Salt bridge (protein and supramolecular)
रसायन विज्ञान में, एक नमक पुल दो गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं का एक संयोजन हैः हाइड्रोजन बंधन और आयनिक बंधन (चित्र 1)। आयन युग्मन रसायन विज्ञान में, जैविक प्रणालियों में, विभिन्न सामग्रियों में और आयन युग्म क्रोमैटोग्राफी जैसे कई अनुप्रयोगों में सबसे महत्वपूर्ण गैर-सहसंयोजक बलों में से एक है। यह प्रोटीन के एन्ट्रॉपिक रूप से प्रतिकूल मुड़े हुए संरचना की स्थिरता में सबसे अधिक देखा जाने वाला योगदान है। यद्यपि गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं को अपेक्षाकृत कमजोर अंतःक्रियाओं के रूप में जाना जाता है, छोटे स्थिरकारी अंतःक्रियाएं एक संयोजक की समग्र स्थिरता में महत्वपूर्ण योगदान दे सकती हैं। लवण सेतु न केवल प्रोटीन में पाए जाते हैं, बल्कि वे अतिआण्विक रसायन विज्ञान में भी पाए जा सकते हैं। प्रत्येक के ऊष्मागतिकी का अन्वेषण प्रायोगिक प्रक्रियाओं के माध्यम से किया जाता है ताकि राज्य की समग्र मुक्त ऊर्जा में नमक पुल के मुक्त ऊर्जा योगदान का उपयोग किया जा सके। रासायनिक बंधन में नमक पुल पानी में, नमक पुल या आयन जोड़े का निर्माण ज्यादातर एन्ट्रापी द्वारा संचालित होता है, जो आमतौर पर परस्पर क्रिया करने वाले आयनों के विघटन के कारण प्रतिकूल δH योगदान के साथ होता है। हाइड्रोजन बन्ध आयन जोड़ों की स्थिरता में योगदान करते हैं जैसे प्रोटोनेटेड अमोनियम आयन, और आयनों के साथ डिप्रोटोनेशन द्वारा बनाया जाता है जैसा कि कार्बोक्सिलेट, फॉस्फेट आदि के मामले में होता है; फिर संबंध स्थिरांक pH पर निर्भर करते हैं। आयन युग्मन के लिए एन्ट्रोपिक प्रेरक बल (महत्वपूर्ण एच-बंधन योगदान के अभाव में) भी मेथनॉल में विलायक के रूप में पाए जाते हैं। गैर-ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में बहुत उच्च संबद्धता स्थिरांक वाले संपर्क आयन जोड़े बनते हैं, गैस चरण में संबद्धता ऊर्जाएँ जैसे। क्षारीय हैलाइड 200 केजे/मोल तक पहुंच जाते हैं। बिजेरम या फ्यूस समीकरण आयन युग्म संयोजन को आयन आवेशों zA और zB और माध्यम के परावैद्युत स्थिरांक ε के कार्य के रूप में वर्णित करता है; स्थिरता का एक संबंधित प्लॉट ΔG बनाम zAzB 200 से अधिक आयन जोड़े के लिए आयनों की एक बड़ी विविधता के लिए अपेक्षित रैखिक सहसंबंध को दर्शाता है। अकार्बनिक के साथ-साथ कार्बनिक आयन मध्यम आयनिक शक्ति I पर प्रदर्शित होते हैं, इसी तरह के नमक पुल संघ αG का मान आयनों की प्रकृति (आकार, ध्रुवीकरण आदि) से लगभग स्वतंत्र, आयन और धनायन के 1:1 संयोजन के लिए लगभग 5 से 6 kJ/mol होता है। δG मान योगात्मक होते हैं और लगभग आवेशों का एक रैखिक कार्य होता है, उदाहरण के लिए। एक