Las proteínas no se pliegan necesariamente, depende del entorno químico de la molécula. Cuando ejecutamos SDS-PAGE, utilizamos surfactante (SDS) para desplegar las proteínas. Discutiremos esta cuestión desde una perspectiva hidrodinámica, con algunos cálculos fuera de la mano. Acabo de aprender estos trucos del libro Protein Physics de Finkelstein AV y Ptitsyn O.
Primero, trataré de explicar cómo el efecto hidrofóbico “comprime” una proteína. En aras de la simplicidad, me centraré en el comportamiento de los enlaces de hidrógeno.
El agua es polar, lo que significa que tiene postes eléctricos. Lo interesante es que los protones transportados por el agua son propensos a formar enlaces de hidrógeno con otros átomos de oxígeno. Esto crea una interacción lo suficientemente fuerte como para mantener el agua en forma líquida a temperatura ambiente, mientras que las moléculas como [matemáticas] HF [/ math], [math] NH_ {3} [/ math] no pueden.
En términos de teorías termodinámicas, sabemos que la entropía tiene una tendencia a aumentar. Una mejor forma de expresar esto es introducir funciones termodinámicas llamadas energía libre. El cambio de energía libre corresponde al cambio de entropía. (Puede que no sea una muy buena forma de decir esto)
¿Qué es entropía? La relación de Boltzmann nos dice que la entropía es proporcional al logaritmo del número de estados de un sistema. Por lo tanto, si el número de estados del sistema aumentó en un proceso, decimos que el proceso es favorecido por entropía, y viceversa.
Podemos formular la diferencia de energía libre de Gibbs al cambiar el microambiente estadístico de la siguiente manera:
[matemáticas] \ Delta G = -RT \ ln \ frac {X_ {1}} {X_ {2}} [/ math]
donde [math] X_ {i} [/ math] ‘s son las concentraciones de equilibrio de la molécula en diferentes entornos.
Ahora bien, si se puede demostrar que el contacto superficial entre el agua y las moléculas hidrofóbicas no es favorecido entropía, entonces podemos deducir que las proteínas se ven obligadas a adoptar conformaciones compactas en el agua.
Esta figura está tomada del libro mencionado anteriormente, con las explicaciones dadas al lado. La idea es que a las moléculas de agua les gusta tanto atraerse que se sienten incómodas cerca de un cuerpo no polar. Su conformación es limitada para proteger los enlaces de hidrógeno, por lo que se sacrifica la entropía.
“Congeladas” aguas superficiales con enlaces de hidrógeno. El efecto neto es entrópico en lugar de energético porque la energía de los enlaces de hidrógeno no es tan alta. Pero su orientación relativa difiere de la del hielo normal. La estructura es amorfa y no tiene simetría traslacional. La “microcubierta” resultante fuerza moléculas hidrofóbicas para minimizar el área superficial en agua.
Entonces podemos demostrar que las proteínas son susceptibles a tales efectos si los aminoácidos son de naturaleza hidrofóbica. Las discusiones adicionales están fuera del alcance de esta respuesta simplificada.
Saber que las proteínas que se exprimen en el agua no es suficiente porque el problema es retirarse . Aunque el efecto hidrofóbico contribuye a más del 90% de la conformación proteica, no proporciona mucha información sobre las estructuras de orden superior.
El plegamiento de proteínas es un proceso automático que también es impulsado por enlaces de hidrógeno y efectos entrópicos. Discutiremos dos motivos básicos del plegamiento de proteínas: α-hélice y β-hoja.
α-hélices son estables debido a la presencia de enlaces de hidrógeno “verticales”. Aquí la formación de nuevos enlaces de hidrógeno impulsa fuertemente la formación de la hélice.
Superficialmente, tal estructura parece ser el resultado de una transición de fase como el agua formando un iceberg. Sin embargo, el teorema de Landau establece que las transiciones de fase de primer orden nunca ocurren en un sistema que consta de dos fases unidimensionales. Como una α-hélice es una fase lineal que cumple el criterio del teorema de Landau, las α-hélices se forman “sin problemas” de manera que la nueva fase y la antigua puedan coexistir. De esta forma, los péptidos se pliegan a α-hélices en un tiempo muy corto (~ 0,1 μs).
Para cuantificar este proceso, puede anotar la energía libre de Helmholtz de formación de una hélice como:
[math] dF_ {a} = f_ {INIT} + nf_ {EL} [/ math]
Establecemos [math] nf_ {EL} = 0 [/ math] en la “temperatura de transición media” en la que la hélice y la bobina tienen la misma energía libre. La energía libre de los límites de la hélice, [math] f_ {INIT} [/ math], es independiente de las longitudes de la hélice y de la bobina. La entropía posicional de una hélice larga en n residuos en una cadena larga de residuos N puede escribirse como [math] k \ ln (Nn) [/ math]. En total, la energía libre de la hélice que flota en la secuencia es [math] dF_ {a} = f_ {INICIO} – k \ ln (Nn) [/ math]. En valores grandes de N y no demasiado grandes n, el término que contiene [math] \ ln (Nn) [/ math] siempre domina sobre el término constante [math] f_ {INIT} [/ math], que promueve la inserción del hélice en la bobina.
Luego consideramos otra forma de plegado: hoja β. Es más interesante porque se trata de la transición de fase en plegado. Esto también explicará su lenta formación: hasta milisegundos.
Una hoja β es una estructura plana. Los enlaces de hidrógeno son “horizontales” como se indica en la figura. Se debe superar una gran barrera de energía libre para formar dicha estructura debido a residuos de borde “inestables”. Después de la inicialización “difícil”, la formación de láminas β se ve favorecida por un cambio de energía libre negativo que evita que vuelva a caer al estado inicial.
Se pueden dar formulaciones de energía libre similar a la α-hélice, pero es un poco más complicado, así que no lo escribiré. En cambio, tenemos esta figura:
Reza perdona mi pereza. Finalmente, queremos explicar por qué las escalas de tiempo difieren entre estos dos procesos de plegado. Especialmente, ¿por qué las hojas β se forman más lentamente que las α-hélices?
De acuerdo con la teoría del estado de transición, el tiempo del proceso en plegado de hoja β depende de la energía libre [matemática] F ^ {+} [/ math] del estado de transición (es decir, del estado más inestable) como
[math] t [/ math] ~ [math] t_ {b} exp (F ^ {+} / kT) [/ math]
donde [math] t_ {b} [/ math] es el tiempo de un paso elemental de un residuo.
[math] t_ {b} [/ math] es el tiempo necesario para iniciar el plegamiento β en un punto dado de la cadena. Por lo tanto, el momento del inicio de plegamiento β en algún lugar de una cadena de residuos M es [math] t_ {b} / M [/ math]. La expansión de la estructura β en toda la cadena desde un centro de iniciación toma ~ [math] Mt_ {b} [/ math]. La iniciación es un paso limitante de tiempo para una cadena relativamente corta (cuando [math] t_ {b} exp (F ^ {+} / kT) / M [/ math]> [math] Mt_ {b} [/ math] ) En este caso, el tiempo de plegamiento β es [math] t_ {b} [/ math] ~ [math] t_ {b} exp (F ^ {+} / kT) / M [/ math].
Espero que esto sea útil.
