¿Cómo los alcoholes desnaturalizan las proteínas?

Empecé a responder esta pregunta hace unas semanas. Tenía una respuesta en mente y simplemente buscaba datos para respaldar mi respuesta. En las últimas semanas, me encontré con un gran artículo tras otro y me han hecho volar la mente demasiadas veces. ¡Esta es una gran pregunta!

• No todos los alcoholes desnaturalizan las proteínas, el efecto del alcohol es bastante complejo ya que diferentes péptidos / proteínas adoptan diferentes estructuras secundarias en diferentes ambientes. Por ejemplo, trifluoroetanol (TFE) estabiliza conformaciones helicoidales a concentraciones moderadas a bajas.
• El etanol se usa a menudo para desnaturalizar proteínas, y bajo las condiciones de laboratorio habituales (1atm de presión, 298K) funciona como desnaturalizante al alterar las interacciones hidrofóbicas / núcleo de la proteína. Sin embargo, el efecto del etanol no es constante para todas las proteínas, y también tiene un efecto de temperatura.

• núcleo hidrofóbico de proteínas mediante la interacción preferencial con residuos hidrofóbicos
• patrón de enlaces de hidrógeno, formando enlaces H con residuos de proteínas.

Ergo, la ruptura de las interacciones hidrofóbicas / hidrofílicas y las desnaturalizaciones de proteínas.
Figura 1: etanol que destruye enlaces H terciarios en proteína priónica, imagen de: Proteína de desnaturalización

Sin embargo, los alcoholes son un grupo de moléculas. Se diferencian en el contenido de la longitud de la cadena / ramificación / hidroxilo. Lo que me lleva a la siguiente serie de preguntas:

• ¿Podemos realmente generalizar el efecto de los alcoholes?
• La desnaturalización implica la pérdida de la estructura secundaria y terciaria, ¿pueden los alcoholes destruir los enlaces H de la cadena principal (que son más fuertes debido a las alineaciones dipolares)?
• Si los alcoholes desnaturalizan proteínas, en consecuencia, deben estabilizar el estado desnaturalizado. Es decir, la interacción alcohol-proteína debe ganar la interacción proteína-proteína. Este es siempre el caso?
• ¿Qué sucede si la interacción alcohol-proteína es débil? ¿da como resultado una mayor interacción proteína-proteína y por lo tanto la agregación de proteínas?

Claramente, esta pregunta no es trivial.

¿Podemos realmente generalizar el efecto de los alcoholes?

• No (esta es una respuesta obvia), se sabe desde hace tiempo que las mezclas de TFE / agua estabilizan hélices y láminas (Página en wiley.com)
• Lo fascinante de las mezclas de TFE / agua es el hecho de que pueden inducir una estructura secundaria en una cadena de péptidos desplegada que no tiene ninguna propensión a la estructura secundaria. (Mecanismo de estabilización de conformaciones helicoidales de polipéptidos por agua que contiene trifluoroetanol)
• ¿Por qué pasó esto? Se sabe que el TFE fortalece el enlace H de la cadena principal que estabiliza las proteínas debilitando el enlace H de CO / NH-agua. Esto puede mostrarse utilizando el modelo de Zimm-Bragg (Página en stanford.edu).

¿Qué hay de los alcoholes que desnaturalizan las proteínas?

• La hipótesis de la “disrupción del núcleo hidrofóbico” fue propuesta en los años 60.
• Un documento de 1967 sobre la termodinámica experimental de Brandts y Hunt proporciona una excelente evidencia de la afirmación anterior (Termodinámica de desnaturalización de proteínas.) III. Desnaturalización de ribonucleasa en agua y en urea acuosa y mezclas acuosas de etanol.
• Realizaron sus experimentos con RNasa A a diferentes concentraciones y temperaturas de etanol (desnaturalizante de alcohol comúnmente usado).
• Compararon sus resultados con los del argón, elegido como un análogo para los residuos de la cadena lateral no polar.
• Sus resultados mostraron que la estabilidad de la proteína y la solubilidad del argón tenían un comportamiento extremadamente similar dependiente de la temperatura y, por lo tanto, podían justificar el efecto hidrofóbico.
• El etanol disminuye la estabilidad de la proteína a temperaturas moderadas a altas (> 10 grados C), y tiene el efecto opuesto a temperaturas más bajas (5-10 grados C).

¿Cómo podemos explicar este efecto de temperatura?

• El mecanismo está estrechamente relacionado con la formación de “clatrato” o la jaula como estructuras ordenadas formadas por moléculas de agua alrededor de perlas hidrofóbicas, lo que produce una disminución de la entropía. Se forman a bajas temperaturas y pueden considerarse como un proceso cooperativo.

Imagen de: interacciones hidrofóbicas

• A bajas temperaturas, es probable que los grupos hidrofóbicos expuestos estén alojados por estructuras de clatrato en soluciones acuosas (indicadas por “v” en la figura a continuación).
• Cuando se añaden pequeñas cantidades de etanol o disolventes no acuosos, la estabilidad de las estructuras del clatrato disminuye y, por lo tanto, la actividad del agua misma.
• Por lo tanto, se espera que las cadenas laterales hidrofóbicas sean solvatadas preferentemente por alcoholes, una vez que las estructuras de agua ordenadas hayan sido interrumpidas.
• A medida que se añaden más de estas moléculas de disolvente, se vuelve entropológicamente favorable que estas moléculas entren en la capa de solvatación del residuo de proteína. De este modo, en un aumento adicional más allá de esta etapa, la desnaturalización ocurrirá debido a la solvatación preferencial.
• Esta transición de “clatrato a preferencial” ocurre solo a bajas temperaturas, a temperaturas más altas tanto el agua como el alcohol ocuparán posiciones aleatorias en el caparazón de solvatación ya que el agua ordenada ya habría sido destruida. Esto conducirá directamente a la desnaturalización debido a la solvatación preferencial.

Imagen de: Termodinámica de la desnaturalización de proteínas. III. Desnaturalización de ribonucleasa en agua y en urea acuosa y mezclas acuosas de etanol

En resumen, el efecto del alcohol (es) en la desnaturalización de proteínas es relativamente complejo, a diferencia del efecto de la urea. Esta publicación se limita a explorar solamente un aspecto de la desnaturalización, el causado por el efecto hidrofóbico. Muchas proteínas también se agregan en alcoholes neutros. (Página en jbc.org)