Аффинность — мера сродства в химии и биологии¶

Аффинность (от лат. affinitas — родство, сродство) — мера сродства (химического, биологического или физического) между двумя объектами: атомами, молекулами, биологическими молекулами (белками, ферментами, рецепторами) или частицами. В химии аффинность характеризует способность вещества вступать в реакцию с другим веществом; в биологии и фармакологии аффинность описывает прочность связывания лиганда с биологической мишенью (рецептором, антителом, ферментом).

¶Химическая аффинность

¶История понятия

Понятие «химическое сродство» (affinitas chimica) ввёл в XVIII веке шведский химик Торберн Бергман, опубликовавший в 1775 году труд «De attractionibus electivis» («О избирательных сродствах»). Бергман систематизировал наблюдения о том, что одни вещества охотнее реагируют с определёнными партнёрами, чем другие, и предложил шкалу сродств для различных пар реагентов. Ранее, в XVII веке, идеи химического сродства развивал немецкий врач и химик Иоганн Рудольф Глаубер, а термин «affinitas» использовался ещё в алхимической традиции.

В XIX веке с развитием термодинамики понятие сродства получило количественное выражение через изменение свободной энергии (ΔG) химической реакции. Свободная энергия Гиббса связана с константой равновесия реакции соотношением ΔG° = −RT ln K, где R — универсальная газовая постоянная, T — температура. Чем больше константа равновесия K (и чем более отрицательно ΔG°), тем выше аффинность реагентов.

¶Современное определение

В современной химии аффинность реакции количественно характеризуется энергией Гиббса реакции, энтальпийной и энтропийной компонентами. Различают:

• Термодинамическую аффинность — мотивирующую силу реакции, определяемую как A = −ΔG (или A = Σ μᵢνᵢ, где μᵢ — химические потенциалы компонентов, νᵢ — стехиометрические коэффициенты). При равновесии термодинамическая аффинность равна нулю.
• Кинетическую аффинность — связь между скоростью реакции и её сродством; высокая аффинность не гарантирует быстрого протекания реакции, если высок энергетический барьер (активация).

Понятие аффинности применяется при описании кислотно-основных реакций, комплексообразования, окислительно-восстановительных процессов, сорбции и экстракции.

¶Биологическая и фармакологическая аффинность

¶Связывание лигандов с рецепторами

В фармакологии аффинность — это способность лиганда (лекарственного вещества, гормона, нейромедиатора) образовывать комплекс с рецептором. Аффинность обычно выражают через диссоциационную константу Kd — концентрацию лиганда, при которой 50 % рецепторов заняты. Меньшее значение Kd соответствует более высокой аффинности. Связь лиганда с рецептором обратима и описывается уравнением:

L + R ⇌ LR, Kd = [L][R]/[LR]

¶Аффинность и эффективность

Важно различать аффинность и агоническую активность (эффективность). Аффинность определяет только прочность связывания, тогда как эффективность — способность лиганда активировать рецептор и вызывать биологический ответ. Полные агонисты обладают и высокой аффинностью, и максимальной эффективностью; частичные агонисты связываются прочно, но вызывают неполный ответ; антагонисты обладают высокой аффинностью, но эффективность равна нулю.

¶Селективность

Селективность — избирательность действия лиганда по отношению к разным подтипам рецепторов — определяется различием их аффинностей. Лекарственное вещество, обладающее в 100 раз большей аффинностью к подтипу A, чем к подтипу B, будет преимущественно действовать на первый.

¶Аффинность антител

В иммунологии аффинность антитела характеризует прочность его связывания с одним антиген-связывающим участком (Fab-фрагментом). Совокупная прочность связывания мультивалентного антитела (IgG имеет два сайта) с антигеном называется авидностью и может значительно превышать аффинность отдельного сайта. После повторного контакта с антигеном в лимфоидных органах происходит созревание аффинности (affinity maturation) — отбор клонов B-лимфоцитов, продуцирующих антитела с более высокой аффинностью за счёт соматических гипермутаций в генах тяжёлых и лёгких цепей.

¶Аффинность в других областях

• Геометрия: аффинные преобразования — класс преобразований пространства, сохраняющий параллельность прямых и отношение деления отрезков (параллельный перенос, растяжение, сдвиг, гомотетия). Аффинная геометрия изучает свойства, инвариантные при таких преобразованиях.
• Кристаллография и минералогия: понятие «химическое сродство» применяется при описании изоморфизма — способности различных ионов занимать одни и те же позиции в кристаллической решётке.
• Сорбция и хроматография: аффинность описывает предпочтительное взаимодействие молекул с сорбентом; в аффинной хроматографии используются специфические лиганды, селективно связывающие целевой белок.

¶Применение понятия

Расчёт аффинности лежит в основе рационального проектирования лекарств (drug design): компьютерное моделирование взаимодействия кандидата с активным центром белка позволяет прогнозировать его связывающую способность. Методы измерения аффинности включают изотерму связывания Ленгмюра, спектроскопию поверхностного плазмонного резонанса (SPR), изотерму титрования изотермической калориметрии (ITC) и флуоресцентную спектроскопию.

¶Источники

• Бергман Т. De attractionibus electivis. — Упсала, 1775.
• Альберт А. Высокоизбирательные яды. — М.: Мир, 1969.
• Катцунг Б. Основы клинической фармакологии. — М.: Практика, 2000.
• Ланде Д. Биохимия. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.
• Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. — М.: Мир, 1974.