Dénaturation des protéines par l’urée: Slash and bond

la stabilité des plis natifs des protéines globulaires est assez remarquable, en ce que cette stabilité est marginale et limitée à une fenêtre relativement étroite de conditions thermodynamiques et de composition en solution (1)., Le développement d’une compréhension approfondie de l’équilibre des forces qui font pencher la balance entre les États natifs et dénaturés en termes de rôles individuels de l’électrostatique, des interactions hydrophobes, de l’entropie des polymères, de la température et de la pression aurait un impact profond sur notre capacité à comprendre les structures natives et les états agrégés anormaux et La détermination de la façon dont le déroulement se produit, c’est-à-dire la voie dynamique par laquelle l’état dénaturé est établi, est encore plus exigeante, mais peut fournir un aperçu du paysage régissant le repliement des protéines (2)., Des simulations antérieures combinant le stress de l’augmentation de la température et le cosolvant dénaturant, l’urée, ont suivi cette voie pendant de courtes périodes (3).

dans ce numéro de PNAS, Hua et al. (4) présenter les résultats d’une simulation de tour de force comprenant plusieurs simulations à la microseconde de la dynamique du lysozyme de température ambiante dans une solution concentrée d’urée, révélant une voie mécaniste isolant pour la première fois l’impact de l’urée sur le déploiement des protéines., En particulier, les simulations révèlent un processus par étapes, à partir d’un État manifestant une solvatation préférentielle de l’état globulaire par l’urée, par rapport à l’eau, entraîné au moins en partie par la plus grande attraction de Van der Waals de la protéine pour l’urée. La perte de structure native se produit avec une intrusion initiale dans la structure tertiaire principalement par l’urée, suivie seulement plus tard par une hydratation substantielle, contrairement à la preuve d’une hydratation initiale pendant la dénaturation de l’inhibiteur de chymotrypsine 2 à des températures élevées (3)., L’appréciation des enseignements tirés de ces observations nécessite un rapprochement avec des études connexes sur les interactions de l’urée avec des solutés plus simples en milieu aqueux.

Les principes de la déstabilisation des structures protéiques pliées par l’urée aqueuse sont activement discutés depuis des décennies, avec une littérature beaucoup trop vaste pour être résumée ici. Bien que certaines des premières discussions sur le mécanisme aient porté sur la perturbation de la structure de l’eau en soi (5), ce mécanisme dit « indirect” n’a pas reçu beaucoup de soutien de l’expérimentation (6) ou de la simulation (réf., 7 et références qui y figurent) études d’urée aqueuse. De telles études impliquent que l’urée se substitue facilement dans le réseau de liaisons hydrogène de l’eau, et qu’il n’y a pas de ségrégation de l’urée de l’eau (6). Le mécanisme alternatif « direct » implique une interaction causale entre l’urée et le polypeptide, une caractérisation clairement mise en évidence dans les voies simulées (3, 4).

la capacité de l’urée à interagir avec les composants polaires et non polaires des protéines a été reconnue très tôt comme bénéfique pour le pouvoir de dénaturation (8)., Les recherches expérimentales (9) et les études théoriques (10-13) de systèmes modèles plus petits peuvent fournir des indices sur les éléments à l’échelle moléculaire dans le contexte des protéines. Dans ce contexte, deux points de vue apparemment différents ont été avancés. Étant donné que l’urée agit pour améliorer la solubilité aqueuse de tous les hydrocarbures (14) sauf les plus petits, une inférence logique a été que l’urée affaiblissait l’interaction hydrophobe, en stabilisant la solvatation de l’état protéique déplié où un plus grand nombre de chaînes latérales non polaires sont exposées à la solution., La force motrice pour la solvatation préférentielle du peptide par l’urée résultant des interactions de Van der Waals, identifiée clairement dans les nouvelles simulations (4), enrichit la disponibilité de l’urée pour une hydratation hydrophobe. Gain d’entropie du solvant lorsque l’eau initialement contrainte par une hydratation hydrophobe est déplacée par la molécule d’urée plus grande (10, 11, 13) semble également renforcer cet effet (13)., Des études distinctes (12) ont fourni des résultats qui soutiennent une base principalement électrostatique pour l’activité de l’urée, et la déstabilisation d’une hélice polypeptidique par l’urée aqueuse est clairement corrélée à une association préférentielle de l’urée avec des groupes polaires dorsaux et des chaînes latérales chargées. Un groupe de simulations à grande échelle de chacun des 22 tri peptides coiffés de glycine dans une solution aqueuse d’urée (11) a fourni les préférences de contact entre les atomes de chaque résidu central et l’urée, par rapport à l’eau., Le constat est que, à l’exception des résidus avec les chaînes latérales chargées, l’urée est toujours préférable à l’eau. Cette préférence augmente de manière monotone avec l’augmentation de l’hydrophobicité de la chaîne latérale; l’épine dorsale attire l’urée et les chaînes latérales hydrophobes renforcent cet effet.

