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F7. Hydrophober Effekt und Proteindenaturierung - Biologie

F7. Hydrophober Effekt und Proteindenaturierung - Biologie


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Das obige Diagramm zeigt ein Maximum der Benzolunlöslichkeit. Wenn Sie die DG-Kurve in diesem Bereich abnehmender Temperatur über den im Diagramm gezeigten Bereich hinaus extrapolieren, würde sie die X-Achse kreuzen und <0 werden, was bedeutet, dass sich Benzol bevorzugt in Wasser auflöst. Erstreckt sich das Verhalten von Benzol/Wasser-Wechselwirkungen bei niedrigen Temperaturen (die löslicher wird, wenn die Temperatur von der maximalen Temperatur wegen seiner Unlöslichkeit verringert wird) auf das Proteinverhalten bei niedriger Temperatur und sagt es voraus? (Die folgenden Abbildungen zeigen die Analogie zwischen der Löslichkeit von Benzol in Wasser und der Proteindenaturierung.

Abbildung: Analogie zwischen Benzollöslichkeit in Wasser und Proteindenaturierung

In der Abbildung steht F für eine Phe-Seitenkette, die vergraben, wie im nativen Zustand des Proteins vom Wasser sequestriert und wie im denaturierten Zustand Wasser ausgesetzt werden kann.) Die Antwort lautet Ja, bei niedriger Temperatur. Die Analogie zu Benzol, das bei niedriger Temperatur besser löslich ist, besteht darin, dass die hydrophoben Seitenketten in einem Protein mit größerer Wahrscheinlichkeit in Wasser umgewandelt werden, wodurch das Protein denaturiert wird. Das Verhalten bei niedriger Temperatur würde eine Denaturierung von Proteinen bei niedriger Temperatur vorhersagen. Dieses Phänomen wurde beobachtet. Beachten Sie, dass es keine Änderung in einen Zustand erfordert, wenn die unpolaren Seitenketten es vorziehen, in Wasser zu sein. Schon eine Änderung in diese Richtung könnte ausreichen, um das Gleichgewicht zu ändern und zur Denaturierung des marginal stabilen Proteins zu führen. Bitte beachten Sie, dass wir versuchen, die thermodynamischen Parameter, die mit der Löslichkeit von Benzol in Wasser verbunden sind, auf die Denaturierung eines Proteins zu extrapolieren, NICHT AUF DIE LÖSLICHKEIT EINES PROTEINS IN WASSER!

Was ist mit hoher Temperatur? Proteine ​​denaturieren, wenn die Temperatur bis zu dem Bereich ansteigt, in dem die DG-Kurve für Benzol einen Peak erreicht. Wenn sich die hydrophoben Reste wie Benzol verhalten, möchten sie vergraben bleiben und nicht ins Wasser übergehen, wenn die Temperatur auf das Maximum in der DG-Kurve ansteigt. Daher sagt dies voraus, dass das Protein stabiler werden sollte. Was erklärt dann die Denaturierung von Proteinen bei hoher Temperatur? Ein weiterer Faktor muss dafür verantwortlich sein. Was ist es?

Erinnern Sie sich an die Konformationsänderungen von trans zu gauche in Fettsäureresten in Liposomen? Wenn die Temperatur erhöht wird, werden mehr Konformationen verfügbar und besetzt. Betrachten Sie ein Protein. Bei niedriger Temperatur gibt es nur einen nativen Zustand und um eine Zahl zu nennen, vielleicht 100 zugängliche denaturierte Zustände. Bei hoher Temperatur gibt es immer noch nur einen nativen Zustand, aber möglicherweise 1000 zugängliche denaturierte Zustände. Stellen Sie sich genauer vor, dass das Protein in einem Ensemble von Konformationen existiert. Mit steigender Temperatur können mehr denaturierte Zustände besetzt werden als bei niedrigeren Temperaturen, was zu einer entropischen Triebkraft führt, die die Entfaltung begünstigt. In welche Richtung würde die Konformationsentropie der Kette das Protein bei hoher Temperatur antreiben? Es würde eindeutig in die meisten Zustände getrieben werden - in den denaturierten Zustand. Daher kann eine moderne Definition des hydrophoben Effekts die Denaturierung bei niedriger Temperatur erklären, jedoch nicht die Denaturierung bei hoher Temperatur.

Erinnern Sie sich, als wir die Thermodynamik der Übertragung aliphatischer Alkohole von Wasser auf den reinen Alkohol diskutierten? Wir entschieden, dass DGo < 0 (günstig), DHo > 0 (ungünstig) und DSo > 0 (günstig) ist. Denken Sie auch daran, dass diese Zahlen bei einer Temperatur abgeleitet wurden. Wir waren etwas überrascht, dass DHo > 0 ist, da dies aus enthalpischer Sicht bedeutet, dass die Alkohol-Wasser-Wechselwirkungen oder die Wasser-Wasser-Wechselwirkungen um die Kohlenwasserstoffkette günstiger sind als die Alkohol-Alkohol-Wechselwirkungen oder Wasser-Wasser-Volumen-Wechselwirkungen . Die Freisetzung von strukturiertem Wasser, das die aliphatische Kette umgibt, wenn der Alkohol in den reinen Alkohol überführt wird, ist die treibende Kraft für die Reaktion. Was passiert bei unterschiedlichen Temperaturen? Ich hoffe, es macht intuitiv Sinn, dass sich die Entropieeffekte mit der Temperatur ändern, wie oben beschrieben. Ebenso macht es Sinn, dass sich die Enthalpie ändert. Daher sind DH und DS für die Übertragung von Amphiphilen in Wasser eine Funktion der Temperatur – d. h. die Reaktion läuft mit einem DCp ab.

Web-Links:

  • Hydrophober Effekt
  • H-Anleihen
  • Demo zum hydrophoben Effekt

Online-Literatur:

  1. K. A. Dill und J. L. MacCallum, The Protein Folding Problem, 50 years on, Science 338, 1042-1046 (2012). (PDF) (Volltext online) (Podcast)
  2. Southall, N. T., K. A. Dill und A.D.J. Haymet. Ein Blick auf den hydrophoben Effekt. Journal of Physical Chemistry B 106: 521-533 (2002). (PDF)
  3. Zusammenfassung der Studien mit kleinen Molekülen (N-Methylacetamid und Benzol)

Es ist klar, dass Proteine ​​nicht allzu stabil sind, und viele Beiträge unterschiedlicher Größenordnung müssen sich summieren, um den Proteinen unter physiologischen Bedingungen eine marginale Stabilität zu verleihen. Hydrophobe Wechselwirkung, im neuen Sinne definiert, muss für die Stabilität eine große Rolle spielen. Da Proteine ​​im Vergleich zu einem denaturierten Zustand so hoch gepackt sind, müssen auch die Londoner Streitkräfte eine wichtige Rolle spielen. (Denken Sie daran, dass Dispersionskräfte von kurzer Reichweite sind und unter den Bedingungen der dichtesten Packung am signifikantesten werden.) Die entgegengesetzte Faltung ist die gerade beschriebene Kettenkonformationsentropie. Da Proteine ​​so marginal stabil sind, kann sogar eine ungepaarte vergrabene ionische Seitenkette oder 1-2 ungepaarte vergrabene H-Bindungs-Donoren und -Akzeptoren im Protein ausreichen, um die native Struktur zu "enträtseln", was zum denaturierten Zustand führt.


Schau das Video: Aminosäuren: Aufbau und Gruppen (Juni 2022).


Bemerkungen:

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