¿Por qué las proteínas se desnaturalizan cuando se calientan?

La mayoría de las proteínas cuaternarias existen en una zona metaestable, el crepúsculo donde todo es justo lo que existe, pero se alterará fácilmente por los cambios, en lugar de la química habitual donde una molécula intenta asumir el menor estado de energía. Esto proporciona la proteína para funcionar y crear la infraestructura dinámica que todos conocemos y amamos (porque a su vez garantiza la función celular adecuada). Pero las estructuras como la queratina están en su equilibrio más bajo, pero ese es un resultado (aparentemente) de la evolución de la química orgánica.

Ahora, cuando calienta un huevo, aumenta la temperatura que rompe sucesivamente esta zona metaestable, lo que resulta en la formación de más enlaces como disulfuro, enlaces de hidrógeno de glutamina, etc., cuando intenta y no vuelve a su estado original. Y la desnaturalización por calor es irreversible porque no hay otro medio de perder esta energía que una mayor formación de enlaces, aunque no pude encontrar ningún papel que indique esto (pero creo que tiene que ver más con su evidencia que con la verdad).

notas al pie

http://csb.stanford.edu/class/pu …

Conceptos convergentes de plegamiento de proteínas

Edición 1: TED-Ed ha hecho un video en youtube discutiendo cómo usar la energía cinética para “re-naturaleza” las moléculas, definitivamente vale la pena.

No soy un experto en el plegamiento de proteínas, pero lo intentaré en base a mi conocimiento limitado.

Una reacción típica de desarrollo de proteínas

Doblado <-> Desplegado

es termodinámicamente “cuesta arriba” con una energía estándar de Gibbs de plegado del orden de ΔG ~ = 8 kJ / mol a 25 grados Celsius (Bionumbers ID 107069). “Cuesta arriba” significa que la mayoría de las proteínas (alrededor del 96%) se pliegan en equilibrio y, por el contrario, ese plegamiento es “cuesta abajo”, es decir, “favorable” a temperatura ambiente.

Digamos que 8 kJ / mol = ΔG = ΔH – TΔS a 25 grados Celsius (298.15 K). Generalmente se argumenta que la principal fuerza impulsora para el plegamiento de proteínas globulares es el efecto hidrofóbico. Como puede ver en la figura a continuación, una bolsa hidrofóbica (roja) requiere la organización del agua para evitar el contacto con la bolsa, por lo que mezclar moléculas hidrofóbicas en el agua requiere ordenar el agua (imponiendo una penalización entrópica). Las moléculas hidrofóbicas individuales (izquierda abajo) imponen una penalización entrópica mayor por molécula que si se agregan (justo debajo) porque el agua solo debe organizarse en la superficie del agregado.

Ahora puede pensar así: si el efecto hidrofóbico es la fuerza dominante que determina el ΔG’0 y su efecto hidrofóbico es de naturaleza entrópica, entonces el aumento de la temperatura debería hacer que el ΔG’0 sea más negativo (-T ΔS) y, por lo tanto, más estable . Esto es cierto hasta cierto punto (la temperatura óptima de plegamiento de la proteína), pero aumentar la temperatura más allá de ese punto tenderá a favorecer el despliegue. ¿Por qué? Porque el efecto hidrofóbico en sí mismo depende de la temperatura.

A medida que aumenta la temperatura, el componente entrópico del efecto hidrofóbico se debilita. El aumento de la temperatura imparte más energía a cada molécula de agua individual. Cuando la energía térmica es suficientemente grande, se vuelve menos importante que se satisfagan los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno en cada molécula de agua, y por lo tanto menos importante que las moléculas hidrofóbicas se agreguen para minimizar su “área de superficie de interacción” con el agua. Parece que el efecto hidrofóbico se vuelve insignificante a temperaturas más altas midiendo la “energía de transferencia” de las moléculas hidrofóbicas, la energía requerida para transferirlas de un solvente hidrofóbico (algo de aceite) al agua. Esta energía de transferencia se convierte en 0 a alrededor de 110 grados centígrados, es decir, a 110 ° C hay una equipartición de estas pequeñas moléculas hidrofóbicas entre el agua y el aceite (ver la referencia de Baldwin a continuación). Como resultado, el ΔG del despliegue tiene una dependencia de la temperatura parabólica, con la proteína volviéndose más estable hasta cierta temperatura crítica y luego disminuyendo la estabilidad más allá de ese punto.

Refs

Chandler, D. (2005). Interfaces y la fuerza motriz del montaje hidrofóbico. Nature 437 , 640–647.

