Selektivitas pengikatan

Dalam kimia, selektivitas pengikatan didefinisikan berkaitan dengan pengikatan ligan ke substrat yang membentuk kompleks. Selektivitas pengikatan menggambarkan bagaimana ligan dapat mengikat lebih disukai ke satu reseptor daripada yang lain. Koefisien selektivitas adalah konstanta kesetimbangan untuk reaksi penggantian oleh satu ligan terhadap ligan lain dalam kompleks dengan substrat. Selektivitas pengikatan sangat penting dalam biokimia^[1] dan dalam proses pemisahan kimia.

Koefisien selektivitas

Konsep selektivitas digunakan untuk mengukur sejauh mana satu zat kimia, A, mengikat masing-masing dari dua zat kimia lainnya, B dan C. Kasus paling sederhana adalah ketika kompleks yang terbentuk memiliki stoikiometri 1:1. Kemudian, kedua interaksi tersebut dapat dikarakterisasi oleh konstanta kesetimbangan $K AB$ dan $K AC$ .^{[catatan 1]} ${\begin{aligned}{\ce {A + B <=> AB}};&\quad K_{\rm {AB}}={\frac {[{\ce {AB}}]}{{\ce {[A][B]}}}}\\{\ce {A + C <=> AC}};&\quad K_{\rm {AC}}={\frac {{\ce {[AC]}}}{{\ce {[A][C]}}}}\end{aligned}}$ di mana [X] mewakili konsentrasi zat X (A, B, C, …).

Koefisien selektivitas didefinisikan sebagai rasio dari dua konstanta kesetimbangan. $K_{\rm {B,C}}={\frac {K_{\rm {AC}}}{K_{\rm {AB}}}}$ . Koefisien selektivitas ini sebenarnya adalah konstanta kesetimbangan untuk reaksi substitusi:

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

Mudah untuk menunjukkan bahwa definisi yang sama berlaku untuk kompleks dengan stoikiometri yang berbeda, yakni A_pB_q dan A_pC_q.. Semakin besar koefisien selektivitas, semakin banyak ligan C yang akan menggantikan ligan B dari kompleks yang terbentuk dengan substrat A. Interpretasi alternatifnya adalah bahwa semakin besar koefisien selektivitas, semakin rendah konsentrasi C yang dibutuhkan untuk menggantikan B dari AB. Koefisien selektivitas ditentukan secara eksperimental dengan mengukur dua konstanta kesetimbangan, yakni $K AB$ dan $K AC$ .

Penggunaan

Biokimia

Dalam biokimia, substrat dikenal sebagai "reseptor". Reseptor adalah molekul protein, yang tertanam di membran plasma atau sitoplasma sel, tempat satu atau lebih jenis molekul sinyal tertentu dapat berikatan. Ligan dapat berupa peptida atau molekul kecil lainnya seperti neurotransmiter, hormon, obat farmasi, atau toksin. Spesifisitas reseptor ditentukan oleh geometri spasialnya dan cara ia berikatan dengan ligan melalui interaksi non-kovalen, seperti ikatan hidrogen atau gaya Van der Waals.^[2]

Jika reseptor dapat diisolasi, obat sintetis dapat dikembangkan baik untuk menstimulasi reseptor (agonis) atau untuk memblokirnya (antagonis). Obat tukak lambung simetidin dikembangkan sebagai antagonis reseptor H₂ dengan merekayasa molekul secara kimia untuk spesifisitas maksimum terhadap jaringan terisolasi yang mengandung reseptor. Penggunaan lebih lanjut dari hubungan kuantitatif struktur-aktivitas (QSAR) mengarah pada pengembangan agen lain seperti ranitidin.

"Selektivitas" ketika merujuk pada obat bersifat relatif. Misalnya, pada dosis yang lebih tinggi, molekul obat tertentu juga dapat berikatan dengan reseptor lain selain yang dikatakan "selektif".

