Het is een al lang bestaande veronderstelling dat de aanwezigheid van water van invloed is op hoe eiwitten zich vouwen. Een nieuwe studie daagt de details uit.

Een paper in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters laat zien dat eiwitten die vermoedelijk zijn geëvolueerd om water te vermijden terwijl ze zich vouwen, zich mogelijk gedragen op manieren die wetenschappers niet hadden verwacht.

Die ontdekking zou kunnen veranderen hoe wetenschappers denken over hydrofobe (watervermijdende) en hydrofiele (wateraantrekkende) interacties in oplossingen, volgens een ingenieur van Rice University.

Medewerkers van de Rice en Tulane-universiteiten en de Johns Hopkins University School of Medicine creëerden modellen van polypeptiden op atoomniveau die lieten zien dat vouwing ook wordt beïnvloed door thermische uitzetting van de oplosmiddelen die ze innemen, maar niet op een manier die overeenkomt met eerdere aannames.

De lang gekoesterde opvatting is dat hydrofobe aminozuren, die water vermijden door zo efficiënt mogelijk samen te komen, zijn een dominante kracht bij het vouwen van eiwitten, zei Dilip Asthagiri, een associate research professor van chemische en biomoleculaire engineering aan Rice's Brown School of Engineering.

De nieuwe studie toont temperatuur, een factor die niet altijd wordt meegenomen in eiwitvouwmodellen, heeft ook invloed op het fenomeen. Dat zou moeten leiden tot een herbeoordeling van hoe eiwitten die in een oplossing vouwen, worden gestabiliseerd, volgens de onderzoekers.

"Er zijn veel eiwitten die intrinsiek ongeordend zijn en helemaal niet vouwen, " zei Asthagiri. "Een manier waarop het niet-vouwen is gerationaliseerd, is door te kijken naar de balans van hydrofobe groepen en geladen groepen en, ervan uitgaande dat de laatste domineren, concluderen dat het polypeptide niet vouwt.

"We toonden in 2017 aan dat in een model van een intrinsiek ongeordend peptide dat geen zijketens heeft, hydrofiele effecten kunnen in feite de ineenstorting overweldigen die wordt veroorzaakt door de nog steeds substantiële hydrofobe effecten en de ontvouwing aandrijven, zelfs bij afwezigheid van geladen resten, " zei hij. "Die studie en de studie die eerder in 2016 werd gepubliceerd, benadrukten de rol van hydrofiele effecten. Maar we hebben niet gekeken naar temperatuureffecten."

Dus het team onder leiding van Asthagiri ging aan de slag om precies te modelleren hoe polypeptiden, een classificatie die eiwitten in biologische systemen omvat, vouwen en ontvouwen terwijl ze bij verschillende temperaturen in contact komen met water.

Toen de onderzoekers de vrije energie van een gehydrateerde deca-alanine-peptidesequentie berekenden, samen met zijn zijketens, ze ontdekten dat aantrekkingskrachten tussen het oplosmiddel en het peptide ook een rol spelen, in het bijzonder wanneer er meer dan één peptide bij betrokken is.

Ze ontdekten dat in de temperatuurbereiken die ze hadden gemodelleerd, de matrix van oplosmiddel rond de polypeptiden zet uit bij verhitting, het verminderen van de populatie van oplosmiddelmoleculen die in de buurt zijn en in contact komen met de peptiden. Dit kan bindingsinteracties tussen het oplosmiddel en de peptiden minder gunstig maken.

Ze merkten op dat het effect gering is voor kleine moleculen in een oplosmiddel, maar geamplificeerd voor grotere peptiden en eiwitten. Ze zeiden ook dat de theorie suggereert dat hydrofiele effecten kunnen bijdragen aan de denaturatie, of ontvouwen, van eiwitten in koude oplossingen.

"De oplossingsomgeving levert een belangrijke bijdrage aan de structuur van eiwitten, " zei Tulane chemisch ingenieur en co-corresponderende auteur Lawrence Pratt, een oude mentor van Asthagiri. "Alles wat de oplossing doet, inclusief het water, heeft te maken met hoe deze eiwitten in elkaar zitten en de functies die ze vervullen."

Hij zei dat hydrofobe effecten bij het vouwen van eiwitten al sinds de jaren veertig worden erkend. "Het is nogal een lastige zaak, Hoewel, omdat het ongebruikelijke temperatuurafhankelijkheden heeft, ' zei Pratt. 'Weet je, dingen leven of sterven als je de temperaturen verandert.

"Sommige hydrofobe effecten worden sterker als je de temperatuur verhoogt, zodat de dingen stabieler worden, " zei hij. "Maar Dilip laat zien dat deze toename in kracht met toenemende temperatuur van andere plaatsen kan komen, inclusief effecten waarvan alle chemici zouden zeggen dat ze hydrofiel zijn.

"Zowel hydrofobe als hydrofiele effecten spelen een rol, "zei hij. "En ze concurreren, en ze werken samen. En dus ze op een zeer overtuigende manier individueel kunnen onderscheiden, is een grote stap om al dit gedrag op te lossen."