¿Qué aminoácido es probable encontrar en el interior de una proteína soluble en agua?

Una gran pregunta de termodinámica.

Asumiremos que estamos hablando de una proteína que se dobla en su estructura terciaria para responder a la parte divertida de esta pregunta.

tl; dr – los aminoácidos hidrofóbicos van al centro, por supuesto. Los aminoácidos hidrofílicos estarán en el exterior interactuando con el agua. La verdadera pregunta es por qué?

Respuesta: aumento de la entropía: en caso de duda, la segunda ley de la termodinámica es una excelente respuesta. Raymond Chard lo usa para explicarle a su madre por qué su habitación está sucia.

Nota: Cuando uso la solvatación, piense qué va a estar en la interfaz de la proteína y el agua circundante. En nuestra proteína desplegada, tendremos AA hidrofóbicos e hidrofílicos en la superficie en contacto con el agua.

Para interactuar con los grupos R hidrofóbicos, el agua debe ser ALTAMENTE ordenada.

Las fuerzas hidrofóbicas ejecutan el espectáculo haciendo que los grupos R hidrofóbicos se dirijan al núcleo de la proteína. Dejando los grupos R hidrófilos en la superficie de la proteína.

Después de este plegamiento, es justo pensar en nuestra proteína como una bola fundida.

Cuando los grupos R hidrófilos en la superficie interactúan con el agua, se forma una capa de solvatación de agua ordenada.

Esta agua es mucho más ordenada que el resto del agua que se irradia desde ella (pero, por lo tanto, es relativamente menos ordenada en comparación con los grupos R hidrofóbicos en este escenario). Piensa en anillos de orden concéntricos, cuanto más te acerques a la proteína, más ordenado estará el agua.

¿Pero pensé que nuestra respuesta era entropía aumentada ? ¿El orden creciente en la capa de salvación suena como lo contrario de la entropía?

Buena captura, y aquí viene el matiz.

Cuando hacemos una transición desde la solvatación de lo hidrófobo a lo hidrófilo, hay una disminución en orden (leer aumento de entropía) que compensa la disminución relativamente pequeña de entropía (leer aumento en orden) que vemos desde la capa de salvación que se está formando.

Otra forma de decirlo.

La transición desde la solvatación de polares no polares produce un aumento tan grande en la entropía que contrarresta la disminución de la entropía causada por el ordenamiento, es decir, el plegamiento de la proteína y la creación de la capa de solvatación.

¿Por qué / cómo? Hay mucha más agua que proteína.

Otra forma de pensar sobre eso

El agua + proteína es mucho menos favorable para la entropía que el agua en sí misma.

Resumen-

¿Lo que pasa?

Los AA hidrofóbicos van al núcleo de la proteína para escapar del H2O.

Los AA hidrofílicos (grupos R cargados o al menos polares) forman la superficie de la proteína.

¿Por qué sucede?

ENTROPY!

Una capa de solvatación de agua forma y rodea la proteína al interactuar con los AA polares y cargados. ¡Esto aumenta el orden y disminuye la entropía!

SIN EMBARGO, las regiones hidrofóbicas destinadas al núcleo de la proteína requieren un nivel tan grande de ordenamiento del agua que las transiciones a grupos hidrofílicos en la superficie marcan un gran aumento en la entropía.

Pro tip: la fuerza motriz principal en la mayoría de las preguntas de plegamiento de proteínas = fuerzas hidrofóbicas.

Como estamos hablando de proteínas solubles en agua, los aminoácidos que tienen cadenas hidrofóbicas tienden a minimizar su contacto con el agua, mientras que los aminoácidos hidrófilos que tienen un grupo funcional abierto estarán fuera de la proteína.

Así que los aminoácidos hidrofóbicos se encontrarían en el interior …

En función de la propensión de la cadena lateral a estar en contacto con disolventes polares como el agua, puede clasificarse como hidrofóbica (baja propensión a estar en contacto con el agua), polar o cargada (contacto energético favorable con el agua). Los residuos de aminoácidos cargados incluyen lisina (+), arginina (+), aspartato (-) y glutamato (-). Los aminoácidos polares incluyen serina, treonina, asparagina, glutamina, histidina y tirosina. Los aminoácidos hidrofóbicos incluyen alanina, valina, leucina, isoleucina, prolina, fenilalanina, triptófano, cisteína y metionina. Probablemente haya notado que esta clasificación se basa en el tipo de cadena lateral de aminoácidos. Sin embargo, la glicina, al ser uno de los aminoácidos comunes, no tiene una cadena lateral y, por esta razón, no es sencillo asignarla a una de las clases anteriores. En general, la glicina a menudo se encuentra en la superficie de las proteínas, dentro de las regiones de bucle o espiral (sin estructura secundaria), lo que proporciona una gran flexibilidad a la cadena polipeptídica en estos lugares. Esto sugiere que es bastante hidrofílico. Proline, por otro lado, generalmente no es polar y se encuentra principalmente enterrado dentro de la proteína, aunque de manera similar a la glicina, a menudo se encuentra en las regiones de bucle. A diferencia de la glicina, la prolina proporciona rigidez a la cadena polipeptídica al imponer ciertos ángulos de torsión en el segmento de la estructura. Cargados (las cadenas laterales a menudo forman puentes salinos):

• Arginina – Arg – R

• Lisina – Lys – K

• Ácido aspártico – Asp – D

• Ácido glutámico – Glu – E

Polar (generalmente participa en enlaces de hidrógeno como donantes de protones o aceptores):

• Glutamina – Gln – Q

• Asparagina – Asn – N

• Histidina – His – H

• Serina – Ser – S

• Treonina – Thr – T

• Tirosina – Tyr – Y

• Cisteína – Cys – C

• Metionina – Met – M

• Tryptophan – Trp – W

Hidrófobo (normalmente enterrado dentro del núcleo de proteína):

• Alanine – Ala – A

• Isoleucina – Ile – I

• Leucina – Leu – L

• Fenilalanina – Phe – F

• Valine – Val – V

• Proline – Pro – P

• Glicina – Gly – G