Stabilità delle proteine

Il ripiegamento di una proteina globulare è chiaramente un processo termodinamicamente favorevole in condizioni fisiologiche. In altre parole, la variazione complessiva di energia libera nel ripiegamento deve essere negativa. Questa variazione complessiva negativa di energia libera è ottenuta come bilancio di molti fattori termodinamici. Il processo di ripiegamento, che comporta il passaggio da una molteplicità di conformazioni ad un avvolgimento casuale a un'unica struttura ripiegata, corrisponde ad una diminuzione del disordine e quindi a una diminuzione di entropia. Questa variazione è definita entropia conformazionale del ripiegamento. L'equazione di energia libera, ΔG=ΔH – TΔS, mostra che questo ΔS negativo, dà un contributo positivo a ΔG: in altre parole, la variazione di entropia conformazionale si contrappone al ripiegamento. Per dare una spiegazione del ΔG negativo del ripiegamento delle proteine, dobbiamo individuare quelle caratteristiche del processo di ripiegamento che danno o un ΔH molto negativo o qualche altro contributo entropico che vada nel senso di un aumento dell'entropia in seguito al ripiegamento. Il contributo principale ad un ΔH negativo è dato dalle interazioni energicamente favorevoli tra i gruppi funzionali all'interno della molecola ripiegata. Queste includono la maggior parte delle interazioni covalenti e non covalenti. Infatti le proteine hanno strutture native relativamente stabili che si formano come risultato di un equilibrio tra le varie forze non covalenti a cui sono soggette: i legami a idrogeno, i legami ionici, le forze di van der Waals e le interazioni idrofobiche. In generale le interazioni chimiche deboli sono attrazioni tra atomi appartenenti o alla stessa molecola (intramolecolari) o a molecole diverse (intermolecolari). A differenza dei legami covalenti che legano gli atomi tra loro, le interazioni chimiche deboli non sono forti abbastanza per legare tra loro atomi isolati. Per questo, le interazioni chimiche deboli si formano e si rompono in continuazione alla temperatura fisiologica dell'organismo, a meno che, cumulandosi in gran numero, esse non diano collettivamente stabilità alle strutture che contribuiscono a generare. Nelle soluzioni acquose, quindi a condizioni fisiologiche, le interazioni ioniche sono relativamente deboli. Le forze di van der Waals sono sempre deboli ma hanno un influenza fondamentale nella struttura delle proteine per il loro numero molto elevato. I legami idrogeno aggiungono, invece, poca stabilità alla struttura di una proteina in quanto questi legami che una proteina forma al suo interno non sono più forti di quelli che la stessa proteina non ripiegata può formare con l'acqua. Ne rimane quindi che le forze idrofobiche rappresentano la forma di interazione principale per il ripiegamento delle proteine nella conformazione nativa.