Dill, K. a (1999). Principios de polímeros y plegamiento de proteínas. Proteína Sci. 8 , 1166-1180.

Baldwin, RL (1986). Dependencia de la temperatura de la interacción hidrofóbica en el plegamiento de proteínas. Proc. Natl. Acad. Sci. 83 , 8069–8072.

Becktel, WJ, y Schellman, JA (1987). Curvas de estabilidad de proteínas. Biopolímeros 26 , 1859-1877.

El calor desnaturaliza las proteínas porque hace que los enlaces que las mantienen juntas se rompan.

Los aminoácidos en una cadena de polipéptidos se mantienen unidos por enlaces covalentes, que se forman a partir de electrones compartidos. Estos son los tipos más fuertes de enlaces y son enlaces verdaderos en el sentido de que realmente forman parte de nuevas sustancias. (Un polipéptido es una molécula diferente de los aminoácidos que lo componen). Estos enlaces son realmente difíciles de romper y requieren mucha energía para romperse. La secuencia de aminoácidos se llama estructura primaria, y es todo lo que queda cuando una proteína se desnaturaliza.

Los otros tipos de estructura, secundaria, terciaria y cuaternaria, resultan del plegamiento tridimensional de la cadena polipeptídica. Estos niveles de estructura se mantienen unidos por interacciones más débiles, puentes salinos, enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. (las interacciones son diferentes de los enlaces verdaderos porque no forman nuevas sustancias). Estas interacciones requieren menos energía para interrumpirse.

Entonces, cuando calienta una proteína, agrega energía. Esa energía hace que las moléculas se muevan más rápido y ya no pueden formar esas interacciones. Me gusta pensar en interacciones como dos personas cogidas de la mano. Tú y tu amigo siguen siendo ustedes cuando se toman de la mano, pero ahora están unidos. Si ambos corren, es difícil mantenerse tomados de la mano, y cuanto más rápido corran, más difícil será. Del mismo modo, el calor evita que los aminoácidos interactúen y se separan, linealizando la proteína.

Los enlaces que mantienen las proteínas en su forma adecuada vienen en un par de tipos diferentes. Los más fuertes son los enlaces disulfuro covalentes, que se forman entre dos aminoácidos que contienen azufre. Estos no son interrumpidos por el calor, y de hecho requieren la aplicación de algo como mercaptoetanol (un reactivo de laboratorio) para romperse. Sin embargo, los puentes disulfuro no son suficientes por sí solos para mantener una proteína unida.

La mayor parte de los enlaces en las proteínas se logra mediante interacciones hidrofóbicas y enlaces de hidrógeno. Estos enlaces no son covalentes, y son esencialmente una atracción que hace que los átomos se asocien entre sí. Los enlaces hidrofóbicos tienen más probabilidades de encontrarse en el interior de una proteína, mientras que los enlaces de hidrógeno se producen en toda la estructura. Estos enlaces son bastante débiles y solo se pueden formar si los átomos están lo suficientemente cerca uno del otro. Hay otros tipos de enlaces en una proteína que también funcionan de esta manera, pero estas son las dos categorías más importantes.

La temperatura de una sustancia, en términos físicos, es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas y los átomos dentro de esa sustancia. Si enfría algo, las moléculas se mueven más lentamente. Si calientas algo, las moléculas se mueven más rápido. Cuando calienta una proteína, los átomos que componen la estructura comienzan a vibrar más rápidamente a medida que ganan más energía cinética. Finalmente, las vibraciones se vuelven tan rápidas que el enlace esencialmente se separa porque los átomos ya no pueden mantener su asociación. Una vez que los enlaces de hidrógeno y las interacciones hidrofóbicas desaparezcan, la proteína se desplegará. Esto es desnaturalización.

La estructura terciaria de la proteína se mantiene a través del enlace de hidrógeno, si observa la hélice alfa o la lámina beta, verá la delicada red de enlaces de hidrógeno formada por la estructura de la proteína. A altas temperaturas, estos enlaces de hidrógeno se vuelven inestables, la estructura de la proteína probablemente formará enlaces de hidrógeno con el agua, por lo que se pierde la estructura terciaria de la proteína.

Las proteínas se estabilizan mediante varias interacciones pequeñas, como enlaces de hidrógeno que no son muy fuertes. El calor puede anular estas interacciones causando desnaturalización.

El calentamiento se rompe, desestabiliza las interacciones intramoleculares en la proteína.

Debido a que la estructura de la proteína es altamente dependiente del enlace de hidrógeno y otras interacciones intramoleculares (dentro de la misma molécula) que no son lo suficientemente fuertes, son débiles para resistir el calor.