Denaturarea proteinelor prin uree: Slash și bond

stabilitatea pliurilor native ale proteinelor globulare este destul de remarcabilă, prin faptul că această stabilitate este marginală și limitată la o fereastră relativ îngustă de condiții termodinamice și de compoziție a soluției (1)., Dezvoltarea o înțelegere profundă a echilibrului de forțe care să încline balanța între native și denaturate membre în ceea ce privește rolurilor individuale de electrostatică, interacțiuni hidrofobe, polimer entropie, temperatura, presiunea și ar avea un impact profund asupra capacității noastre de a înțelege nativ structuri anormale și agregate membre și ajutor în dezvoltarea de bio-mimetice sisteme. Determinarea modului în care se desfășoară, adică calea dinamică prin care se stabilește starea denaturată, este și mai solicitantă, dar poate oferi o perspectivă asupra peisajului care guvernează plierea proteinelor (2)., Simulările anterioare care combină stresul cauzat de creșterea temperaturii și cosolventul denaturant, ureea, au urmat această cale pentru perioade scurte de timp (3).

în acest număr al PNAS, Hua și colab. (4) prezintă rezultatele unei simulări tur de forță care cuprinde mai multe simulări de microsecunde lungi ale dinamicii lizozimei la temperatura ambiantă în soluție concentrată de uree, dezvăluind o cale mecanicistă care izolează impactul ureei asupra proteinei care se desfășoară pentru prima dată., În special, simulările relevă un proces etapizat, pornind de la o stare care manifestă o solvare preferențială a stării globulare prin uree, comparativ cu apa, determinată cel puțin parțial de atracția mai mare a Van der Waals a proteinei pentru uree. Pierderea structurii native are loc cu o intruziune inițială în structura terțiară predominant de uree, urmată abia mai târziu de o hidratare substanțială, spre deosebire de dovezile pentru hidratarea inițială în timpul denaturării inhibitorului de chimotripsină 2 la temperaturi ridicate (3)., Aprecierea lecțiilor oferite de aceste observații necesită o anumită reconciliere cu studiile conexe privind interacțiunile ureei cu soluții mai simple în medii apoase.principiile din spatele destabilizării structurilor proteice pliate prin uree apoasă au fost discutate în mod activ de zeci de ani, cu o literatură mult prea mare pentru a rezuma aici. Deși unele dintre primele discuții ale mecanismului s-au concentrat pe perturbarea structurii apei în sine (5), Acest așa-numit mecanism „indirect” nu a primit prea mult sprijin din partea experimentală (6) sau a simulării (ref., 7 și referințe în acestea) studii de uree apoasă. Astfel de studii implică faptul că ureea înlocuiește cu ușurință rețeaua de legături de hidrogen în apă și că nu există o separare a ureei de apă (6). Mecanismul alternativ, „direct” implică o interacțiune cauzală între uree și polipeptidă, caracterizare evidențiată clar în căile simulate (3, 4).capacitatea ureei de a interacționa atât cu componentele nepolare, cât și cu cele polare ale proteinelor a fost recunoscută de timpuriu ca fiind benefică pentru puterea de denaturare (8)., Investigațiile experimentale (9) și studiile teoretice (10-13) ale sistemelor model mai mici pot oferi indicii asupra elementelor la scară moleculară în contextul proteinelor. În acest context, au fost prezentate două puncte de vedere aparent diferite. Pentru că uree acționează pentru a spori solubilitatea apoasă de toate, dar mai mică de hidrocarburi (14), o concluzie logică era că uree slăbit hidrofobe interacțiune, prin stabilizarea solvatare a desfășurat proteine de stat în cazul în care un număr mai mare de non polar lanțuri laterale sunt expuse la soluție., Forța motrice pentru solvarea preferențială a peptidei prin uree care rezultă din interacțiunile Van der Waals, identificate clar în noile simulări (4), îmbogățește disponibilitatea ureei pentru hidratarea hidrofobă. Câștigul de entropie a solventului atunci când apa constrânsă inițial de hidratarea hidrofobă este deplasată de molecula mai mare de uree (10, 11, 13) pare, de asemenea, să sporească acest efect (13)., Studii