एकल आवेशित अमोनियम कैटायन के साथ दोगुना आवेशित फॉस्फेट आयनन लगभग 2x5 = 10 kJ/mol के लिए जिम्मेदार होता है। जैसा कि डेबी-हकल समीकरण द्वारा वर्णित है, δG मान विलयन की आयनिक शक्ति I पर निर्भर करते हैं, शून्य आयनिक शक्ति पर कोई δG = 8 kJ/mol का अवलोकन करता है। क्षार-आयन जोड़ों की स्थिरता को आयन आवेश z के फलन के रूप में अधिक विस्तृत समीकरण द्वारा वर्णित किया जा सकता है। प्रोटीन में पाए जाने वाले नमक सेतु नमक सेतु अक्सर एस्पार्टिक एसिड या ग्लूटामिक एसिड के आयनिक कार्बोक्सिलेट (आर. सी. ओ. ओ.-) और लाइसिन से कैटेनिक अमोनियम (आर. एन. एच. 3 +) या आर्जिनिन के ग्वानिडिनियम (आर. एन. एच. सी. (एन. एच. 2) 2 +) (चित्र 2) से उत्पन्न होता है। हालांकि ये सबसे आम हैं, आयनीकरण साइड चेन वाले अन्य अवशेष जैसे कि हिस्टिडीन, टायरोसिन और सेरीन भी भाग ले सकते हैं, जो उनके पी. के. ए. को परेशान करने वाले बाहरी कारकों पर निर्भर करता है। नमक पुल में भाग लेने वाले अवशेषों के बीच की दूरी को भी महत्वपूर्ण बताया गया है। आवश्यक दूरी 4 Å (400 पी. एम.) से कम है। इस दूरी से अधिक एमिनो एसिड नमक पुल बनाने के योग्य नहीं हैं। एक प्रोटीन में पाए जाने वाले अमीनो एसिड की कई आयनीकरण साइड चेन के कारण, जिस पीएच पर एक प्रोटीन रखा जाता है, वह इसकी स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण है। प्रोटीन-लिगैंड परिसरों में पाए जाने वाले नमक पुल प्रोटीन और छोटे अणु लिगैंड के बीच भी बन सकते हैं। प्रोटीन डेटाबैंक के 1100 से अधिक अद्वितीय प्रोटीन-लिगैंड परिसरों को उनके प्रोटीन लक्ष्यों के साथ नमक सेतु बनाने के लिए पाया गया, जो दर्शाता है कि दवा-प्रोटीन अंतःक्रिया में नमक सेतु अक्सर होते हैं। इनमें विभिन्न एंजाइम वर्गों की संरचनाएँ होती हैं, जिनमें हाइड्रोलेज, ट्रांसफर, काइनेस, रिडक्टेज, ऑक्सीडोरिडक्टेज, लाइसेस और जी प्रोटीन-युग्मित रिसेप्टर्स (जी. पी. सी. आर.) शामिल हैं। हाल के अध्ययनों से पता चला है कि नमक पुल आणविक क्लिप के रूप में कार्य करके प्रोटीन-लिगैंड परिसरों को स्थिर करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं जो प्रोटीन की संरचना को स्थिर करते हैं और अवरोधक गतिविधि को सैकड़ों गुना बढ़ा सकते हैं। इसलिए लिगेंड और उनके प्रोटीन लक्ष्यों के बीच नमक पुलों को शामिल करना तर्कसंगत दवा डिजाइन में एक मूल्यवान उपकरण हो सकता है। प्रोटीन में नमक सेतु स्थिरता की मात्रा निर्धारित करने के तरीके प्रोटीन की मुड़े हुए अवस्था में समग्र स्थिरता में नमक सेतु के योगदान का मूल्यांकन उत्परिवर्तन अध्ययन और परमाणु चुंबकीय अनुनाद तकनीकों से एकत्र किए गए थर्मोडायनामिक डेटा के माध्यम से किया जा सकता है। उच्च पी. एच. पर