En revenant ensuite à la voie de dénaturation si clairement vue dans ces nouvelles simulations (4), on peut se demander comment intégrer ces différentes études minutieuses entre elles., Premièrement, l’identification d’un rôle important de L’attraction de Van der Waals dans la solvatation préférentielle des peptides de l’urée (4) aide à expliquer la préférence croissante de l’urée pour des chaînes latérales non polaires de plus en plus grandes. Plus important encore, pourquoi l’urée domine-t-elle l’eau au stade le plus précoce de la pénétration structurelle? En plus des interactions attrayantes qui viennent d’être mentionnées, on soupçonne le rôle de l’enfermement. L’eau liquide forme un réseau de liaisons hydrogène tétraédriques 3D remplissant l’Espace (15) qui est remarquablement adaptable à la présence d’intrus hydrophiles et hydrophobes., »Néanmoins, le confinement dans une dimension réduite est incompatible avec la satisfaction du réseau, avec des coûts enthalpiques et entropiques importants, conduisant même dans certains cas à un gel à température ambiante (16). L’urée peut également former une structure de réseau, évidente dans sa forme cristalline nette et ses composés clathrates non polaires, mais en solution concentrée, elle semble former facilement des chaînes et des grappes (6). La capacité démontrée d’interagir préférentiellement avec les liaisons hydrogène de l’épine dorsale (12) ajoute encore une troisième force motrice pour l’entrée de l’urée dans les interfaces du pli protéique., Les tendances initiales conduisent en un temps assez court à un état déplié (après 100 ns) qui révèle clairement une amélioration substantielle du contact entre l’urée et l’eau avec des chaînes latérales hydrophobes, et l’effet est clairement renforcé lorsque le solvant ou le cosolvent se lie à l’épine dorsale polaire (4).

Les nouvelles simulations de protéines, combinées aux études antérieures de systèmes modèles, fournissent une image claire de l’activité de l’urée à la fois sur la thermodynamique des États natifs et dénaturés et le long de la voie entre eux., Il semble clair que la capacité de l’urée aqueuse à agir comme solvant pour les groupes non polaires et polaires joue un rôle essentiel. C’est la qualité critique qui détermine la voie étape par étape de l’urée. La pénétration d’une molécule telle que l’urée, ayant une affinité pour la solvatation polaire et non polaire, dans les interfaces intérieures des protéines est facilement comprise à partir de la visualisation d’un prototype. Dans La Fig. 1, une interface entre les hélices dans un noyau protéique plié particulier est représentée avec une carte des potentiels électrostatiques de surface., Comme il est évident dans cette carte, il y a une polarité considérable présente à de telles interfaces, même si on leur attribue normalement une origine principalement hydrophobe. La propension à un potentiel électrostatique positif significatif dans les intérieurs de protéines a été identifiée comme typique d’une variété de motifs de plis (18). Il convient de souligner que les preuves collectives montrent que toutes les composantes clés des forces intermoléculaires (attraction de Van der Waals, électrostatique, liaison hydrogène et interactions hydrophobes) jouent un rôle important dans la création de ces affinités relatives., En conséquence, il faut rester quelque peu sceptique quant aux calculs quantitatifs basés sur les potentiels modèles lorsqu’ils fonctionnent dans des domaines thermodynamiques et de composition inexplorés.

Il est d’un grand intérêt pour poser des questions sur la possibilité de généraliser l’urée dénaturation mécanisme. Par exemple, des approches importantes pour l’étude de la dynamique de repliement des protéines sont initiées à partir d’États obtenus par diverses conditions de dénaturation (19)., En quoi ces états initiaux sont-ils potentiellement différents? L’ion guanidinium se dénature-t-il sensiblement selon le même mécanisme et la même voie que l’urée? Les résultats de Simulation montrent que ce cosolvant ionique a un effet plus dramatique sur l’interaction entre les solutés chargés que l’urée (12). Des études structurelles expérimentales montrent que l’ion guanidinium est extrêmement faiblement hydraté (9), de sorte que cet ion volumineux pourrait également s’associer à des surfaces hydrophobes (9, 12). Une question plus subtile est la relation entre la dénaturation de l’urée et les effets « indirects” de la pression et de la température., Existe-t-il une comparaison rationnelle à l’échelle moléculaire ou thermodynamique entre la solvatation des groupes non polaires et polaires dans l’eau froide ou à haute pression et dans les solutions dénaturantes, et Existe-t-il une analogie structurelle étroite dans les voies de dénaturation? Il a été avancé que la dénaturation induite par le froid et la pression devrait être considérée comme la pénétration de l’eau dans les domaines hydrophobes, plutôt que comme la solubilité des hydrophobes dans l’eau liquide (20), de sorte qu’il n’est pas exagéré de croire qu’il y a des connexions à établir., Lorsque deux perturbations ou plus sont combinées, telles que la dénaturation induite par l’urée avec un chauffage modeste, dans quelle mesure les voies et les états finaux auxquels on accède sont-ils similaires? La comparaison des résultats jusqu’à présent (3, 4) suggère que les voies sont différentes. Avec les progrès évidents réalisés dans les processus qui peuvent être simulés et mesurés sur les mêmes échelles de temps et de longueur, nous ne devrions pas avoir à attendre trop longtemps pour apprendre les réponses à ces questions.