Дисциплина Биофизика белка (7 семестр)

Сворачивание белка должно быть термодинамически благоприятным внутри клетки, чтобы оно было спонтанной реакцией. Поскольку известно, что сворачивание белка является спонтанной реакцией, то она должна принимать отрицательное значение свободной энергии Гиббса . Свободная энергия Гиббса при сворачивании белка напрямую связана с энтальпией и энтропией .  Для возникновения отрицательной дельта G и для того, чтобы сворачивание белка стало термодинамически выгодным, благоприятными должны быть либо энтальпия, либо энтропия, либо оба члена.

Минимизация количества гидрофобных боковых цепей, подвергающихся воздействию воды, является важной движущей силой процесса складывания.  Гидрофобный эффект — это явление, при котором гидрофобные цепи белка коллапсируют в ядро ​​белка (вдали от гидрофильной среды).  В водной среде молекулы воды имеют тенденцию агрегировать вокруг гидрофобных областей или боковых цепей белка, создавая водные оболочки упорядоченных молекул воды. Упорядочивание молекул воды вокруг гидрофобной области увеличивает порядок в системе и, следовательно, способствует отрицательному изменению энтропии (меньше энтропии в системе). Молекулы воды фиксируются в этих водяных клетках, что приводит к гидрофобному коллапсу ., или сворачивание гидрофобных групп внутрь. Гидрофобный коллапс возвращает энтропию в систему за счет разрушения водяных клеток, что высвобождает упорядоченные молекулы воды.  Множество гидрофобных групп, взаимодействующих внутри ядра глобулярно свернутого белка, вносит значительный вклад в стабильность белка после фолдинга из-за значительного накопления ван-дер-ваальсовых сил (в частности, лондонских дисперсионных сил ).  Гидрофобный эффект существует как движущая сила в термодинамике только при наличии водной среды с амфифильной молекулой, содержащей большую гидрофобную область. Прочность водородных связей зависит от их окружения; таким образом, водородные связи, заключенные в гидрофобное ядро, вносят больший вклад, чем водородные связи, находящиеся в водной среде, в стабильность нативного состояния. 

В белках с глобулярными складками гидрофобные аминокислоты, как правило, располагаются вперемешку вдоль первичной последовательности, а не распределяются случайным образом или группируются вместе. Тем не менее, недавно появившиеся de novo белки , которые имеют тенденцию быть внутренне неупорядоченными , демонстрируют противоположный паттерн кластеризации гидрофобных аминокислот вдоль первичной последовательности. 

Гидрофобный коллапс . В компактной складке (справа) гидрофобные аминокислоты (показаны черными сферами) схлопываются по направлению к центру, защищаясь от водной среды.