Beziehung zwischen Konformationsentropie und Proteinfaltung

Diese Frage ist ein Beispiel für ein wichtiges allgemeines Problem in der chemischen Biologie: „Wie entsteht ein geordnetes System, ohne den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen?“ Berget al. adressieren Sie dies wie folgt:

Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtentropie eines Systems und seiner Umgebung bei einem spontanen Vorgang immer zunimmt. Auf den ersten Blick scheint dieses Gesetz vielen gängigen Erfahrungen, insbesondere über biologische Systeme, zu widersprechen. Viele biologische Prozesse, wie die Erzeugung einer wohldefinierten Struktur wie eines Blattes aus Kohlendioxidgas und anderen Nährstoffen, erhöhen deutlich das Ordnungsniveau und verringern somit die Entropie. Die Entropie kann bei der Bildung solcher geordneter Strukturen nur dann lokal verringert werden, wenn die Entropie anderer Teile des Universums um einen gleichen oder größeren Betrag erhöht wird.

Ihre Frage bezieht sich auf die spontane Faltung von Proteinen. Du fragst:

In diesem Zusammenhang bedeutet die Konformationsentropie, dass die Konformationsentropie umso geringer ist, je höher die Stabilität des Proteins ist (glaube ich).

Warum erhöht sich die umgebende Entropie durch das Vergraben von hydrophoben Resten?

Anmerkungen zu Ihrer Interpretation: Verwenden Sie in diesem Zusammenhang nicht den Begriff „Stabilität“. Es ist kein thermodynamischer Begriff und seine Bedeutung ist ungenau. Wenn wir uns Entropie als den Grad der Unordnung oder Zufälligkeit vorstellen, dann können wir sehen, dass Konformationsentropie von den Autoren verwendet wird, um die Entropie des Proteins als eine zufällige Spule zu bezeichnen, die viele verschiedene Strukturen annehmen kann. Dieses hat deutlich eine größere Entropie als das gefaltete Protein mit (näherungsweise) einer einzigen Struktur. Die Annahme der gefalteten Struktur ist thermodynamisch begünstigt, da sie einen Zustand niedrigerer Energie (insbesondere der freien Gibbs-Energie) im Vergleich zu den Zufallsspulenstrukturen darstellt, aber einen Entropieverlust mit sich bringt.

Meine Antwort: Die umgebende Entropie steigt aus folgendem Grund. Die umgebende Entropie ist die der Wassermoleküle, die schwingen und mit anderen Wassermolekülen durch die Ladungen δ+ und δ– auf H bzw. O wechselwirken. In einem System, das ein Protein mit einer Zufallsknäuel enthält, wird die Bewegung dieser Moleküle durch die hydrophoben Seitenketten, auf die sie treffen, eingeschränkt, wodurch sozusagen die Entropie begrenzt wird. Wenn sich das Protein zu einem Kügelchen mit polaren Resten auf seiner Oberfläche faltet, sind die schwingenden Wassermoleküle in ihrer Bewegung weniger eingeschränkt und haben daher eine höhere Entropie.

Weiter fragst du:

Warum gleicht das Vergraben dieser hydrophoben Reste den großen Verlust an Konformationsentropie aus?

Ich denke, vielleicht, weil das ungefaltete Protein aufgrund des hydrophoben Kerns mehr Konformation hat als das Protein, wenn es gefaltet ist, senkt es die mögliche Konformation, weil die hydrophobe Wechselwirkung die Möglichkeiten einschränkt. Habe ich recht?

Meine Antwort: Ich habe das oben allgemein erklärt, als Antwort auf Ihre erste Frage. Wenn Sie eine quantitative, mathematische Begründung wollen, werden Sie gedrängt, eine zu finden. Unter der Annahme, dass keine anderen Faktoren beteiligt sind, nehmen wir an, dass dies aufgrund des zweiten Hauptsatzes so sein muss.

Kommentare zu Ihrer Antwort: Ich verstehe nicht, was Sie mit "es senkt die mögliche Konformation" meinen. Sie können die Anzahl der möglichen Konformationen verringern – Sie können nicht „mögliche Konformationen verringern“. Ich nehme an, Englisch ist Ihre Muttersprache. Sie müssen versuchen, es genauer zu verwenden, wenn Sie über Wissenschaft schreiben (und Ihre Rechtschreibung und Grammatik überprüfen Wenn ich diesen Absatz als Prüfungsantwort markieren würde, würde ich ihn als unverständlich durchstreichen.Das Wichtigste ist, dass Sie eine einzelne Konformation der niedrigsten Energie mit spezifischen schwachen Wechselwirkungen und einer polaren Oberfläche mit a vergleichen Anzahl von Konformationen, die hydrophobe Reste freilegen und die freien Schwingungen der Wassermoleküle einschränken.

Weitere Klarstellung

Das folgende Diagramm veranschaulicht das Problem:

Das Protein wechselt von einem ungeordneten in einen geordneten Zustand, sodass seine Entropie abnimmt:

ΔS _Protein = x , wobei x < 0

Während das Wasser von einem geordneteren in einen weniger geordneten Zustand übergeht, nimmt seine Entropie zu:

ΔS _Wasser = y , wobei y > 0

Und

ΔS _Gesamt = ΔS _Protein + ΔS _Wasser = x + y

Wenn ΔS _Protein + ΔS _Wasser = 0 (x + y = 0) ist, würden wir sagen, dass die Zunahme der Entropie des Wassers die Zunahme der Entropie des Proteins ausgleicht. Damit die Faltung spontan auftritt, muss die Gesamtentropie zunehmen (ΔS _total > 0 , dh x + y > 0) und wir würden die vorherige Aussage in „ mehr als Gegengewichte“ ändern.