a estabilidade das dobras nativas das proteínas globulares é bastante notável, na medida em que esta estabilidade é marginal e restrita a uma janela relativamente estreita de condições de composição termodinâmica e Solução (1)., O desenvolvimento de uma compreensão profunda do equilíbrio de forças que inclinar a balança entre o nativo e desnaturado estados em termos dos papéis individuais de eletrostática, interações hidrofóbicas, polímero de entropia, de temperatura, de pressão e teria um impacto profundo sobre a nossa capacidade para entender nativo estruturas e anormal agregados estados e auxílio no desenvolvimento de bio-mimética sistemas. Determinar como ocorre o desdobramento, ou seja, o caminho dinâmico pelo qual o estado desnaturado é estabelecido, é ainda mais exigente, mas pode fornecer uma visão sobre a paisagem que governa o dobramento de proteínas (2)., Simulações anteriores que combinaram a tensão do aumento da temperatura e do cosolvente desnaturante, a ureia, seguiram esta via por curtos períodos de tempo (3).
nesta edição de PNAS, Hua et al. (4) apresentar os resultados de uma simulação de “tour de force” que compreende várias simulações de microssegundos de longa duração da dinâmica da temperatura ambiente da lisozima em solução concentrada de ureia, revelando uma via mecanicista que isola o impacto da ureia no desenvolvimento de proteínas pela primeira vez., Em particular, as simulações revelam um processo gradual, a partir de um estado que manifesta a solvação preferencial do estado globular pela ureia, em comparação com a água, impulsionado pelo menos em parte pela maior atração Van der Waals da proteína pela ureia. A perda da estrutura nativa ocorre com uma intrusão inicial na estrutura terciária predominantemente por ureia, seguida apenas mais tarde por hidratação substancial, em contraste com a evidência de hidratação inicial durante a desnaturação do inibidor de quimotripsina 2 a temperaturas elevadas (3)., Apreciar as lições fornecidas por estas observações requer alguma reconciliação com estudos relacionados sobre as interações da ureia com solutos mais simples em meio aquoso.
os princípios por trás da desestabilização das estruturas proteicas dobradas por ureia aquosa têm sido activamente discutidos durante décadas, com uma literatura muito grande para resumir aqui. Embora algumas das primeiras discussões do mecanismo focassem na perturbação da estrutura da água em si( 5), este chamado mecanismo “indireto” não recebeu muito apoio de experimental (6) ou simulação (ref., 7 e suas referências) estudos de ureia aquosa. Tais estudos implicam que a ureia facilmente substitui a rede de ligação de hidrogénio à água, e que não há separação da ureia da água (6). O mecanismo alternativo “direto” implica uma interação causativa entre a ureia e o polipeptídeo, uma caracterização claramente evidenciada nas vias simuladas (3, 4).
a capacidade da ureia de interagir com componentes não-polares e polares das proteínas foi reconhecida como benéfica para a potência de desnaturação (8)., Investigações experimentais (9) e estudos teóricos (10-13) de sistemas de modelos menores podem fornecer pistas para os elementos de escala molecular no contexto das proteínas. Neste contexto, foram apresentados dois pontos de vista aparentemente diferentes. Uma vez que a ureia atua para aumentar a solubilidade aquosa de todos, exceto os menores hidrocarbonetos (14), uma inferência lógica foi que a ureia enfraqueceu a interação hidrofóbica, estabilizando a solvação do Estado de proteína não-dobrada, onde um maior número de cadeias laterais não polares são expostas à solução., A força motriz para a solvação preferencial do peptídeo pela ureia resultante das interacções de Van der Waals, claramente identificadas nas novas simulações (4), enriquece a disponibilidade de ureia para hidratação hidrofóbica. Ganho de entropia com solvente quando a água inicialmente limitada por hidratação hidrofóbica é deslocada pela molécula de ureia maior (10, 11, 13) também parece aumentar este efeito (13)., Estudos separados (12) forneceram resultados que suportam uma base predominantemente electrostática para a actividade da ureia, e a desestabilização de uma hélice polipeptídica por ureia aquosa está claramente correlacionada com a associação preferencial da ureia com grupos polares de coluna vertebral e cadeias laterais carregadas. Um grupo de simulações em larga escala de cada um dos 22 Tri peptídeos de cobertura glicina em solução aquosa de ureia (11) forneceu as preferências de contacto entre os átomos de cada resíduo central e a ureia, em relação à água., A conclusão é que, à excepção dos resíduos com correntes laterais carregadas, a ureia é sempre preferida à água. Esta preferência aumenta monotonicamente com o aumento da hidrofobicidade da cadeia lateral; a espinha dorsal atrai ureia, e as cadeias laterais hidrofóbicas aumentam este efeito.voltando então para a via de desnaturação tão claramente vista nestas novas simulações (4), pode-se perguntar como integrar estes vários estudos cuidadosos uns com os outros., Em