Distribuição de água na superfície proteica conforme os tipos de resíduos

As distribuições dos solventes em torno da enzima BCL considerando os tipos de resíduos (carregados, polares e apolares) são mostradas pelas funções de distribuição soluto-solvente gss na Figura 2.8. Estas funções gss mostram qualitativamente a distribuição de água, sorbitol e uréia em torno das partes específicas da proteína, considerando as características das cadeias laterais dos resíduos de aminoácidos.

Capítulo 2. Solvatação competitiva da enzima BCL por sorbitol, uréia e água

Figura 2. 8 Funções de distribuição soluto-solvente (gss) de acordo com o tipo de resíduo, carregados, polares ou apolares. Solventes, (A-C): água; (D-F): sorbitol; (G-I): uréia. Mo modelo a direita, os tipos de resíduos mais afetados, em cada camada de solvatação, são indicados pelas linhas tracejadas.

A distribuição dos solventes ao redor da proteína toda dada na Figura 2.3 é uma combinação das contribuições em cada parte específica da proteína, mostrado na Figura 2.8. As distribuições de água em torno dos resíduos carregados da enzima BCL são mostradas na Figura 2.8A na ausência e presença dos osmólitos. A adição de sorbitol não possui efeito significativo na afinidade de água por este tipo de resíduo, (observado anteriormente para a proteína toda na Figura 2.3) principalmente na primeira camada

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de solvatação, com sutil deslocamento de água para camadas mais externas. Com isso, podemos sugerir que o sorbitol não aumenta a densidade relativa de moléculas de água nos resíduos carregados, pois o efeito competitivo leva a funções gss muito semelhantes. Por outro lado, é possível ver que a uréia apresenta propriedades contrárias à do sorbitol (Figura 2.8A). O primeiro pico de gss carregados-água diminui quando a uréia é adicionada, indicando que as moléculas de água são substituídas por uréia nos resíduos carregados mais do que o decréscimo da concentração da solução, ou seja, a uréia perturba a hidratação dos resíduos carregados. Interessante notar o efeito que o sorbitol desempenha restaurando a densidade relativa de água em torno da enzima BCL mesmo na presença da uréia, funções gss muito semelhantes na Figura 2.8A, comparação das linhas verde e vermelho no inset.

Anteriormente na Figura 2.3A mostramos que a distribuição de água em torno da enzima BCL é afetada pelo sorbitol, o perfil de gss considerando a proteína toda é muito semelhante ao observado quando consideramos somente os resíduos polares, mostrado na Figura 2.8B. Neste caso, há um aumento no primeiro pico de gss e decréscimo em gss para a camada mais externa, exatamente como observado quando consideramos a proteína toda. Isto deixa claro que o efeito do sorbitol observado ocorre essencialmente nos resíduos polares: sorbitol estabiliza água na primeira camada de solvatação e exclui das camadas mais distantes. Outro aspecto interessante é que a uréia (descrito na Figura 2.3A) afeta negativamente a afinidade de água pela superfície da enzima BCL, observamos agora que este efeito é relativamente pequeno para os resíduos polares, mostrado pelo leve decréscimo na função gss tanto para o primeiro pico quanto para gss da segunda camada de solvatação. Da mesma forma, a mistura contendo os dois osmólitos mais água mostra que o sorbitol atua mantendo a distribuição proporcionalmente igual ao sistema contendo somente o osmólito estabilizante, como descrito anteriormente, isto pode estar associado ao seu efeito estabilizador de proteínas.

A distribuição de água em torno dos resíduos apolares da enzima BCL é mostrada na Figura 2.8C. É possível observar que há pouca influência tanto de sorbitol quanto de uréia, principalmente em curtas distâncias, mantendo as mesmas densidades

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relativas tanto na presença quanto na ausência dos osmólitos. Ademais, é possível observar que o sorbitol promove exclusão de água em regiões mais distantes dos resíduos apolares da proteína, além da primeira camada de solvatação.

Considerando as análises das funções de distribuição gss para os tipos de resíduos, podemos deduzir que a função gss para proteína-água mostrada na Figura 2.3A é uma combinação não trivial das componentes dadas nas Figuras 2.8A-C, das quais podemos tomar algumas conclusões: (1) o decréscimo no primeiro pico de gss proteína- água quando uréia é adicionada no sistema ocorre devido a perturbação ocorrida nos resíduos carregados dado pela forte interação carregados-uréia (Figura 2.8A); (2) o aumento no primeiro pico de gss proteína-água quando sorbitol é adicionado ao sistema é devido ao aumento da afinidade de água pelos resíduos polares, porém não carregados, já que nestes a alteração em gss é mínima (comparar insets das Figuras 2.7A e 2.7B); (3) a exclusão de água nas camadas mais externas, dada pelo menor valor de gss quando sorbitol é adicionado, ocorre em todos os resíduos principalmente nos polares. A uréia também desloca água em camadas mais distantes nos resíduos polares, mas significativamente menos que sorbitol; (4) As funções gss de água-proteína (considerando toda a proteína ou resíduos específicos) mostram que nas misturas com sorbitol e uréia as funções gss se aproximam das funções na presença somente de sorbitol. Portanto, sorbitol restaura a afinidade de água pela proteína, quando perturbada por uréia.

Na seção 2.2.4, foi sugerido que a estabilização das ligações de hidrogênio proteína-água promovida pelo sorbitol pode ser entendida a partir de um mecanismo indireto, dependente das ligações diretas do sorbitol com a superfície proteica, que excluem água da segunda camada de solvatação por efeito estérico. Agora, considerando os tipos de resíduos, podemos mostrar que isto ocorre principalmente nos resíduos polares, consistentemente com a dependência de formação de ligações de hidrogênio proteína-sorbitol. Este efeito é menor nos resíduos apolares, pois as interações do tipo ligações de hidrogênio devem ocorrer somente com o backbone da proteína. Como a densidade de água é baixa nesta região (ver Figura 2.5) as moléculas de sorbitol podem se alocar próximos a estes resíduos sem afetar a distribuição relativa de água. Além

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disso, esta exclusão de água das camadas mais externas ocorre muito sutilmente nos