la estabilidad de los pliegues nativos de las proteínas globulares es bastante notable, ya que esta estabilidad es marginal y está restringida a una ventana relativamente estrecha de condiciones termodinámicas y de composición de la solución (1)., El desarrollo de una comprensión profunda del equilibrio de fuerzas que inclina las escalas entre los Estados nativos y desnaturalizados en términos de los roles individuales de la electrostática, las interacciones hidrofóbicas, la entropía de polímeros, la temperatura y la presión tendría un profundo impacto en nuestra capacidad para comprender las estructuras nativas y los estados agregados anormales y ayudar en el desarrollo de sistemas biomiméticos. Determinar cómo se produce el desdoblamiento, es decir, la vía dinámica por la cual se establece el estado desnaturalizado, es aún más exigente, pero puede proporcionar una visión del panorama que rige el plegamiento de proteínas (2)., Las simulaciones anteriores que combinaban el estrés del aumento de la temperatura y el cosolvente desnaturalizante, la urea, han seguido esta vía durante cortos períodos de tiempo (3).
en este número de PNAS, Hua et al. (4) presentar los resultados de una simulación de tour de force que comprende varias simulaciones de microsegundos de duración de la dinámica de la lisozima de temperatura ambiente en solución de urea concentrada, revelando una vía mecanicista que aísla el impacto de la urea en el despliegue de la proteína por primera vez., En particular, las simulaciones revelan un proceso gradual, a partir de un estado que manifiesta la solvatación preferencial del estado globular por la urea, en comparación con el agua, impulsado al menos en parte por la mayor atracción de Van der Waals de la proteína para la urea. La pérdida de la estructura nativa ocurre con una intrusión inicial en la estructura terciaria predominantemente por urea, seguida solo más tarde por hidratación sustancial, en contraste con la evidencia de hidratación inicial durante la desnaturalización del inhibidor de quimotripsina 2 a temperaturas elevadas (3)., Apreciar las lecciones proporcionadas por estas observaciones requiere cierta conciliación con estudios relacionados sobre las interacciones de la urea con solutos más simples en medios acuosos.
los principios detrás de la desestabilización de las estructuras de proteínas plegadas por la urea acuosa se han discutido activamente durante décadas, con una literatura demasiado grande para resumir aquí. Aunque algunas de las primeras discusiones del mecanismo se centraron en la perturbación de la estructura del agua per se (5), este mecanismo llamado «indirecto» no ha recibido mucho apoyo de experimentos (6) o simulación (ref., 7 and references therein) studies of aqueous urea. Tales estudios implican que la urea se sustituye fácilmente en la red de enlace de hidrógeno del agua, y que no hay segregación de la urea del agua (6). El mecanismo alternativo «directo» implica una interacción causal entre la urea y el polipéptido, una caracterización claramente evidenciada en las vías simuladas (3, 4).
la capacidad de la urea para interactuar con los componentes polares y no polares de las proteínas se reconoció desde el principio como beneficiosa para el poder de desnaturalización (8)., Las investigaciones experimentales (9) y los estudios teóricos (10-13) de sistemas de modelos más pequeños pueden proporcionar pistas sobre los elementos a escala molecular en el contexto de las proteínas. En este contexto, se han presentado dos puntos de vista aparentemente diferentes. Debido a que la urea actúa para mejorar la solubilidad acuosa de todos los hidrocarburos menos los más pequeños (14), una inferencia lógica fue que la urea debilitó la interacción hidrofóbica, al estabilizar la solvatación del estado proteico desplegado donde un mayor número de cadenas laterales no polares están expuestas a la solución., La fuerza motriz de la solvatación preferencial del péptido por urea derivada de las interacciones de Van der Waals, identificada claramente en las nuevas simulaciones (4), enriquece la disponibilidad de urea para la hidratación hidrofóbica. La ganancia de entropía de solventes cuando el agua inicialmente limitada por la hidratación hidrofóbica es desplazada por la molécula de urea más grande (10, 11, 13) también parece mejorar este efecto (13)., Estudios separados (12) han proporcionado resultados que apoyan una base predominantemente electrostática para la actividad de la urea, y la desestabilización de una hélice polipeptídica por urea acuosa se correlaciona claramente con la Asociación preferencial de la urea con grupos polares troncales y cadenas laterales cargadas. Un grupo de simulaciones a gran escala de cada uno de los 22 trip péptidos recubiertos de glicina en solución acuosa de urea (11) ha proporcionado las preferencias de contacto entre los átomos de cada residuo central y la urea, en relación con el agua., El hallazgo es que, con la excepción de los residuos con cadenas laterales cargadas, siempre se prefiere la urea al agua. Esta preferencia aumenta monótonamente con el aumento de la hidrofobicidad de la cadena lateral; la columna vertebral atrae la urea, y las cadenas laterales hidrofóbicas mejoran este efecto.