primeiro lugar, a identificação de um papel importante da atração Van der Waals na solvação preferencial de peptídeos da ureia (4) ajuda a explicar a crescente preferência da ureia por cadeias laterais não-polares cada vez maiores. Mais importante, porque é que a ureia domina a água na fase inicial da penetração estrutural? Além das interações atrativas mencionadas, suspeita-se do papel de confinamento. A água líquida forma uma rede 3D tetraédrica de ligação de hidrogênio (15) que é notavelmente adaptável à presença de intrusos hidrofílicos e hidrofóbicos.,”No entanto, o confinamento em uma dimensão reduzida é incompatível com a satisfação da rede, com custos entalpicos e entrópicos substanciais, levando, em alguns casos, ao congelamento da temperatura Ambiente (16). A ureia pode também formar uma estrutura de rede, evidente na sua forma cristalina pura e compostos de clatrato não-polares, mas em solução concentrada parece formar facilmente cadeias e aglomerados (6). A capacidade demonstrada de interagir preferencialmente com as ligações de hidrogénio da coluna vertebral (12) acrescenta ainda uma terceira força motriz para a entrada da ureia em interfaces de dobra proteica., As tendências iniciais levam em um curto espaço de tempo a um estado não dobrado (após 100 ns) que claramente revela um aumento substancial no contato entre ureia e água com cadeias laterais hidrofóbicas, e o efeito é claramente melhorado quando o solvente ou hidrogênio cosolvente se liga com a espinha dorsal polar (4).
as novas simulações proteicas, combinadas com os estudos anteriores de sistemas modelo, fornecem uma imagem clara da actividade da ureia tanto na termodinâmica dos Estados nativos e desnaturados como ao longo da Via entre eles., Parece claro que a capacidade da ureia aquosa de agir como um solvente tanto para grupos polares quanto polares desempenha um papel vital. É a qualidade crítica que determina a via da ureia-primeiro passo. A penetração de uma molécula como a ureia, que tem uma afinidade para a solvação polar e não-polar, em interfaces interiores de proteínas é facilmente compreendida a partir da visualização de um protótipo. Em Fig. 1, uma interface entre as hélices em um determinado núcleo de proteína dobrado é mostrado com um mapa de potenciais eletrostáticos de superfície., Como é evidente neste mapa, há uma polaridade considerável presente em tais interfaces, mesmo que normalmente lhes seja atribuída uma origem principalmente hidrofóbica. A propensão para um potencial eletrostático positivo significativo em interiores proteicos foi identificada como típica de uma variedade de motivos dobrados (18). Vale a pena enfatizar que a evidência coletiva mostra que todos os componentes chave das forças intermoleculares (atração Van der Waals, eletrostática, ligação de hidrogênio e interações hidrofóbicas) desempenham um papel significativo na criação dessas afinidades relativas., Correspondentemente, deve-se permanecer um pouco cético dos cálculos quantitativos baseados em potenciais modelos quando operando em domínios não cartografados termodinâmicos e de composição.
é de grande interesse perguntar sobre a capacidade de generalizar o mecanismo de desnaturação da ureia. Por exemplo, abordagens importantes para o estudo da dinâmica de dobragem de proteínas são iniciadas a partir de Estados obtidos por várias condições de desnaturação (19)., De que forma são estes estados iniciais potencialmente diferentes? A desnaturação do ião guanidínio é substancialmente o mesmo mecanismo e via que a ureia? Os resultados da simulação mostram que este cosolvente iônico tem um efeito mais dramático na interação entre solutos carregados do que a ureia (12). Estudos estruturais experimentais mostram que o íon guanidínio é extremamente hidrato (9), de modo que este íon volumoso também pode se associar com superfícies hidrofóbicas (9, 12). Uma questão mais sutil é a relação da desnaturação da ureia com os efeitos” indiretos ” da pressão e temperatura., Existe uma comparação racional de escala molecular ou termodinâmica a ser feita entre a solvação de grupos não-polares e polares em água fria ou de alta pressão e em soluções desnaturantes, e existe uma analogia estrutural próxima nas vias de desnaturação? Tem sido argumentado que a desnaturação induzida pelo frio e pela pressão deve ser vista como a penetração da água em domínios hidrofóbicos, ao invés de em termos de solubilidade dos hidrofóbicos em água líquida (20), por isso não é um esforço de imaginação para acreditar que existem conexões a serem feitas., Quando duas ou mais perturbações são combinadas, como a desnaturação induzida pela ureia com aquecimento modesto, quão semelhantes são as vias e os estados finais que são acessados? A comparação dos resultados até agora (3, 4) sugere que as vias são diferentes. Com os avanços evidentes que estão sendo feitos nos processos que podem ser simulados e medidos nos mesmos prazos e escalas de tempo, não devemos ter que esperar muito tempo para aprender as respostas a essas perguntas.
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