Estoy tratando de aclarar por qué el plegamiento de proteínas ocurre espontáneamente.
De acuerdo con la termodinámica, el ΔG debe ser negativo para que un proceso ocurra espontáneamente. Cuando una proteína se pliega, la ΔS (Entropía) está disminuyendo, porque la proteína se vuelve más ordenada. Sin embargo, creo que la formación de enlaces (disulfuro y otras interacciones débiles) contrarresta esta entropía creciente desfavorable al formar una entalpía (ΔH) que, por lo tanto, daría como resultado un ΔG negativo.
Sin embargo, vi otra explicación en línea que no aplicaba la fórmula de energía libre de Gibbs a la proteína, sino al agua. Debido a que el agua está más ordenada cuando la proteína está desdoblada, sería favorable según la segunda ley de la termodinámica plegar la proteína porque después de plegarse las moléculas de agua pueden moverse más libremente --> mayor entropía -->ΔG negativo --> espontáneo plegable.
Entonces, mi pregunta es ¿cuál de estos dos (o tal vez ambos) es la causa del plegamiento espontáneo de las proteínas?
Resumen
Cambio de energía libre en transformaciones individuales.
Es una práctica estándar en bioquímica considerar la energía libre de Gibbs de transformación del tipo A → B de forma aislada para determinar si procederá espontáneamente. Una reacción química para la que ΔG es negativo puede generar calor (es decir, tener un cambio de entalpía negativo (ΔH)) que afecta a su entorno acuoso, pero parece justificado considerar la reacción de forma aislada, ya que no tiene sentido que el cambio en la vibración de las moléculas de agua están impulsando o acopladas a la reacción.
Este enfoque se ha aplicado al cambio estructural del plegamiento de proteínas con la conclusión (coherente con la primera explicación) de que el cambio en la entalpía (ΔH) es suficiente para producir un ΔG negativo y, por lo tanto, impulsar el plegamiento de proteínas (Cita 1, a continuación).
Cambio de energía libre en transformaciones acopladas Muchos cambios bioquímicos involucran transformaciones que individualmente tienen un cambio de energía libre positivo, pero que son posibles al acoplarse a otra reacción con cambio de energía libre negativo, de mayor magnitud:
A → B , ΔG 1 = +x
C → D , ΔG 2 = –y
Si y>x y estas dos reacciones están acopladas (generalmente a través de una ruta de reacción compleja en una enzima), entonces tenemos:
A + C → B + D , ΔG total = –ve
Véase también Berg et al.
Aunque uno puede rechazar la segunda explicación en la pregunta tal como está porque ignora el cambio de energía libre en el plegamiento de la proteína, tal vez pretendía significar que el plegamiento de la proteína (A → B) debería considerarse acoplado al cambio en el ambiente del agua (C → D), y que el ΔG negativo para el ambiente acuoso contribuyó más al ΔG general que el del plegamiento de la proteína.
¿Es válido considerar estos dos sistemas como acoplados? En la versión original de mi respuesta argumenté en contra de este punto de vista, pero mis propios argumentos ya no me convencen. El entorno del agua es claramente esencial para el efecto hidrofóbico: el entierro de los residuos hidrofóbicos en el centro de la proteína lejos del agua. Esto es evidente si se considera la misma proteína en un entorno hidrofóbico como una membrana celular: no se plegaría. En las proteínas de membrana, son los residuos hidrofóbicos los que están expuestos a la bicapa lipídica y son sus interiores los que a veces tienen canales hidrofílicos.
Entonces, en este sistema acoplado, ¿cuál es el determinante del cambio de energía libre negativa? Minikel (Cita 2, a continuación) afirma que no hay un cambio de entalpía neto para el plegamiento de la proteína, y es el efecto de la entropía en el ΔG del entorno acuoso lo que impulsa el plegamiento. Indica que este punto de vista está respaldado por la colorimetría diferencial de barrido y, aunque no cita referencias, hay una revisión reciente (aunque bastante compleja) de este tema por parte de Christopher M. Johnson .
Cita 1: Afirmación del papel de ΔH de proteína
La siguiente explicación, tomada de Essential Biochemistry , trata el plegamiento de proteínas de forma aislada y afirma que el cambio en la entalpía es suficiente para producir un cambio negativo de energía libre:
El plegamiento de una proteína también proporciona un ejemplo de los términos "ΔH" y "–TΔS" que compiten entre sí para determinar el ΔG del proceso de plegamiento. Como se describió anteriormente, el cambio en la entropía de la proteína a medida que se pliega es negativo, por lo que el término "–TΔS" es positivo. Sin embargo, además de los efectos entrópicos, existen contribuciones entálpicas al plegamiento de proteínas. Estos incluyen enlaces de hidrógeno, puentes de sal iónica y fuerzas de Van der Waals. Se requiere una entrada de energía térmica (calor) para interrumpir estas fuerzas y, a la inversa, cuando estas interacciones se forman durante el plegamiento de proteínas, liberan calor (el ΔH es negativo). Cuando se sopesan todas estas contribuciones entrópicas y entálpicas, el término de entalpía gana sobre el término de entropía. Por lo tanto, la energía libre del plegamiento de proteínas es negativa,
Cita 2: Refutación del papel de ΔH de la proteína y afirmación del papel del agua
La siguiente explicación, tomada de notas de conferencias en línea de Eric V. Minikel de la Universidad de Harvard, refuta el punto de vista anterior:
Una visión incorrecta y simplista del plegamiento de proteínas es la siguiente. Una proteína desplegada tiene una entropía configuracional alta pero también una entalpía alta porque tiene pocas interacciones estabilizadoras. Una proteína plegada tiene mucha menos entropía, pero también mucha menos entalpía. Hay una compensación entre H y S aquí. Tenga en cuenta que debido a que ΔG = ΔH - TΔS, el aumento de la temperatura pesa más en el término S, lo que significa que la temperatura más alta favorece el desarrollo.
Toda esa explicación solo considera la energía de la proteína y no la del solvente. De hecho, los dominios hidrofóbicos de una proteína restringen las posibles configuraciones del agua circundante (ver la explicación anterior), por lo que su entierro al plegarse aumenta la entropía del agua. Además, resulta que el enlace de hidrógeno de los residuos polares y la columna vertebral se cumple tanto en un estado desplegado (por el agua) como en un estado plegado (uno por el otro). Por lo tanto, la entalpía es "suma cero" y el plegamiento de proteínas está impulsado casi en su totalidad por la entropía.
David