Enovelamento e Estabilidade de Proteínas

O problema físico de como uma cadeia polipeptídica não estruturada atinge sua dobra nativa única, e o que torna essa dobra marginalmente, mas confiavelmente, estável.

Definition

O enovelamento de proteínas é o processo pelo qual uma cadeia polipeptídica adota sua estrutura tridimensional funcional; a estabilidade é a diferença de energia livre entre esse estado nativo e o conjunto desenovelado.

Scope

Este tópico trata o enovelamento como um problema termodinâmico e cinético: o balanço de energia livre que estabiliza o estado nativo, a transição cooperativa tipo dois estados entre as formas enovelada e desenovelada, e a maneira como as cadeias encontram sua estrutura nativa rapidamente, apesar de um número astronômico de possíveis conformações. Abrange medições de estabilidade e a representação do panorama energético, mas deixa o enovelamento assistido por chaperonas e as doenças de agregação para áreas vizinhas.

Core questions

• Quais contribuições de energia livre tornam uma proteína enovelada estável e por que a estabilidade líquida é geralmente pequena?
• Como uma cadeia localiza sua estrutura nativa sem pesquisar todas as conformações (paradoxo de Levinthal)?
• Por que o enovelamento frequentemente se comporta como uma transição cooperativa, quase de dois estados?
• Como a estabilidade conformacional é medida experimentalmente?

Key theories

Hipótese termodinâmica

A estrutura nativa é o mínimo global de energia livre determinado pela sequência de aminoácidos, como demonstrado pelo reenovelamento reversível da ribonuclease desnaturada por Anfinsen.

Panorama do funil de enovelamento

O enovelamento é um descenso enviesado por um panorama de energia livre em forma de funil, o que resolve o paradoxo de Levinthal porque muitas rotas parcialmente enoveladas levam para baixo em direção ao mínimo nativo, em vez de uma busca aleatória cega.

Mechanisms

A estabilidade nativa surge da soma de interações fracas — ligações de hidrogênio, empacotamento de van der Waals, pontes salinas e o enterramento hidrofóbico de resíduos não polares — compensadas pela grande entropia conformacional perdida no enovelamento, resultando em uma estabilização líquida de apenas dezenas de quilojoules por mol. O enovelamento prossegue pela formação progressiva de estrutura secundária e colapso hidrofóbico ao longo de um panorama em forma de funil, de modo que a cadeia atinge a bacia nativa em escalas de tempo biológicas. Desnaturantes, temperatura ou pH alteram o balanço, e as transições de desenovelamento resultantes são usadas para quantificar a estabilidade.

Clinical relevance

A eficiência e a estabilidade do enovelamento são centrais para entender por que algumas sequências se agregam ou se enovelam incorretamente, um tema conectado a distúrbios de conformação de proteínas; a compreensão da física subjacente é um conhecimento educacional para essa biologia, e não uma orientação clínica.

History

Os experimentos de reenovelamento de Anfinsen na década de 1960 estabeleceram a hipótese termodinâmica; Levinthal então formulou o paradoxo de como o enovelamento poderia ser rápido apesar do vasto espaço conformacional, o que foi resolvido pela representação do panorama energético e do funil de enovelamento desenvolvida na década de 1990.

Key figures

• Christian Anfinsen
• Cyrus Levinthal
• Ken Dill
• Peter Wolynes

Seminal works

• anfinsen1973
• dillchan1997

Frequently asked questions

O que é o paradoxo de Levinthal?

É a observação de que uma proteína não pode se enovelar amostrando aleatoriamente todas as conformações possíveis, porque isso levaria um tempo astronomicamente longo, mas as proteínas reais se enovelam em microssegundos a segundos — implicando que o enovelamento segue rotas enviesadas e descendentes.

As proteínas enoveladas são muito estáveis?

Geralmente apenas marginalmente; a energia livre líquida que estabiliza o estado nativo em relação ao conjunto desenovelado é tipicamente modesta, o que permite que as proteínas se enovelem reversivelmente e permaneçam flexíveis o suficiente para funcionar.