वर्षा को रोकने के लिए विशेष रूप से उत्परिवर्तित एक उत्परिवर्तित छद्म-जंगली-प्रकार के प्रोटीन का उपयोग करके, मुड़े हुए प्रोटीन अवस्था की समग्र मुक्त ऊर्जा में नमक पुल के योगदान को एक बिंदु-उत्परिवर्तन, परिवर्तन और परिणामस्वरूप, नमक पुल को तोड़कर निर्धारित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, अवशेष 70 पर एस्पार्टिक एसिड (एएसपी) और अवशेष 31 (चित्र 3) पर एक हिस्टिडीन (हिज) के बीच टी4 लाइसोजाइम में एक नमक पुल की पहचान की गई थी। एस्पेराजिन (ए. एस. एन.) (चित्र 4) के साथ साइट-निर्देशित उत्परिवर्तन तीन नए उत्परिवर्तकों को प्राप्त करने के लिए किया गया थाः ए. एस. पी. 70. ए. एस. एन. हिज़ 31 (उत्परिवर्ती 1), ए. एस. पी. 70. हिज़ 31. ए. एस. एन. (उत्परिवर्ती 2), और ए. एस. पी. 70. ए. एस. एन. हिज़ 31. ए. एस. एन. (दोहरा उत्परिवर्ती)। एक बार उत्परिवर्ती स्थापित हो जाने के बाद, नमक पुल से जुड़ी मुक्त ऊर्जा की गणना करने के लिए दो तरीकों का उपयोग किया जा सकता है। एक विधि में जंगली प्रकार के प्रोटीन बनाम तीन उत्परिवर्तकों के पिघलने के तापमान का अवलोकन शामिल है। वृत्ताकार द्विरूपता में परिवर्तन के माध्यम से विकृतीकरण की निगरानी की जा सकती है। पिघलते तापमान में कमी स्थिरता में कमी का संकेत देती है। बेक्टेल और शेलमैन द्वारा वर्णित एक विधि के माध्यम से इसकी मात्रा निर्धारित की जाती है, जहाँ दोनों के बीच मुक्त ऊर्जा अंतर की गणना ΔTΔS के माध्यम से की जाती है। इस गणना के साथ कुछ समस्याएं हैं और इसका उपयोग केवल बहुत सटीक डेटा के साथ किया जा सकता है। T4 लाइसोजाइम उदाहरण में, छद्म-जंगली-प्रकार के αS को पहले pH 5.5 पर रिपोर्ट किया गया था, इसलिए इस pH पर 11°C का मध्य बिंदु तापमान अंतर 360 कैलोरी/(mol·K) (1.5 kJ/(mol·K)) के रिपोर्ट किए गए αS से गुणा करने पर लगभग −4 किलो कैलोरी/mol (−17 kJ/mol) का मुक्त ऊर्जा परिवर्तन प्राप्त होता है। यह मूल्य नमक सेतु द्वारा प्रोटीन की स्थिरता में योगदान देने वाली मुक्त ऊर्जा की मात्रा से मेल खाता है। दूसरी विधि नमक पुल की मुक्त ऊर्जा की गणना करने के लिए परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करती है। कार्बोक्सिलेट या अमोनियम समूह से सटे कार्बन के प्रोटॉन के अनुरूप रासायनिक बदलाव को रिकॉर्ड करते समय एक अनुमापन किया जाता है। अनुमापन वक्र का मध्य बिंदु पी. के. ए. या पी. एच. से मेल खाता है जहाँ प्रोटोनेटेडः डिप्रोटोनेटेड अणुओं का अनुपात 1:1 है। टी4 लाइसोजाइम उदाहरण के साथ जारी रखते हुए, हिस्टिडीन 31 (चित्र 5) के सी2 प्रोटॉन में बदलाव के अवलोकन के माध्यम से एक अनुमापन वक्र प्राप्त किया जाता है। चित्र 5 जंगली-प्रकार और उत्परिवर्ती के बीच