Informatie

Relatie van conformationele entropie en eiwitvouwing


Ik probeer de relatie tussen conformationele entropie en eiwitvouwing te achterhalen. Ik las het volgende in Lehninger, Principes van biochemie (6e editie):

Het grootste deel van de netto verandering in vrije energie als zwakke interacties binnen een eiwit wordt daarom afgeleid van de verhoogde entropie in de omringende waterige oplossing als gevolg van het begraven van hydrofobe oppervlakken. Dit compenseert ruimschoots het grote verlies aan conformationele entropie als een polypeptide wordt beperkt tot zijn gevouwen conformatie.

In deze context is de betekenis van conformationele entropie dat hoe hoger de stabiliteit van het eiwit is, hoe lager de conformationele entropie is (denk ik).

Waarom neemt de omringende entropie toe vanwege het begraven van hydrofobe resten?

Waarom compenseert het begraven van die hydrofobe resten het grote verlies aan conformationele entropie?

Ik denk dat misschien omdat het ongevouwen eiwit meer conformatie heeft dan het eiwit wanneer het is gevouwen vanwege de hydrofobe kern, het de mogelijke conformatie verlaagt omdat de hydrofobe interactie de mogelijkheden beperkt. Heb ik gelijk?


Deze vraag is een voorbeeld van een belangrijk algemeen probleem in de chemische biologie: "Hoe ontstaat een geordend systeem zonder de tweede wet van de thermodynamica te schenden?" Berg et al. dit op de volgende manier aanpakken:

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de totale entropie van een systeem en zijn omgeving altijd toeneemt voor een spontaan proces. Op het eerste gezicht lijkt deze wet in tegenspraak met veel algemene ervaringen, met name over biologische systemen. Veel biologische processen, zoals het genereren van een goed gedefinieerde structuur zoals een blad van kooldioxidegas en andere voedingsstoffen, verhogen duidelijk het niveau van orde en verminderen dus de entropie. De entropie kan bij de vorming van dergelijke geordende structuren alleen lokaal worden verlaagd als de entropie van andere delen van het universum met een gelijke of grotere hoeveelheid wordt verhoogd.

Uw vraag gaat over de spontane vouwing van eiwitten. Je vraagt:

In deze context is de betekenis van conformationele entropie dat hoe hoger de stabiliteit van het eiwit is, hoe lager de conformationele entropie is (denk ik).

Waarom neemt de omringende entropie toe vanwege het begraven van hydrofobe resten?

Opmerkingen over uw interpretatie: Gebruik in deze context niet de term 'stabiliteit'. Het is geen thermodynamische term en de betekenis ervan is onnauwkeurig. Als we entropie beschouwen als de mate van wanorde of willekeur, dan kunnen we dat zien conformationele entropie wordt door de auteurs gebruikt om de entropie van het eiwit aan te duiden als een willekeurige spoel die veel verschillende structuren kan aannemen. Dit heeft duidelijk een grotere entropie dan het gevouwen eiwit met (bij benadering) een enkele structuur. De toepassing van de gevouwen structuur heeft thermodynamisch de voorkeur omdat het een toestand van lagere energie vertegenwoordigt (met name Gibbs Free Energy) in vergelijking met de willekeurige spoelstructuren, maar een verlies aan entropie met zich meebrengt.

Mijn antwoord: De omringende entropie neemt toe om de volgende reden. De omringende entropie is die van de watermoleculen die vibreren en interageren met andere watermoleculen door middel van de δ+ en δ- ladingen op respectievelijk H en O. In een systeem met een eiwit met een willekeurige spoel wordt de beweging van deze moleculen beperkt door de hydrofobe zijketens die ze tegenkomen, waardoor de entropie als het ware wordt beperkt. Wanneer het eiwit vouwt tot een bolletje met polaire resten op het oppervlak, zijn de trillende watermoleculen minder beperkt in hun beweging en hebben ze dus een hogere entropie.

Verder vraag je:

Waarom compenseert het begraven van die hydrofobe resten het grote verlies aan conformationele entropie?

Ik denk dat misschien omdat het ongevouwen eiwit meer conformatie heeft dan het eiwit wanneer het is gevouwen vanwege de hydrofobe kern, het de mogelijke conformatie verlaagt omdat de hydrofobe interactie de mogelijkheden beperkt. Heb ik gelijk?

Mijn antwoord: Dat heb ik hierboven, in antwoord op uw eerste vraag, in algemene bewoordingen uitgelegd. Als je een kwantitatieve, wiskundige rechtvaardiging wilt, zul je gedwongen worden om er een te vinden. Ervan uitgaande dat er geen andere factoren in het spel zijn, nemen we aan dat dit zo moet zijn vanwege de tweede wet.

Opmerkingen over uw antwoord: Ik begrijp niet wat je bedoelt met "het verlaagt de mogelijke conformatie". Je kunt het aantal mogelijke conformaties verminderen - je kunt de mogelijke conformatie niet verlagen. Ik neem aan dat Engels je eerste taal is. Je moet proberen het preciezer te gebruiken als je over wetenschap gaat schrijven (evenals het controleren van je spelling, grammatica en hoofdletters). Als ik deze paragraaf als een examenantwoord zou markeren, zou ik er een streep door zetten als onbegrijpelijk. Het belangrijkste is dat je een enkele conformatie van de laagste energie met specifieke zwakke interacties en een polair oppervlak vergelijkt met een aantal conformaties die hydrofobe residuen blootleggen en de vrije trillingen van de watermoleculen beperken.

Nadere toelichting

Het onderstaande diagram illustreert het probleem:

Het eiwit verandert van een ongeordende naar een geordende toestand, dus de entropie neemt af:

Seiwit = x , waarbij x < 0

Terwijl het water verandert van een meer geordende naar een minder geordende toestand, neemt de entropie toe:

Swater = y , waarbij y > 0

en

Stotaal = ΔSeiwit + Swater = x + y

Als Seiwit + Swater = 0 (x + y = 0), zouden we zeggen dat de toename van de entropie van het water de toename van de entropie van het eiwit compenseert. Om de vouwing spontaan te laten plaatsvinden, moet de totale entropie toenemen (ΔStotaal > 0 , d.w.z. x + y > 0) en we zouden de vorige verklaring veranderen in "meer dan tegenwicht".