Interazioni non covalenti Energia di legame Idrogeno alifatico - C - H· · ·H - C - -0.03 kcal/mol Ponte salino - COO-· · ·+H3N - -5 Dipolo-dipolo C=O · · · O=C +0.3 Ghiaccio - O - H· · ·O - -4 N - H· · ·O= -3 Backbone delle prot. Catena laterale della Phe Cambio di energia libera Acqua etanolo -1 -2.4 • L’IMPORTANZA DELLE CARICHE Legge di Coulomb ΔE = 1 ε q1 · q2 R12 µ=d·z E = -1.32 kcal/mol E = +1.32 kcal/mol E = +0.66 kcal/mol E = -0.66 kcal/mol HCl completamente ionizzato d = 1.27 Å µ = 6.1 Debye µ exp = 1.03 D 17% Preferenziali: Ala Glu Leu Met Sfavoriti: Pro Gly Tyr Ser µ = 3.5 D Interazione elettrostatica tra NH3+ e COO- in Ala che diminuisce all’aumentare della distanza (Ala)4 + Ala- Ala+ NH3+-CH(CH3)-COO- NH3+-CH(CH3)-COOH Ala+ + Ala-Ala +Ala-Ala- + Ala-Ala-Ala-Ala NH2-CH(CH3)-COO- Ala- + Ala- + Ala-Ala-Ala Ala- Ala-Ala- +Ala-Ala-Ala- +Ala-Ala-Ala-Ala- Ala-Ala-Ala- Ala-Ala-Ala-Ala- pK1 pK2 2.34 9.69 3.12 8.30 3.39 8.03 3.42 7.94 In un sistema non perturbato pKα = ΔGo/2.303 RT ΔGc = 2.303 RT (pK’α - pKα) i.e. Alanina pKα imperturbato COO- (Ala)4 3.42 pK’α perturbato COO- Ala 2.34 => ΔGc = 2.303 · 0.6 (2.34-3.42) = -2.5 kcal/mole Interazione elettrostatica abbassa l’energia libera della molecola di 2.5 kcal/mole => dissociazione piu’ facile pKα piu’ basso Effetto dell’ambiente su alcuni gruppi di alcune proteine Lys Acetato-decarbossilasi 6.0 10.4 Glu Carbossi-peptidasi 7.0 4.5 Cys Papaina 3.3 9.5 Subtilisina Proteasi a serina His 64 Agisce da base durante la catalisi accettando un protone da Ser 221 Enzima attivo a pH alcalino quando His 64 non e’ protonata => Attivita’ catalitica varia con il grado di ionizzazione di questo residuo Strategia: Mutagenesi sito-diretta su residui carichi Osservare influenza su pk di His 64 Puo’ questo essere previsto da un modello elettrostatico? Elimino Asp Ser 99 Glu Ser156 Abbassano il pK Dipendenza di kcat/kM dal pH Asp Ser99 Subtilisina Calcolo il potenziale dell’His in presenza di Asp; Calcolo il potenziale dell’His in presenza di Ser: La differenza mi permette di conoscere il ΔpK Nature - 1985 - 314 - p.235 -le interazioni elettrostatiche sono interazioni deboli e quindi dell’ordine di qualche kcal/mol; -le interazioni elettrostatiche possono essere utili nel riconoscimento molecolare: infatti una definita distribuzione delle cariche sulla proteina crea un potenziale elettrostatico utile all’interazione con il suo partner molecolare; -introduzione o eliminazione di cariche possono essere utilizzate per modulare i pK di singole catene laterali; la misura di un parametro in funzione della forza ionica permette di comprendere la sua dipendenza da fattori elettrostatici. Espande quando congela espansione = 1.6 cm3 mole-1 Contrae quando si scioglie fino a 4oC, poi espande nuovamente H-bond in ghiaccio ~ -7 kcal/mole O 2.76 Å µ = 1.8 D O Paragone tra melting e boiling points per molecole di grandezza simile Composto Melting point (K) Boiling point (K) H 2O 273 373 H 2S 190 211 Acido acetico 290 391 Propanone 178 330 Etanolo 156 351 Propano 63 231 Metanammina 181 267 Etano 101 185 L’acqua forma legami idrogeno anche nello stato liquido Affinche’ due molecole in soluzione interagiscano favorevolmente, esse devono superare una perdita di entropia e devono interagire l’una con l’altra in maniera piu’ forte di quello che fanno individualmente con l’acqua. Come esempio, piccole molecole che interagiscono tra esse parimenti che con l’acqua, hanno un KAB = 1/55 M = 0.02 M-1, dove 55 M e’ la concentrazione delle molecole d’acqua, nell’acqua in fase liquida. • KAB= [AB] / [A ] [ B] M-1 • Piccole molecole che interagiscono tra esse parimenti che con l’acqua, hanno un KAB = 1/55 M = 0.02 M-1, dove 55 M e’ la concentrazione delle molecole d’acqua, nell’acqua in fase liquida. CH3 NMA C=O HN CH3 CH3 HN