Terapi khelasi

Deferipron

Penisilamina

Terapi khelasi adalah bentuk pengobatan medis di mana ligan pengkhelat^{[catatan 2]} digunakan untuk secara selektif menghilangkan logam dari tubuh. Ketika logam tersebut ada sebagai ion divalen seperti timbal (Pb²⁺) atau raksa (Hg²⁺) selektivitas terhadap kalsium (Ca²⁺) dan magnesium (Mg²⁺) sangat penting agar pengobatan tidak menghilangkan logam esensial.^[3]

Selektivitas ditentukan oleh berbagai faktor. Dalam kasus kelebihan zat besi, yang mungkin terjadi pada individu dengan β-talasemia yang telah menerima transfusi darah, ion logam target berada dalam bilangan oksidasi +3 dan karenanya membentuk kompleks yang lebih kuat daripada ion divalen. Deferoksamin juga membentuk kompleks yang lebih kuat dengan ligan pendonor oksigen daripada dengan ligan pendonor nitrogen. Siderofor alami yang diproduksi oleh bakteri Streptomyces pilosus awalnya digunakan sebagai agen terapi khelasi. Siderofor sintetis seperti deferipron dan deferasiroks telah dikembangkan, menggunakan struktur deferoksamin yang diketahui sebagai titik awal.^[4]^[5] Khelasi terjadi dengan dua atom oksigen.

Penyakit Wilson disebabkan oleh cacat dalam metabolisme tembaga yang mengakibatkan akumulasi logam tembaga di berbagai organ tubuh. Ion target dalam kasus ini adalah ion divalen, yakni Cu²⁺. Ion ini diklasifikasikan sebagai ambang batas dalam skema Ahrland, Chatt, dan Davies.^[6] Ini berarti bahwa ia membentuk kompleks yang kira-kira sama kuatnya dengan ligan yang atom donornya adalah N, O atau F seperti halnya dengan ligan yang atom donornya adalah P, S atau Cl. Penisilamina, yang mengandung atom donor nitrogen dan belerang, digunakan karena jenis ligan ini mengikat ion tembaga lebih kuat daripada ion kalsium dan magnesium.

Pengobatan keracunan logam berat seperti timbal dan raksasa lebih bermasalah, karena ligan yang digunakan tidak memiliki spesifisitas tinggi relatif terhadap kalsium. Misalnya, EDTA dapat diberikan sebagai garam kalsium untuk mengurangi pengeluaran kalsium dari tulang bersama dengan logam berat. Faktor-faktor yang menentukan selektivitas timbal terhadap seng, kadmium, dan kalsium telah ditinjau.^[7]

Kromatografi

Dalam kromatografi kolom, campuran zat dilarutkan dalam fase gerak dan dilewatkan melalui fase diam dalam kolom. Faktor selektivitas didefinisikan sebagai rasio koefisien distribusi, yang menggambarkan distribusi kesetimbangan analit antara fase diam dan fase gerak. Faktor selektivitas sama dengan koefisien selektivitas dengan asumsi tambahan bahwa aktivitas fase diam (substrat dalam hal ini) sama dengan 1, asumsi standar untuk fase murni.^[8] Resolusi kolom kromatografi (R_{S) berhubungan dengan faktor selektivitas dengan:}

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

di mana α adalah faktor selektivitas, N adalah jumlah pelat teoretis, k_A dan k_B adalah faktor retensi dari kedua analit. Faktor retensi berbanding lurus dengan koefisien distribusi. Dalam praktiknya, zat dengan faktor selektivitas yang sangat mendekati 1 dapat dipisahkan. Hal ini terutama berlaku pada kromatografi gas-cair di mana panjang kolom hingga 60 m dimungkinkan, memberikan jumlah pelat teoritis yang sangat besar.

Dalam kromatografi pertukaran ion, koefisien selektivitas didefinisikan dengan cara yang sedikit berbeda^[9]

Ekstraksi pelarut

Ekstraksi pelarut^[10] digunakan untuk mengekstrak unsur lantanida individual dari campuran yang ditemukan di alam dalam bijih seperti [[monasit|monazit][. Dalam satu proses, ion logam dalam larutan berair dibuat membentuk kompleks dengan tributil fosfat (TBP), yang diekstraksi ke dalam pelarut organik seperti minyak tanah. Pemisahan lengkap dilakukan dengan menggunakan metode pertukaran arus berlawanan. Sejumlah sel disusun sebagai kaskade. Setelah mencapai kesetimbangan, komponen air dari setiap sel dipindahkan ke sel sebelumnya dan komponen organik dipindahkan ke sel berikutnya, yang awalnya hanya berisi air. Dengan cara ini, ion logam dengan kompleks yang paling stabil melewati kaskade dalam fase organik dan logam dengan kompleks yang paling tidak stabil melewati kaskade dalam fase air.^[11]

Jika kelarutan dalam fase organik bukan masalah, koefisien selektivitas sama dengan rasio konstanta stabilitas kompleks TBP dari dua ion logam. Untuk unsur lantanida yang berdekatan dalam tabel periodik, rasio ini tidak jauh lebih besar dari 1, sehingga dibutuhkan banyak sel dalam kaskade.