अनुमापन वक्र में बदलाव को दर्शाता है जिसमें एएसपी 70 ए. एस. एन. है। निर्मित नमक पुल डिप्रोटोनेटेड एएसपी70 और प्रोटोनेटेड हिज31 के बीच है। यह अंतःक्रिया उनके 31 के पी. के. ए. में देखे गए बदलाव का कारण बनती है। अनफोल्डेड वाइल्ड-टाइप प्रोटीन में, जहां नमक पुल अनुपस्थित है, उनके 31 में मध्यम आयनिक शक्ति के एच2ओ बफ़र्स में 6.8 का पी. के. ए. होने की सूचना है। चित्र 5 9.05 के जंगली प्रकार के पी. के. ए. को दर्शाता है। पी. के. ए. में यह अंतर ए. एस. पी. 70 के साथ उनके 31 की बातचीत से समर्थित है। नमक पुल को बनाए रखने के लिए, हिज 31 अपने प्रोटॉन को यथासंभव लंबे समय तक रखने का प्रयास करेगा। जब नमक पुल बाधित होता है, जैसे उत्परिवर्ती डी70एन में, पी. के. ए. 6.9 के मूल्य पर वापस चला जाता है, जो अनफोल्डेड अवस्था में हिज31 के बहुत करीब होता है। मुक्त ऊर्जा में नमक पुल के योगदान को दर्शाने के लिए पी. के. ए. में अंतर की मात्रा निर्धारित की जा सकती है। गिब्स मुक्त ऊर्जा का उपयोग करनाः δG = −RTln (Keq), जहाँ R सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है, T केल्विन में तापमान है, और Keq संतुलन में प्रतिक्रिया का संतुलन स्थिरांक है। हिज31 का डिप्रोटोनेशन एक विशेष केक्यू के साथ एक एसिड संतुलन प्रतिक्रिया है जिसे एसिड पृथक्करण स्थिरांक, केएः हिज31-एच + हिज31 + एच + के रूप में जाना जाता है। पी. के. ए. तब निम्नलिखित द्वारा के. ए. से संबंधित हैः पी. के. ए. = − लॉग (के. ए.)। उत्परिवर्ती और जंगली प्रकार के मुक्त ऊर्जा अंतर की गणना अब मुक्त ऊर्जा समीकरण, पी. के. ए. की परिभाषा, देखे गए पी. के. ए. मानों और प्राकृतिक लघुगणक और लघुगणक के बीच संबंध का उपयोग करके की जा सकती है। टी4 लाइसोजाइम उदाहरण में, इस दृष्टिकोण से समग्र मुक्त ऊर्जा में लगभग 3 किलो कैलोरी/मोल का गणना किया गया योगदान प्राप्त हुआ। इसी तरह का दृष्टिकोण नमक पुल में अन्य प्रतिभागी के साथ लिया जा सकता है, जैसे कि टी4 लाइसोजाइम उदाहरण में ए. एस. पी. 70, हिज31 के उत्परिवर्तन के बाद पी. के. ए. में इसके बदलाव की निगरानी करके। उपयुक्त प्रयोग चुनते समय सावधानी के एक शब्द में प्रोटीन के भीतर नमक पुल का स्थान शामिल है। अंतःक्रिया में पर्यावरण एक बड़ी भूमिका निभाता है। उच्च आयनिक शक्ति पर, नमक पुल को पूरी तरह से ढका जा सकता है क्योंकि एक स्थिरविद्युत अंतःक्रिया शामिल है। टी4 लाइसोजाइम में उनके 31-ए. एस. पी. 