C=O CH3 N-MethylAcetamide Cambiamenti di energia libera per il trasferimento di vari composti dall’etanolo all’acqua a 25OC COMPOSTO ΔG (kcal/mole) ΔG1 (kcal/mole) Glicina -4.63 0 Alanina -3.90 +0.73 Valina -2.94 +1.69 Leucina -2.21 +2.42 Isoleucina -1.69 +2.97 Fenilalanina -1.98 +2.65 Prolina -2.06 +2.60 Contributo di un gruppo CH2 Etano +3.02 - Metano +2.26 - Etano-Metano - +0.76 Alanina-Glicina - +0.73 Leucina-Valina - +0.73 ΔGOTR = -RT ln SH2O / Setan ΔGOTR = -RT ln SH2O Sbenz transferimento di metano da benzene ad acqua ΔH ΔS ΔG CH4 benzene CH4 acqua -2.8 -18 +2.6 CH4 etere CH4 acqua -2.4 -19 +3.3 C2H6 benzene C2H6 acqua -2.2 -20 +3.8 Queste molecole non vogliono essere trasferite verso l’ambiente Idrofilico per un motivo entropico Relazione inversa tra solubilita’ e area richiesta per accomodare il soluto 20 cal mol-1 Å-2 I residui apolari tendono ad aggregare per minimizzare dimensioni clatrato Creazione di cavita’ T4 Lisozima Leu Ala ΔΔG=a+b Δsurf b=20 cal mol-1 Å-2 SCIENCE 1992 - 255 - p.178 processo: Soluto idrofobico in solvente idrofilico1. l1. creazione di una cavità nel solvente; 2. introduzione del soluto nella cavità; 3. riarrangiamento del soluto per ottimizzare interazione e del solvente in modo da ottimizzare l’interazione. 1) Creare cavita’ nel solvente. 2) Introdurre il soluto nella cavita’. 3) Riarrangiamento soluto e solvente per massimizzare interazioni. Il’effetto idrofobico diminuisce al diminuire della temperatura Hydrophobic Effect – causes non-polar compounds to minimize their interaction with water – this is the MAJOR driving force in folding a protein into its native structure Hydrogen Bonds Hydrogen Bond determina specificità E’ importante l’energetica totale -------“Hydrogen Effect” Differente dall’energia di dissociazione del legame idrogeno di un singolo legame, che è equivalente all’entalpia di quel legame L’energetica dipende dall’entalpia di formazione di ognuno dei legami e dai cambi di entropia nel solvente e nei reagenti Analisi di proteine mutanti Ks Costante di dissociazione ΔΔGB negativo => Proteina mutante lega il ligando meno fortemente del wild-type => Ks(mut)>Ks(wt) E+S---ES---E+P ΔGT# = = RT ln ( kBT/h) – RT ln ( kcat/KM) • ΔGT# = ΔGB + ΔG# ΔGT# è costituito da un termine energetico favorevole ΔGB, associato con il legame del substrato e da un termine sfavorevole ΔG#, associato con l’attivazione chimica. KM può essere usato per calcolare ΔGB, mentre kcat può essere utilizzato per determinare ΔG# Cinetica enzimatica ΔGT# = ΔGB + ΔG# • • ΔΔGT= = ΔGT= ( WT) - ΔGT= ( mut) ΔΔGT= = RT ln ( kcat/KM)mut/( kcat/KM)WT ΔΔGT= sarà negativo per mutazioni che hanno diminuito ( kcat/KM) sia per aumento di KM che per Mutazioni che portano ad una riduzione di kcat Tirosil-tRNA sintasi - aminoacilazione del tRNAtyr con tirosina E + Tyr + ATP ETyr-AMP + tRNAtyr [E·TyrAMP] + PPi E + Tyr-tRNAtyr + AMP Strategia: • Eliminare legame idrogeno con mutazione • Verificare struttura • Misura catalitica Ks ≈ 10-9 M ΔΔG=-RTln[(kcat/KM)MUT/(kcat/KM)WT] Fersht et al Nature 1985, 314, 235-238 La delezione di una catena che interagisce con un gruppo non carico del substrato porta ad una perdita di 0.5-1.5 Kcal/mol indipendentemente dalla catena usata. In specificità variazioni da 2-12 volte Elimanata la catena che faceva legame idrogeno Stessa situazione se elimino la catena carica Carica-dipolo Carica-dipolo La elimino da ambedue le parti Delezione di un gruppo che forma un legame idrogeno con un gruppo carico del substrato Interazione carica-dipolo ≠ ΔΔGT ≈ 4 kcal/mol Variazione specificita’ ≈ 103 Interazione dipolo-dipolo Stretching Alcune caratteristiche delle catene laterali δ ε • Studi NMR mostrano che H normalmente su Nε • pK di protonazione ≈ 7 • La carica risuona tra i due N atomi • Deprotonazione pK ≈ 14.4