¿Cómo es importante la termodinámica en el estudio del cambio de conformación proteica?

Respuesta corta: la termodinámica ayuda a comprender cómo y por qué ocurre un cambio conformacional.

Respuesta larga:
¿Para qué se puede usar la termodinámica (TD)?

1. Para saber si un proceso es termodinámicamente factible o no, es decir, si se violan las leyes de la termodinámica, si no, el proceso es termodinámicamente viable.
2. Si una reacción es factible, puede intentar comprender por qué es factible y las fuerzas impulsoras moleculares esenciales.

Importancia de la termodinámica en el estudio de cambios conformacionales de proteínas:
Los cambios conformacionales en las proteínas son esenciales para su función, las vías de estos cambios conformacionales nos ayudarán a entender cómo se regulan los procesos biológicos. La termodinámica ayuda a establecer conexiones entre los cambios locales en las interacciones moleculares con los cambios globales en las conformaciones.

Como hablas de enzimas:
TD se puede utilizar para comprender:

1. Conformaciones de equilibrio de una enzima (abierto frente a cercano, estabilidad, etc.)
2. Mecanismo de transición entre conformaciones (efecto global)
3. Catálisis enzimática (efecto local)

Voy a utilizar dos estudios de enzimas para ampliar estos puntos:

1. Quinasa (estudio: Page en plosone.org): Esto ayudará a comprender cómo se puede usar TD para identificar poblaciones en equilibrio y formular hipótesis sobre las teorías del estado de transición.
2. Lisozima (documento histórico de 1975 de Warshel y Levitt – Estudios teóricos de reacciones enzimáticas: dielecta … [J Mol Biol. 1976]): Esto ayudará a comprender cómo la catálisis y las fuerzas o efectos locales, afectan las energías y, por lo tanto, las conformaciones.

Complejidad del cambio conformacional enzima-sustrato:
Nuestra visión de los mecanismos de enlace ha evolucionado a partir del modelo de bloqueo y clave. Las teorías actuales son la selección conformacional (unión del sustrato a la enzima, cambia el equilibrio entre los estados que existían en ausencia de sustrato), ajuste inducido o ambos. Y todo lo anterior tiene perspectivas termodinámicas: ajuste inducido o selección conformacional? El ro … [Bioquímica. 2011]

Aquí hay una gran imagen de un documento de Nussinov 2010:
Naturaleza Biología Química

La figura anterior analiza los paisajes de energía (embudos de plegado termodinámicos) de unión entre 2 moléculas, por ejemplo, la enzima A y el polímero, B. Las flechas dobles indican “selección conformacional”. A medida que A y B se aproximan, la probabilidad de ocurrencia de sus confórmeros cambia y, por lo tanto, cambia el paisaje energético.

Nota: para obtener información sobre el embudo plegable, consulte: ¿Alguien ha estudiado las propiedades de plegado de las cadenas de aminoácidos generadas al azar? Si es así, ¿cuáles fueron los resultados y cómo difirieron de los de las proteínas encontradas en la naturaleza?

A : modelo de bloqueo y llave; ambos A y B son rígidos o tienen superficies de unión coincidentes
B : modelo de ajuste inducido; B se une a una conformación particular de A e induce cambios en la conformación
C : selección conformacional; B se une a una de las conformaciones fluctuantes de A, no hay reorganización conformacional después de la unión
D : mixto; B se une a uno de varios A, induce un cambio conformacional

Las teorías anteriores ayudan a a) entender la dinámica de proteínas b) racionalizar los cambios conformacionales.

Estudio 1: adenilato cinasa (AdK):

• AdK cataliza reacciones reversibles de transferencia de fosforilo, es decir,

• Las enzimas experimentan una gran cantidad de cambios conformacionales para catalizar reacciones.
• Se pueden usar muchas técnicas experimentales para capturar estos cambios conformacionales.

¿Cuáles son los principales estados conformacionales?

• AdK tiene un estado abierto, que es libre de ligando, y un estado cerrado que está unido al nucleótido (AMP).

Imagen de: Ver el bosque por los árboles: estudios de fluorescencia de enzimas individuales en el contexto de experimentos conjuntos

¿Cuáles son algunas preguntas que TD puede responder?
¿El estado abierto es parte del ciclo catalítico? ¿Cuál es la vía de transición entre los estados abierto y cerrado? ¿Cuántos estados conformacionales son accesibles durante el ciclo catalítico? ¿Cómo responde la conformación de apertura / cierre a las interacciones con los sustratos? ¿El estado abierto es el estado de equilibrio? o son ambos estados abierto y cerrado metaestable? ¿Cuál es la diferencia de energía libre entre los estados, o las probabilidades de equilibrio entre los estados?
En resumen, la relación estructura-función.

Resultados del estudio:

1. AdK tiene solo un mínimo, y corresponde al estado abierto
2. El estado cerrado, sin el ligando es altamente inestable
3. Es energéticamente desfavorable para el estado abierto acceder al estado cerrado
4. Por lo tanto, la unión del ligando podría preceder al estado cerrado

Estudio 2: Lisozima (Lz):

• Este estudio intenta comprender el mecanismo catalítico de los hexa-sacáridos, es decir, la escisión de oligosacáridos a monosacáridos por la lisozima (es decir, similar a su ejemplo)

¿Cuáles son algunas preguntas que TD puede responder?

• ¿Cuál es el estado de transición? ¿Cuál es el mecanismo catalítico? ¿Qué papel juega la entropía? ¿Cuáles son las interacciones locales?

Resultados del estudio (puntos clave / relevantes solamente):

1. La electrostática (en oposición a los efectos estéricos) juega un papel importante en la reacción enzimática.
2. Hay un intermedio de ion carbonio, una vez que el sustrato se une a la enzima, este intermediario se estabiliza mediante electrostática
3. La distribución de carga del sitio catalítico se puede variar para controlar la tasa de catálisis
4. La entropía del estado fundamental vinculado y el estado de transición fueron similares, lo que sugiere la importancia de la interacción / estabilización de carga en el sistema, es decir, la contribución entálpica

PD: ¡mi respuesta número 100! * woot *