Кратко — какие структурные факторы определяют кислотно‑основные свойства органических соединений, и почему у аминокислот pKa в белке отличаются от свободных.
1) Основные химические факторы, влияющие на кислотность/основность:
- Индуктивный эффект: электрооттягивающие заместители стабилизируют негативный заряд конъюгированной базы → повышают кислотность (пример: замена H на F).
- Резонансная стабилизация: делокализация заряда в конъюгированной базе делает кислоту сильнее (карбоксильные группы, фенолы при делокализации).
- Гибридизация атома, несущего протон: чем больше s‑характера у орбитали (sp > sp2 > sp3), тем сильнее кислота (например: ацетиленические H более кислые).
- Водородные связи и сольватация: хорошая сольватация стабилизирует ионную форму → повышает диссоциацию.
- Стерические и конформационные эффекты: мешают сольватации или образованию резонансных структур → снижают кислотность.
- Электростатическое окружение: соседние заряды (положительные или отрицательные) стабилизируют/дестабилизируют ионную форму.
2) Формула, связывающая pH, pKa и степени протонирования (источник для объяснений):
$$\mathrm{pH}=\mathrm{p}{K}_a+\log \frac{[{\mathrm{A}}^{-}]}{[\mathrm{HA}]}$$ Сдвиг pKa связан с изменением свободной энергии между состояниями:
$$\Delta p{K}_a=\frac{\Delta G}{2.303RT}$$
3) Почему pKa аминокислот меняются в белке (основные механизмы):
- Десолвация/низкая диэлектрическая проницаемость внутренней среды белка: заряженная форма менее стабилизирована в гидрофобном окружении → pKa сдвигается так, чтобы уменьшить вероятность заряженного состояния (напр., карбоксил → pKa увеличивается, а амин → pKa уменьшается).
- Электростатические взаимодействия с соседними зарядами: близость положительного заряда стабилизирует отрицательно заряженную конъюгированную базу (снижает pKa кислой группы), близость отрицательного заряда делает обратное. Электростатическая энергия приближённо:
$$\Delta G_{elec}\approx \frac{q_1{q}_2}{4\pi {\epsilon }_0{\epsilon }_{r}r}$$ и она переводится в сдвиг pKa через формулу выше.
- Водородные связи и конкретные взаимодействия: водородная связь может стабилизировать как протонированную, так и депротонированную форму, меняя pKa.
- Конформационные/пространственные ограничения и косвенные эффекты: «запирание» остатка в кармане фермента, образование соли‑моста, соседство ароматических колец (стабилизация через π‑стэкинг) и т.д.
- Ковалентное окружение и сопряжённая титрация: несколько ионизуемых групп рядом могут «взаимоопосредовывать» свои состояния (кооперативные или антагонистические сдвиги pKa).
4) Примеры:
- Аспартат/глутамат: свободные pKa ≈ $\mathrm{p}{K}_a$ $\sim 3.9$ (Asp) и $\sim 4.3$ (Glu), в белке при погружении в гидрофобный карман pKa может подняться до 7–9 (чтобы остаться нейтральной).
- Гистидин: свободный $\mathrm{p}{K}_a$ ≈ $6.0$; легко смещается ±1–2 единицы в зависимости от окружения — часто участвует в кислотно‑основной каталитической химии благодаря этому.
- Цистеин: свободный $\mathrm{p}{K}_a$ ≈ $8.3$, но в активных центрах может опускаться до ~5–7 при стабилизации тиолята.
5) Последствия и практическое значение:
- Сдвиги pKa в белке важны для катализа, связывания лигандов и стабильности.
- Для расчёта pKa в белках используют методы электростатики (Poisson–Boltzmann), молекулярную динамику с постоянным pH и эмпирические подходы, т.к. среда белка сложна и многие факторы суммируются.
Итого: кислотно‑основные свойства задаются локальной электронной структуре, стабильностью конъюгированной базы (резонанс, индукция, гибридизация) и способностью среды её сольватировать/стабилизировать; в белке эти условия кардинально меняются (десолвация, электростатика, H‑связи, конформация), что и приводит к заметным сдвигам pKa аминокислот относительно свободного состояния.