4.2: сольватаційна термодинаміка

Розглянемо термодинаміку водної задачі розв'язання. Це допоможе виявити різні фізичні процеси, що відбуваються при сольватії, і виявити обмеження такого підходу. Сольвація описується як зміна вільної енергії, щоб взяти розчинену речовину з еталонного стану, зазвичай прийнято бути ізольованою розчиненою речовиною у вакуумі, в розведений водний розчин:

Розчинений (\(g\))\(\to\) Розчинений (\(aq\))

Концептуально корисно розбити цей процес на два етапи: (1) енергія, необхідна для відкриття порожнини в рідині, і (2) енергія, щоб покласти розчинену речовину в порожнину і включити взаємодію між розчиненою речовиною і розчинником.

Кожен з цих термінів має ентальпічні та ентропні внески:

\[\begin{array} {rcl} {\Delta G_{\text{sol}}} & = & {\Delta H_{\text{sol}} - T \Delta S_{\text{sol}}} \\ {\Delta G_{\text{sol}}} & = & {\Delta G_1 + \Delta G_2} \\ {} & = & {\Delta H_1 - T\Delta S_1 + \Delta H_2 - T \Delta S_2} \end{array} \nonumber\]

\(\Delta G_1\): Вільна енергія для відкриття порожнини у воді. Ми порушуємо сильні зв'язкові міжмолекулярні взаємодії у воді (\(\Delta H_1\)), створюючи порожнечу проти постійного тиску та зменшуючи конфігураційну ентропію мережі воднево-зв'язкової води (\(\Delta S_1\)). Тому\(\Delta G_1\) великий і позитивний. Гідрофобний ефект переважає цей термін. У атомістичних моделям порожнини для біомолекул зазвичай визначаються через доступну поверхню розчинника розчинника (SASA). Для обліку виключеного об'єму за шкалою відстані молекули води, SASA можна отримати шляхом прокатки сфери радіусом 1,4\(\mathring{A}\) по поверхні ван дер Ваальса розчиненої речовини.

\(\Delta G_2\): Вільна енергія, щоб вставити розчинену речовину в порожнину, включити взаємодію між розчиненою речовиною та розчинником. Іонна і полярна сольватія зазвичай переважає цей термін. Сюди входять сприятливі електростатичні та H-зв'язкові взаємодії (\(\Delta H_2\)). Він також може включати реструктуризацію розчиненої речовини та/або розчинника на їх межі через нові заряди. Найпростіша обробка цього процесу описує розчинник чисто як однорідне діелектричне середовище, а розчинену речовину як просту сферу або порожнину, вбудовану точковими зарядами або диполями. Він походить від циклу Борна—Хабера, який вперше використовувався для опису\(\Delta H_{rxn}\) газофазних іонів, і ляг в основу численних підходів до сольватації континууму та порожнини в континуумі.

Враховуючи велику кількість конкуруючих ефектів за участю розчинених речовин, розчинників та міжмолекулярних взаємодій, прогнозування результату цього процесу є складним.

Дивлячись на цикл вище ілюструє багато ускладнень цього підходу, що стосуються молекулярної біофізики, навіть не турбуючись про атомістичні деталі. З практичної точки зору, два кроки в цьому циклі часто можуть мати велику величину, але протилежний знак, що призводить до високого рівня невизначеності щодо\(\Delta G_{\text{sol}}\) - навіть його знаку! Що ще важливіше, цей спрощений цикл передбачає, що чисту межу можна провести між розчиненою речовиною та розчинником - доступною площею поверхні розчинника. Він також передбачає, що вплив розчинника є збурливим, в тому сенсі, що розчинник не впливає на структуру розчиненої речовини або що існує конформаційний розлад або гнучкість у розчиненій речовині та/або розчиннику. Однак ще більш детальні термодинамічні цикли можуть бути використані для усунення деяких з цих обмежень:

\(\Delta G_{1a}\): Вільна енергія для створення порожнини у воді для остаточної розчиненої молекули.

\(\Delta G_{1b}\): Вільна енергія, щоб викликати конформаційну зміну розчиненої речовини для остаточного розчиненого стану.

\(\Delta G_{2}\): Вільна енергія, щоб вставити розчинену речовину в порожнину, включити взаємодію між розчиненою речовиною та розчинником. Це включає включення електростатичних взаємодій та водневого зв'язку, а також надання можливості розчиннику реорганізуватися навколо розчиненої речовини:

\[\Delta G_{2} = \Delta G_{\text{solute-solvent}} + \Delta G_{\text{solvent reorg}}\nonumber\]

Конфігураційна ентропія може мати значення для кожного кроку цього циклу, і може бути розрахована за допомогою ¹

\[S=-k_{B} \sum_{i} P_{i} \ln P_{i} \nonumber\]

Тут сума перевищує ймовірності мікростану, які можуть бути виражені через спільну ймовірність розчиненої речовини із заданою конформацією та ймовірністю заданої конфігурації розчинника навколо цієї структури розчиненої речовини. На етапі 1 можна усереднити по конформаційній ентропії розчинника для форми порожнини (1a) та конформації розчиненої речовини (1b). Крок 2 включає конфігураційну варіацію розчинника та супутні зміни сили взаємодії.

Зі знанням сольватаційної термодинаміки для різних видів стає можливим побудова термодинамічних циклів для різноманітних пов'язаних сольватаційних процесів:

1) Розчинність. Рівновага між молекулою в її твердому вигляді і в розчині кількісно визначається через продукт розчинності\(K_{sp}\), який залежить від зміни вільної енергії перенесення між цими фазами.

2) Передача вільної енергії. Найбільш поширеним емпіричним способом кількісного визначення гідрофобності є вимірювання поділу розчиненої речовини між нафтою і водою. Коефіцієнт поділу\(P\) пов'язаний з вільною енергією, необхідною для перенесення розчиненої речовини з неполярного розчинника (як правило, октанолу) у воду

3) Процеси бімолекулярної асоціації

Зв'язування з конформаційним відбором

____________________________________________

1. Див. К. Нгуєн, Т.К. Янг і М.К. Гілсон, Теорія неоднорідної сольватації сітки: Гідратаційна структура і термодинаміка мініатюрного рецептора кукурбіта [7] uril, J. chem. Фіз.137 (4), 044101 (2012).