Sensor kimia

Koefisien selektivitas potensiometrik mendefinisikan kemampuan elektroda selektif ion untuk membedakan satu ion tertentu dari ion lainnya. Koefisien selektivitas yakni K_B,C dievaluasi melalui respons emf elektroda selektif ion dalam larutan campuran ion utama, B, dan ion pengganggu, C (metode interferensi tetap) atau, yang kurang diinginkan, dalam larutan terpisah B dan C (metode larutan terpisah).^[12] Misalnya, elektroda membran selektif ion kalium menggunakan antibiotik makrosiklik alami valinomisin. Dalam hal ini, rongga dalam cincin makrosiklik memiliki ukuran yang tepat untuk membungkus ion kalium, tetapi terlalu besar untuk mengikat ion natrium, yang kemungkinan besar merupakan pengganggu, dengan kuat.

Sensor kimia^[13]^[14] sedang dikembangkan untuk molekul dan ion target spesifik di mana target ("tamu") membentuk kompleks dengan sensor ("tuan rumah"). Sensor dirancang agar sangat cocok dalam hal ukuran dan bentuk target untuk memberikan selektivitas pengikatan maksimum. Indikator dikaitkan dengan sensor yang mengalami perubahan ketika target membentuk kompleks dengan sensor. Perubahan indikator biasanya berupa perubahan warna (abu-abu menjadi kuning dalam ilustrasi) yang terlihat pada absorbansi, atau dengan sensitivitas yang lebih besar, luminesensi. Indikator dapat dihubungkan ke sensor melalui spacer, dalam susunan ISR, atau dapat dipindahkan dari sensor, susunan IDA.

Catatan

↑ Konstanta yang digunakan di sini adalah konstanta "asosiasi". Konstanta "disosiasi" digunakan dalam beberapa konteks. Konstanta disosiasi adalah kebalikan dari konstanta asosiasi.
↑ Istilah "ligan" di sini merujuk pada pengikatan pada logam. Dalam definisi koefisien selektivitas, "ligan" ini sebenarnya adalah substrat dan ligan dalam definisi tersebut adalah ion logam.

Referensi

↑ Klotz, I.M. (1997). Ligand-Receptor Energetics: A Guide for the Perplexed. Wiley. ISBN 978-0-471-17626-8.
↑ Foreman, J.C.; Johansen, T., ed. (2003). Textbook of receptor pharmacology (Edisi 2nd.). Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1029-4.
↑ Walker, M.; Shah, H.H. (1997). Everything you should know about chelation therapy (Edisi 4th). New Canaan, Conn.: Keats Pub. ISBN 978-0-87983-730-3.
↑ Iron-Selective Chelators With Therapeutic Potential in Hider, Robert C.; Kong, Xiaole (2013). "Chapter 8. Iron: Effect of Overload and Deficiency". Dalam Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases. Metal Ions in Life Sciences. Vol. 13. Dordrecht: Springer. hlm. 229–294. doi:10.1007/978-94-007-7500-8_8. ISBN 9789400774995. PMID 24470094.
↑ Miller, Marvin J. (1989). "Syntheses and therapeutic potential of hydroxamic acid-based siderophores and analogs". Chemical Reviews. 89 (7): 1563–1579. doi:10.1021/cr00097a011.
↑ Ahrland, S.; Chatt, J.; Davies, N. R. (1958). "The relative affinities of ligand atoms for acceptor molecules and ions". Quart. Rev. 12 (3): 265–276. doi:10.1039/QR9581200265.
↑ Farkas, Etelka; Buglyó, Péter (2017). "Chapter 8. Lead(II) Complexes of Amino Acids, Peptides, and Other Related Ligands of Biological Interest". Dalam Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (ed.). Lead: Its Effects on Environment and Health. Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. Berlin, Boston: de Gruyter. hlm. 201–240. doi:10.1515/9783110434330-008. ISBN 9783110434330. PMID 28731301.
↑ Skoog, D.A; West, D.M.; Holler, J.F.; Crouch, S.R. (2004). Fundamentals of Analytical Chemistry (Edisi 8th). Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-03-035523-3. Section 30E
↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, edisi ke-2 ("Buku Emas") (1997). Versi koreksi daring: (2006–) "selectivity coefficient, k_A/B in ion exchange chromatography".
↑ Rice, N.M.; Irving, H. M. N. H.; Leonard, M.A (1993). "Nomenclature for liquid-liquid distribution (solvent extraction)". Pure Appl. Chem. 65 (11). IUPAC: 2373–2396. doi:10.1351/pac199365112373. S2CID 98514016.
↑ Rydberg, J.; Musikas, C; Choppin, G.R., ed. (2004). Solvent Extraction Principles and Practice ( (Edisi 2nd.). Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3.
↑ Buck, R. P.; Linder, E. (1994). "Recommendations for nomenclature of ion-selective electrodes". Pure Appl. Chem. 66 (12). IUPAC: 2527–2536. doi:10.1351/Pac199466122527. S2CID 97126225.
↑ Florinel-Gabriel Bănică, Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications, John Wiley and Sons, Chichester, 2012, Print ISBN 978-0-470-71066-1
↑ Cattrall, R.W. (1997). Chemical sensors. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850090-2.