Separate (12) au furnizat rezultate care să sprijine preponderent electrostatică baza de uree activitate, și de destabilizare a unei polipeptide helix de uree apoasă în mod clar se corelează cu preferențiale asociere de uree cu coloana vertebrală grupe polare și acuzat lanțuri laterale. Un grup de simulări la scară largă a fiecăreia dintre cele 22 de peptide tri cu glicină în soluție apoasă de uree (11) a furnizat preferințele de contact dintre atomii fiecărui reziduu central și uree, în raport cu apa., Constatarea este că, cu excepția reziduurilor cu lanțuri laterale încărcate, ureea este întotdeauna preferată apei. Această preferință crește monoton odată cu creșterea hidrofobicității lanțului lateral; coloana vertebrală atrage ureea, iar lanțurile laterale hidrofobe sporesc acest efect.revenind apoi la calea de denaturare atât de clar văzută în aceste noi simulări (4), se poate întreba cum să integrați aceste diferite studii atente între ele., În primul rând, identificarea unui rol important al atracției Van der Waals în rezolvarea preferențială a peptidelor ureei (4) ajută la explicarea preferinței crescânde a ureei pentru lanțurile laterale nepolare din ce în ce mai mari. Mai important, de ce ureea domină apa în cea mai timpurie etapă de penetrare structurală? Pe lângă interacțiunile atractive menționate, se suspectează rolul de închisoare. Apa lichidă formează o rețea de legături de hidrogen tetraedric 3D care umple spațiul (15), care este remarcabil de adaptabilă la prezența atât a intrușilor hidrofili, cât și a celor hidrofobi.,”Cu toate acestea, izolarea într-o dimensiune redusă este incompatibilă cu satisfacerea rețelei, cu costuri entalpice și entropice substanțiale, chiar conducând, în unele cazuri, la înghețarea temperaturii ambiante (16). Ureea poate forma, de asemenea, o structură de rețea, evidentă în forma sa cristalină îngrijită și în compușii clatrați nepolari, dar în soluție concentrată pare să formeze cu ușurință lanțuri și clustere (6). Capacitatea demonstrată de a interacționa preferențial cu legăturile de hidrogen ale coloanei vertebrale (12) adaugă încă o a treia forță motrice pentru intrarea ureei în interfețele proteice fold., Inițial tendințe duce într-un timp destul de scurt la o stare nepliată (după 100 ns), care evidențiază în mod clar o îmbunătățire substanțială în contact între uree și apă cu lanțuri laterale hidrofobe, iar efectul este clar îmbunătățită atunci când solvent sau cosolvent legături de hidrogen cu polar vertebrală (4).noile simulări de proteine, combinate cu studiile anterioare ale sistemelor model, oferă o imagine clară a activității ureei atât asupra termodinamicii stărilor native și denaturate, cât și de-a lungul căii dintre ele., Se pare clar că capacitatea ureei apoase de a acționa ca solvent atât pentru grupurile nepolare, cât și pentru cele polare joacă un rol vital. Este calitatea critică care determină calea ureei în primul rând. Penetrarea unei molecule, cum ar fi ureea, având o afinitate atât pentru solvare polară cât și nepolară, în interfețe interioare proteice este ușor de înțeles din vizualizarea unui prototip. În Fig. 1, o interfață între helices într-un anumit miez de proteine pliate este prezentată cu o hartă a potențialelor electrostatice de suprafață., După cum este evident în această hartă, există o polaritate considerabilă prezentă la astfel de interfețe, chiar dacă în mod normal li se atribuie o origine în primul rând hidrofobă. Tendința pentru un potențial electrostatic pozitiv semnificativ în interioarele proteice a fost identificată ca fiind tipică pentru o varietate de motive de pliere (18). Merită subliniat faptul că dovezile colective arată că toate componentele cheie ale forțelor intermoleculare (atracția Van der Waals, Electrostatica, legătura de hidrogen și interacțiunile hidrofobe) joacă un rol semnificativ în crearea acestor afinități relative., În mod corespunzător, trebuie să rămânem oarecum sceptici față de calculele cantitative bazate pe potențialul modelului atunci când funcționăm în domenii termodinamice și de compoziție neexplorate.