volviendo luego a la vía de desnaturalización tan claramente vista en estas nuevas simulaciones (4), uno puede preguntarse cómo integrar estos diversos estudios cuidadosos entre sí., En primer lugar, la identificación de un papel importante de la atracción de Van der Waals en la solvatación preferencial de péptidos de urea (4) ayuda a explicar la creciente preferencia de la urea por cadenas laterales no polares cada vez más grandes. Más importante aún, ¿por qué la urea domina el agua en la etapa más temprana de la penetración estructural? Además de las interacciones atractivas que acabamos de mencionar, se sospecha el papel del confinamiento. El agua líquida forma una red de enlace de hidrógeno tetraédrico 3D que llena el espacio (15) que es notablemente adaptable a la presencia de intrusos hidrofílicos e hidrofóbicos.,»Sin embargo, el confinamiento en una dimensión reducida es incompatible con la satisfacción de la red, con costes entálpicos y entrópicos sustanciales, que incluso conducen en algunos casos a la congelación de la temperatura ambiente (16). La Urea también puede formar una estructura de red, evidente en su forma cristalina y compuestos clatratos no polares, pero en solución concentrada parece formar fácilmente cadenas y grupos (6). La capacidad demostrada de interactuar preferentemente con enlaces de hidrógeno troncales (12) agrega una tercera fuerza impulsora para la entrada de la urea en las interfaces de pliegue de proteínas., Las tendencias iniciales conducen en un tiempo bastante corto a un estado desplegado (después de 100 ns) que revela claramente una mejora sustancial en el contacto entre la urea y el agua con cadenas laterales hidrofóbicas, y el efecto se ve claramente mejorado cuando el hidrógeno solvente o cosolvente se une con la columna vertebral polar (4).
las nuevas simulaciones de proteínas, combinadas con los estudios anteriores de sistemas modelo, proporcionan una imagen clara de la actividad de la urea tanto en la termodinámica de los Estados nativos y desnaturalizados como a lo largo de la ruta entre ellos., Parece claro que la capacidad de la urea acuosa para actuar como un solvente para los grupos no polares y polares juega un papel vital. Es la cualidad crítica que determina la urea – primera vía escalonada. La penetración de una molécula como la urea, que tiene una afinidad tanto para la solvatación polar como no polar, en las interfaces interiores de proteínas se entiende fácilmente a partir de la visualización de un prototipo. En La Fig. 1, una interfaz entre las hélices en un núcleo de proteína plegada particular se muestra con un mapa de potenciales electrostáticos de superficie., Como es evidente en este mapa, hay una polaridad considerable presente en tales interfaces, a pesar de que normalmente se les asigna un origen principalmente hidrofóbico. La propensión a un potencial electrostático positivo significativo en el interior de las proteínas se ha identificado como típica de una variedad de motivos de pliegues (18). Vale la pena enfatizar que la evidencia colectiva muestra que todos los componentes clave de las fuerzas intermoleculares (atracción de Van der Waals, electrostática, enlace de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas) juegan un papel significativo en la creación de estas afinidades relativas., Correspondientemente, uno debe permanecer un tanto escéptico de los cálculos cuantitativos basados en los potenciales del modelo cuando se opera en dominios termodinámicos y de composición inexplorados.
potenciales electrostáticos mapeados en la superficie de una representación de cilindro de estructura secundaria simplificada (izquierda) y en el área de superficie accesible al solvente de cada hélice (derecha; hélices cilíndricas amarillas) en el núcleo formado por las hélices A, G y H en apomioglobina (17)., Los potenciales electrostáticos de rojo a azul corresponden al rango de -5 kT / e a +5 kT / e, donde k es la constante de Boltzmann, e es la magnitud de la carga de electrones, y T se toma como 298 K. (figura cortesía del Dr. Carlos F. López, Departamento de Biología de sistemas, Harvard Medical School, Boston.)
es de gran interés para preguntar acerca de la capacidad para generalizar la urea desnaturalización mecanismo. Por ejemplo, los enfoques importantes para el estudio de la dinámica de plegamiento de proteínas se inician a partir de Estados obtenidos por diversas condiciones de desnaturalización (19)., ¿De qué manera estos estados iniciales son potencialmente diferentes? ¿El ion guanidinio se desnaturaliza sustancialmente por el mismo mecanismo y vía que la urea? Los resultados de la simulación muestran que este cosolvente iónico tiene un efecto más dramático en la interacción entre solutos cargados que la urea (12). Estudios estructurales experimentales muestran que el ion guanidinio está extremadamente débilmente hidratado (9), por lo que este ion voluminoso también podría asociarse con superficies hidrofóbicas (9, 12). Una pregunta más sutil es la relación de la desnaturalización de la urea con los efectos» indirectos » de la presión y la temperatura., ¿Hay que hacer una comparación racional a escala molecular o termodinámica entre la solvatación de grupos no polares y Polares en agua fría o a alta presión y en soluciones desnaturalizantes, y hay una estrecha analogía estructural en las vías de desnaturalización? Se ha argumentado que la desnaturalización inducida por frío y presión debe verse como la penetración del agua en dominios hidrofóbicos, en lugar de en términos de la solubilidad de los hidrofóbicos en agua líquida (20), por lo que no es un estiramiento de la imaginación creer que hay conexiones que hacer., Cuando se combinan dos o más perturbaciones, como la desnaturalización inducida por urea con un calentamiento moderado, ¿cuán similares son las vías y los estados finales a los que se accede? La comparación de los resultados hasta el momento (3, 4) sugiere que las vías son diferentes. Con los evidentes avances que se están haciendo en los procesos que se pueden simular y medir en las mismas escalas de tiempo y longitud, no deberíamos tener que esperar demasiado para aprender las respuestas a estas preguntas.
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