[2] Konstanta yang digunakan di sini adalah konstanta "asosiasi". Konstanta "disosiasi" digunakan dalam beberapa konteks. Konstanta disosiasi adalah kebalikan dari konstanta asosiasi.

[4] Istilah "ligan" di sini merujuk pada pengikatan pada logam. Dalam definisi koefisien selektivitas, "ligan" ini sebenarnya adalah substrat dan ligan dalam definisi tersebut adalah ion logam.

[1] Klotz, I.M. (1997). Ligand-Receptor Energetics: A Guide for the Perplexed. Wiley. ISBN 978-0-471-17626-8.

[3] Foreman, J.C.; Johansen, T., ed. (2003). Textbook of receptor pharmacology (Edisi 2nd.). Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1029-4.

[5] Walker, M.; Shah, H.H. (1997). Everything you should know about chelation therapy (Edisi 4th). New Canaan, Conn.: Keats Pub. ISBN 978-0-87983-730-3.

[6] Iron-Selective Chelators With Therapeutic Potential in Hider, Robert C.; Kong, Xiaole (2013). "Chapter 8. Iron: Effect of Overload and Deficiency". Dalam Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases. Metal Ions in Life Sciences. Vol. 13. Dordrecht: Springer. hlm. 229–294. doi:10.1007/978-94-007-7500-8_8. ISBN 9789400774995. PMID 24470094.

[7] Miller, Marvin J. (1989). "Syntheses and therapeutic potential of hydroxamic acid-based siderophores and analogs". Chemical Reviews. 89 (7): 1563–1579. doi:10.1021/cr00097a011.

[8] Ahrland, S.; Chatt, J.; Davies, N. R. (1958). "The relative affinities of ligand atoms for acceptor molecules and ions". Quart. Rev. 12 (3): 265–276. doi:10.1039/QR9581200265.

[9] Farkas, Etelka; Buglyó, Péter (2017). "Chapter 8. Lead(II) Complexes of Amino Acids, Peptides, and Other Related Ligands of Biological Interest". Dalam Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (ed.). Lead: Its Effects on Environment and Health. Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. Berlin, Boston: de Gruyter. hlm. 201–240. doi:10.1515/9783110434330-008. ISBN 9783110434330. PMID 28731301.

[10] Skoog, D.A; West, D.M.; Holler, J.F.; Crouch, S.R. (2004). Fundamentals of Analytical Chemistry (Edisi 8th). Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-03-035523-3. Section 30E

[11] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, edisi ke-2 ("Buku Emas") (1997). Versi koreksi daring: (2006–) "selectivity coefficient, k_A/B in ion exchange chromatography".

[12] Rice, N.M.; Irving, H. M. N. H.; Leonard, M.A (1993). "Nomenclature for liquid-liquid distribution (solvent extraction)". Pure Appl. Chem. 65 (11). IUPAC: 2373–2396. doi:10.1351/pac199365112373. S2CID 98514016.

[13] Rydberg, J.; Musikas, C; Choppin, G.R., ed. (2004). Solvent Extraction Principles and Practice ( (Edisi 2nd.). Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 978-0-8247-5063-3.

[14] Buck, R. P.; Linder, E. (1994). "Recommendations for nomenclature of ion-selective electrodes". Pure Appl. Chem. 66 (12). IUPAC: 2527–2536. doi:10.1351/Pac199466122527. S2CID 97126225.

[15] Florinel-Gabriel Bănică, Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications, John Wiley and Sons, Chichester, 2012, Print ISBN 978-0-470-71066-1

[16] Cattrall, R.W. (1997). Chemical sensors. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850090-2.

[1]

[catatan 1]

[2]

[catatan 2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]