Связь конформационной энтропии и фолдинга белка

Этот вопрос является примером важной общей проблемы химической биологии: «Как возникает упорядоченная система, не нарушая второго начала термодинамики?» Берг и др. решить это следующим образом:

Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия системы и ее окружения всегда увеличивается для самопроизвольного процесса. На первый взгляд кажется, что этот закон противоречит большому количеству общепринятого опыта, особенно в отношении биологических систем. Многие биологические процессы, такие как создание четко определенной структуры, такой как лист, из углекислого газа и других питательных веществ, явно повышают уровень упорядоченности и, следовательно, уменьшают энтропию. Локальное уменьшение энтропии при формировании таких упорядоченных структур возможно только в том случае, если энтропия других частей Вселенной увеличивается на равную или большую величину.

Ваш вопрос касается самопроизвольного сворачивания белков. Ты спрашиваешь:

В этом контексте значение конформационной энтропии состоит в том, что чем выше стабильность белка, тем ниже конформационная энтропия (я думаю).

Почему окружающая энтропия увеличивается из-за захоронения гидрофобных остатков?

Комментарии к вашей интерпретации: Не используйте термин «стабильность» в данном контексте. Это не термодинамический термин, и его значение неточно. Если мы подумаем об энтропии как о степени беспорядка или случайности, то мы увидим, что конформационная энтропия используется авторами для обозначения энтропии белка как случайного клубка, который может принимать множество различных структур. Он имеет явно большую энтропию, чем свернутый белок с (приблизительно) одинарной структурой. Принятие складчатой ​​структуры является термодинамически предпочтительным, поскольку оно представляет собой состояние с более низкой энергией (в частности, свободной энергией Гиббса) по сравнению со структурами со случайными катушками, но влечет за собой потерю энтропии.

Мой ответ: Окружающая энтропия увеличивается по следующей причине. Окружающая энтропия - это энтропия молекул воды, колеблющихся и взаимодействующих с другими молекулами воды посредством зарядов δ+ и δ– на H и O соответственно. В системе, содержащей белок со случайным клубком, движение этих молекул ограничено гидрофобными боковыми цепями, с которыми они сталкиваются, что, так сказать, ограничивает энтропию. Когда белок сворачивается в глобулу с полярными остатками на поверхности, колеблющиеся молекулы воды менее ограничены в своем движении и, следовательно, имеют более высокую энтропию.

Далее вы спрашиваете:

Почему захоронение этих гидрофобных остатков уравновешивает большую потерю конформационной энтропии?

Я думаю, может быть, потому что развернутый белок имеет большую конформацию, чем белок, когда он свернут из-за гидрофобного ядра, он снижает возможную конформацию, потому что гидрофобное взаимодействие ограничивает возможности. Я прав?

Мой ответ: Я объяснил это в общих чертах выше, отвечая на ваш первый вопрос. Если вам нужно количественное математическое обоснование, вам придется его найти. Предполагая, что нет никаких других факторов, мы предполагаем, что это должно быть так из-за второго закона.

Комментарии к вашему ответу: Я не понимаю, что вы имеете в виду под «снижает возможную конформацию». Вы можете уменьшить количество возможных конформаций — вы не можете «понизить возможную конформацию». Я предполагаю, что английский — ваш родной язык. Вы должны стараться использовать его точнее, если собираетесь писать о науке (а также проверять орфографию, грамматику и т. д.). и заглавными буквами). Если бы я помечал этот абзац как ответ на экзамене, я бы перечеркнул его как непонятный. Главное, что вы сравниваете одиночную конформацию низшей энергии, включающую специфические слабые взаимодействия и полярную поверхность, с ряд конформаций, которые обнажают гидрофобные остатки и ограничивают свободные колебания молекул воды.

Дальнейшее уточнение

Диаграмма ниже иллюстрирует проблему:

Белок переходит из неупорядоченного состояния в упорядоченное, поэтому его энтропия уменьшается:

ΔS _белка = x , где x < 0

Тогда как вода переходит из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние, поэтому ее энтропия увеличивается:

ΔS _воды = y , где y > 0

и

ΔS _всего = ΔS _белка + ΔS _воды = x + y

Если ΔS _белка + ΔS _воды = 0 (x + y = 0), мы бы сказали, что увеличение энтропии воды уравновешивает увеличение энтропии белка. Чтобы свертывание произошло спонтанно, общая энтропия должна увеличиться (ΔS _total > 0, т. е. x + y > 0), и мы бы изменили предыдущее утверждение на « больше, чем противовесы».