70 नमक पुल को प्रोटीन के भीतर दफनाया गया था। एन्ट्रापी सतही नमक पुलों में एक बड़ी भूमिका निभाता है जहां अवशेष जो सामान्य रूप से स्थानांतरित करने की क्षमता रखते हैं, उनके स्थिरविद्युत अंतःक्रिया और हाइड्रोजन बंधन से संकुचित हो जाते हैं। यह अंतःक्रिया के योगदान को लगभग मिटाने के लिए पर्याप्त एन्ट्रापी को कम करने के लिए दिखाया गया है। सतही नमक पुलों का अध्ययन दफन नमक पुलों के समान किया जा सकता है, जिसमें दोहरे उत्परिवर्ती चक्र और एन. एम. आर. अनुमापन का उपयोग किया जाता है। हालाँकि ऐसे मामले मौजूद हैं जहाँ दबे हुए नमक के पुल स्थिरता में योगदान करते हैं, किसी भी अन्य चीज़ की तरह, अपवाद मौजूद हैं और दबे हुए नमक के पुल एक अस्थिर प्रभाव प्रदर्शित कर सकते हैं। इसके अलावा, सतह के नमक के पुल, कुछ स्थितियों में, एक स्थिर प्रभाव प्रदर्शित कर सकते हैं। स्थिरीकरण या अस्थिर करने वाले प्रभाव का आकलन मामले-दर-मामले के आधार पर किया जाना चाहिए और कुछ व्यापक बयान दिए जा सकते हैं। सुप्रामोलिक्युलर केमिस्ट्री एक ऐसा क्षेत्र है जो मैक्रोमोलेक्यूल्स के बीच गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं से संबंधित है। नमक पुलों का उपयोग इस क्षेत्र के रसायनज्ञों द्वारा विविध और रचनात्मक दोनों तरीकों से किया गया है, जिसमें आयनों का संवेदन, आणविक कैप्सूल और दोहरे पेचदार पॉलिमर का संश्लेषण शामिल है। आयन जटिलता अतिआण्विक रसायन विज्ञान का प्रमुख योगदान आयनों की पहचान और संवेदन के लिए समर्पित किया गया है। आयन युग्मन आयन जटिलता के लिए सबसे महत्वपूर्ण प्रेरक शक्ति है, लेकिन चयनात्मकता जैसे। हैलाइड श्रृंखला के भीतर हासिल किया गया है, ज्यादातर हाइड्रोजन बांड योगदान द्वारा। आणविक कैप्सूल आणविक कैप्सूल रासायनिक मचान हैं जिन्हें एक अतिथि अणु को पकड़ने और पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है (आणविक आवरण देखें)। स्ज़ुम्ना और सहकर्मियों ने एक कायरल इंटीरियर के साथ एक नया आणविक कैप्सूल विकसित किया। यह कैप्सूल दो हिस्सों से बना है, जैसे प्लास्टिक ईस्टर अंडा (चित्र 6)। दो हिस्सों के बीच नमक पुल की परस्पर क्रिया उन्हें घोल में स्वयं इकट्ठा करने का कारण बनती है (चित्र 7)। वे 60 डिग्री सेल्सियस तक गर्म होने पर भी स्थिर रहते हैं। डबल हेलिकल पॉलिमर यशिमा और सहकर्मियों ने कई पॉलिमरों के निर्माण के लिए नमक पुलों का उपयोग किया है जो डी. एन. ए. की तरह एक डबल हेलिक्स संरचना को अपनाते हैं। एक उदाहरण में, उन्होंने एक दोहरे पेचदार धातु बहुलक बनाने के लिए प्लैटिनम को शामिल किया। उनके मोनोमर और प्लैटिनम (II) बाइफिनाइल (चित्र 8) से शुरू करते हुए, उनका मेटालोपॉलिमर लिगैंड विनिमय प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से स्वयं इकट्ठा होता है। मोनोमर के दो हिस्सों को डिप्रोटोनेटेड कार्बोक्सिलेट और प्रोटोनेटेड नाइट्रोजन के बीच नमक पुल के माध्यम से एक साथ लंगर डाला जाता है। संदर्भ रासायनिक बंधन प्रोटीन इंजीनियरिंग