Wie kann man die Entropie von Enzymen oder Proteinen berechnen oder experimentell ermitteln?

In der Praxis ist Entropie, wie Energieberechnungen, eine relative Zahl und schwer zu bekommen. Computational Chem und Bio haben mit gemischtem Erfolg an diesem Problem gearbeitet. Die Zusammenfassung dessen, was ich hier sagen werde, ist, dass, wenn Sie versuchen, die Unterschiede in der Entropie (oder Energie für diese Angelegenheit) zu berechnen, die Unterschiede in der freien Energie von Gibbs in den meisten biologischen Prozessen wie Enzym/Substratbindung, Protein/Protein oder Protein/DNA-Wechselwirkungen oder Proteinfaltung usw. ist im Vergleich zu den Fehlern in diesen Berechnungen so gering, dass die Berechnungen kaum zu glauben sind .

Entropie ist letztendlich ein Begriff, den man zur Berechnung der freien Energie von Gibb verwenden würde, die angibt, ob ein bestimmter chemischer oder molekularer Prozess stattfinden wird. Es ist also eine wertvolle Nummer zu haben. Freie Gibbs-Energie (G) ist gleich Enthalpie (Wärme) minus Temperatur (T) mal Entropieänderung.

G = H - T$\Delta$S

Der entropische Begriff ,$\Delta$S wird in chemischen Systemen oft als eine Änderung der kombinatorischen Änderung des Systems und der Änderung der Wärmekapazität des Systems beschrieben. Der erste davon könnte grob als „Mischbegriff“ beschrieben werden. Wenn mehr als ein Lösungsmittel oder ein Lösungsmittel und ein gelöster Stoff vollständig ineinander diffundieren, wird die Anzahl möglicher Zustände maximiert.

Die Wärmekapazität des Systems steht immer häufiger im Mittelpunkt von Entropieberechnungen für Proteine ​​und biologische Moleküle. Dies liegt daran, dass die Konformationen der biologischen Moleküle, insbesondere ihre Bewegungsfreiheit, vermutlich zum entropischen Teil von G beitragen .

Daher wurde versucht, anhand von NMR und Kristallographie sowie Molekulardynamik abzuschätzen, wie viele Domänen und Seitenketten frei beweglich sind. Leider ist dies nur ein unzureichender Proxy für die biologische Entropie. Ein wesentlicher, wenn nicht dominanter Beitrag zum T$\Delta$S- Begriff kommt von Lösungsmittel .

Wie ist das so? Wassermoleküle bilden Strukturen um Proteine ​​herum, die nicht statisch sind, aber im Durchschnitt viele Wassermoleküle enthalten, um sie in Kristallstrukturen und NMR-Experimenten zu sehen. Während die einzelnen Wässer schnell ausgetauscht werden, befinden sie sich in Wasserlösung nicht in demselben entropischen Zustand wie wenn sie eine Hydrathülle um eine aromatische oder geladene Seitenkette bilden.

Es wurden Versuche unternommen, die Lösungsmittelentropie zu parametrisieren, indem man die vergrabene unpolare Oberfläche in einem gefalteten Protein betrachtet und die Beweglichkeit der Seitenketten vor und nach der Faltung/Bindung betrachtet, aber diese Metriken scheinen bis zu dem Punkt konfigurationsabhängig zu sein, an dem sie es nicht können zumindest bisher die Proteinentropie über diese Bemühungen berechnen.

Herkömmlicherweise versucht die Molekulardynamik dies zu berechnen, indem sie die Proteine ​​oder andere Moleküle mit Wassermolekülen umgibt und eine Annäherung an die Gesamtentropie für das gesamte System berechnet wird. Es stellt sich heraus, dass kleine Unterschiede zwischen den Wassermolekülmodellen und den Vereinfachungen in Ball-and-Stick/Hooke-Potential-Wassermodellen, die wir machen, auch problematische Annäherungen sind, wenn es Hunderte oder Tausende von Wassermolekülen in der Simulation gibt.