่าคงที่การแตกตัวดังกล่าวอาจแตกต่างกันอย่างมาก
โมเลกุลหนึ่งๆ สามารถมีค่าคงที่การแตกตัวของกรดได้หลายค่า ในแง่นี้ กล่าวคือ ขึ้นอยู่กับจำนวนโปรตอนที่โมเลกุลนั้นสามารถให้ได้ เราจึงกำหนดกรดโมโนโปรติกกรดไดโปรติกและกรดไตร โปรติก กรด โมโน โปรติก (เช่น กรดอะซิติกหรือแอมโมเนียม ) มีหมู่ที่แตกตัวได้เพียงหมู่เดียว กรดไดโปร ติก (เช่น กรดคาร์บอนิกไบคาร์บอเนตไกลซีน ) มีหมู่ที่แตกตัวได้สองหมู่ และกรดไตรโปรติก (เช่น กรดฟอ ส ฟอริก) มีหมู่ที่แตกตัวได้สาม หมู่ในกรณีที่มีค่า pK หลายค่าจะกำหนดด้วยดัชนี เช่นpK1 , pK2 , pK3 เป็นต้นสำหรับกรดอะมิโน ค่า คง ที่ pK1หมายถึงหมู่คาร์บอกซิล (–COOH) ค่า pK2หมายถึง หมู่เอ มี โน (–NH2 )และ ค่า pK3คือ ค่า pKของโซ่ข้าง
ค่าคงที่การแตกตัวของน้ำ
ค่าคงที่การแตกตัวของน้ำใช้สัญลักษณ์K w :
ตามธรรมเนียมแล้ว ความเข้มข้นของน้ำ [H₂O ]จะถูกละเว้น ซึ่งหมายความว่าค่าKw จะแตกต่างจากค่าKeqที่จะคำนวณได้โดยใช้ความเข้มข้น นั้น
ค่าK wจะแปรผันตามอุณหภูมิ ดังแสดงในตารางด้านล่าง การเปลี่ยนแปลงนี้จะต้องนำมาพิจารณาเมื่อทำการวัดค่าต่างๆ เช่น ค่า pH อย่างแม่นยำ
อุณหภูมิน้ำ เคดับเบิลยู p K w [ 9 ] 0 °C 0.112 × 10−14 14.95 25 °C 1.023 × 10−14 13.99 50 °C 5.495 × 10−14 13.26 75 °C 19.95 × 10−14 12.70 100 องศาเซลเซียส 56.23 × 10−14 12.25
ดูเพิ่มเติม
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ค่าคงที่การแตกตัว
ใน วิชาเคมี ชีวเคมี และ เภสัชวิทยา ค่า คง ที่การแตกตัว ( KD ) เป็น ค่าคงที่สมดุล ชนิดหนึ่ง ที่ วัด แนวโน้มของวัตถุขนาดใหญ่ที่จะแยกตัว (แตกตัว)...
โมเลกุลที่มีตำแหน่งการจับเพียงตำแหน่งเดียว
ในทางทดลอง ความเข้มข้นของโมเลกุลเชิงซ้อน [AB] ได้มาโดยอ้อมจากการวัดความเข้มข้นของโมเลกุลอิสระ ไม่ว่าจะเป็น [A] หรือ [B] [ 3 ] โดยหลักการแล้ว ปริมาณรวมของโมเลกุล [A] 0 และ [B] 0 ที่เติมลงในปฏิกิริยาเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว...
โมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีตำแหน่งการจับอิสระที่เหมือนกัน
โปรตีนและเอนไซม์ทางชีวภาพจำนวนมากสามารถมีตำแหน่งการจับได้มากกว่าหนึ่งตำแหน่ง [ 3 ] โดยปกติ เมื่อ ลิแกนด์ L จับกับโมเลกุลขนาดใหญ่ M มันสามารถส่งผลต่อจลนศาสตร์การจับของลิแกนด์ L อื่นๆ ที่จับกับโมเลกุลขนาดใหญ่ได้...
การจับกันระหว่างโปรตีนและลิแกนด์
ค่าคงที่การแตกตัวมักใช้เพื่ออธิบาย ความสัมพันธ์ ระหว่าง ลิแกนด์ (เช่น ยา ) กับ โปรตีน กล่าวคือ ลิแกนด์จะจับกับโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่งได้แน่นแค่ไหน ความสัมพันธ์ระหว่างลิแกนด์กับโปรตีนได้รับอิทธิพลจาก ปฏิกิริยา ระหว่างโมเลกุล ที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ เช่น...