Влияние давления на гидратацию белков

Вклад воды в структуру белков

Гидратация очень важна для формирования трехмерной структуры и активности белков [146]. При недостатке воды в белках наблюдается спад активности, тогда как в растворе белки имеют конфирмационную гибкость, которая охватывает широкий диапазон состояний гидратов, а не наблюдаемых в кристалле или в неводных средах. Равновесие между этими состояниями зависит от активности воды в ближайшем окружении, от того, насколько вода свободна для гидратации белка [147].

Свертывание (фолдинг) белков зависит от тех же факторов, которые управляют слипанием гидрофобных поверхностей [97], несовместимость между водой уменьшенной плотности и гидрофобной поверхностью заставляет такие группы формировать гидрофобное ядро. Считается, что биологическая активность белков зависит от формирования двумерной сетки водородных связей, которая охватывает большую часть поверхности белка и объединяет все приповерхностные водные кластеры, образованные водородными связями [148]. Такая водная сеть может передавать информацию вокруг белка и управлять динамикой белка, например, движением его доменов.

Гидрофобные взаимодействия обусловлены уменьшением энтропии при контакте неполярных групп с водой. Рассмотрим молекулу воды рядом с поверхностью, с которой эта молекула не может образовать водородную связь. Несовместимость этой поверхности с водой уменьшенной плотности, которая образуется над такой поверхностью, стимулирует минимизацию площади поверхности приводит к формированию третичной структуры белков. Такой гидрофобный коллапс обязательно сопровождается и управляется формированием вторичной структуры с водородных связей между соответствующими пептидными цепочками параллельно с их десольватации. Движущей силой этого процесса является освобождение и выход воды, затем деградирует другие центры в переполненных внутриклеточных средах и увеличивает суммарную энтропию системы. Подобные факторы работают и при четвертичной организации белков. Таким образом, вода является неотъемлемым участником процесса свертывания белков.

Денатурация

Присутствие воды является критической не только для правильного свертывания белков, но также и для сохранения их структуры. Денатурация (развертывания) белков при нагреве и потеря ими биологической активности связаны с разрывом двумерной сетки из молекул воды, охватывает белок, которая ограничивает или сдерживает вибрационную динамику белка [149]. Можно допустить, что необходимо для разрыва энергия определяет величину барьера U для перехода из нативного в активированное состояние N → (см. Тему 5). Тогда указанная выше независимость U от размера объекта свидетельствует о существовании критической величины конформационного искажения молекулы белка, достаточного для проникновения воды в глобулы. Показателем прочности сетки водородных связей может служить кислотность среды рH, которая влияет на скорость инактивации микроорганизмов (и денатурации белков) (см. Тему 9). Величина рН снижается с повышением температуры и давления, увеличивает вероятность разрыва.

Свободная энергия реакции денатурации белка Формируется совместными эффектами сворачивания/разворачивания и сопутствующими изменениями гидратации неполярных и полярных групп белка. Эти взносы в значительной степени компенсируют друг друга, так что свободная энергия стабилизации типичного белка Составляет всего 10-20 ккал/моль, тогда как изменения энтальпии ∆ И ∆

(и умноженной на температуру изменение энтропии T∆ И T∆ )

Могут отличаться более чем на ± 120 ккал/моль [97, 150, 151]. Удивительно, что полученные нами значения активационного барьера U для инактивации микроорганизмов (см. Табл. 7.1, 7.3) попадают в указанный интервал энергий стабилизации .

Таким образом, стабильность белка зависит от баланса между изменениями энтальпии и энтропии. Изменение свободной энергии Гиббса (см. Рис. 10.1) при переходе белка из нативного в денатурированное состояние И определяется эффектами развертывания полярных и неполярных групп .= ∆ - T∆ + ∆ - T∆ . Там, где ∆ наблюдается тепловая (при Т > Т2 ) и холодовая (при Т < ) денатурация, которая в зависимости от обстоятельств может протекать быстро или непомерно медленно. Область существования нативного состояния ˂ Т < Определяет температурный оптимум активности белка (тема 2).

Основываясь на указанных выше фактах, проиллюстрируем зависимость стабильности белка от давления. Подытоживая характерные изменения вкладов от развертывания полярных и неполярных групп, получаем свободную энергию Гиббса (см. Рис. 10.2) для перехода белка из нативного в денатурированное состояние ∆ = ∆ + ∆ + P∆ +P∆ + P∆ Область давлений выше некоторого критического давления Р > РС соответствует денатурированном состояния белка. Скорость денатурации при попадании системы в эту область определяется величиной активационного барьера, слагаемое U в котором одинаковый для термо- и бароденатурации и связан с разрывом двухмерной сетки водородных связей.

Рис.10.2 - Иллюстрация зависимости свободной энергии денатурации от давления [4]

Влияние давления на скорость денатурации определяется суммарным изменением объема при заполнении водой внутренних полостей белка и гидратации развернутых полярных и неполярных групп ∆V = ∆ +∆ + ∆ Область существования нативного состояния