Información

¿Qué es la energía libre que divide las membranas? ¿Se puede simular?


En primer lugar, ¿existe una definición estricta de "energía libre de partición de membranas"? Está anillado en biología de membranas, pero nunca lo he visto estrictamente definido. El único sitio no académico que muestra Google es este Q&A sobre quora, y la respuesta allí incluso tiene ambigüedad en lo que se define como partición en la membrana. Esto parece del todo confuso.

Además, ¿es posible estudiar los cambios de energía libre tras la partición en GROMACS o con cualquier otra simulación de dinámica molecular? Si no es así, ¿cuáles son los métodos que debería utilizar para determinar la energía libre de la partición?

Se recomiendan enlaces y citas para leer más sobre este tema.


En el contexto biológico, la división de membranas se refiere generalmente a la etapa en la que la región de una proteína destinada a la transmembrana pasa de interactuar con el agua a interactuar con la interfaz de la membrana.

En el siguiente diagrama que muestra un ciclo termodinámico de cuatro pasos, la energía libre de partición puede denominarse tal cual ΔGwiu en términos de energía libre donde w es agua, I es la interfaz, y tu se desdobla. La imagen proviene del mismo documento que introdujo la famosa escala de interfaz de octanol de Wimley y White de 1999.

Tenga en cuenta que en un artículo más reciente de 2015, comentan que la fase de partición ΔGwiu es generalmente el único paso accesible experimentalmente. Con eso en mente, simulando ΔGesposa dónde F es la hélice plegada se hace necesaria. Este artículo de Nature Comms de 2014 utiliza simulaciones de dinámica molecular de plegado-particionamiento para estimar las energías libres que son experimentalmente inaccesibles. Utilizaron Gomacs 4.5. De hecho, un estudio que utilizó una simulación de 2005 sugiere que el plegado no es necesariamente necesario para la inserción de las hélices.


Tenga en cuenta que toda la información aquí está detrás de un muro de pago. No dudes en pedirme aclaraciones o ampliaciones en los comentarios.


Análisis de energía libre de unión de péptidos en membranas lipídicas mediante simulación de dinámica molecular de átomos combinados con teoría de soluciones

Historial de publicaciones

  • Recibió 18 de agosto de 2017
  • Revisado 14 de diciembre de 2017
  • Publicado online 10 de enero de 2018
  • Publicado publicado el 5 de abril de 2018
Vistas de artículos
Altmétrico
Citas

Las visualizaciones de artículos son la suma compatible con COUNTER de las descargas de artículos de texto completo desde noviembre de 2008 (tanto en PDF como en HTML) en todas las instituciones y personas. Estas métricas se actualizan periódicamente para reflejar el uso previo a los últimos días.

Las citas son la cantidad de otros artículos que citan este artículo, calculadas por Crossref y actualizadas diariamente. Encuentre más información sobre los recuentos de citas de Crossref.

El Altmetric Attention Score es una medida cuantitativa de la atención que ha recibido un artículo de investigación en línea. Al hacer clic en el ícono de la dona, se cargará una página en altmetric.com con detalles adicionales sobre la puntuación y la presencia en las redes sociales del artículo dado. Encuentre más información sobre la puntuación de atención Altmetric y cómo se calcula la puntuación.


Termodinámica química

Algunas reacciones son espontáneas porque emiten energía en forma de calor (H & lt 0). Otros son espontáneos porque conducen a un aumento del desorden del sistema (S & gt 0). Cálculos de H y S se puede utilizar para sondear la fuerza impulsora detrás de una reacción en particular.

Calcular H y S para la siguiente reacción y decida en qué dirección cada uno de estos factores impulsará la reacción.

¿Qué sucede cuando una de las fuerzas impulsoras potenciales detrás de una reacción química es favorable y la otra no? Podemos responder a esta pregunta definiendo una nueva cantidad conocida como Energía libre de Gibbs (GRAMO) del sistema, que refleja el equilibrio entre estas fuerzas.

La energía libre de Gibbs de un sistema en cualquier momento se define como la entalpía del sistema menos el producto de la temperatura por la entropía del sistema.

La energía libre de Gibbs del sistema es una función de estado porque se define en términos de propiedades termodinámicas que son funciones de estado. El cambio en la energía libre de Gibbs del sistema que ocurre durante una reacción es, por tanto, igual al cambio en la entalpía del sistema menos el cambio en el producto de la temperatura por la entropía del sistema.

Si la reacción se ejecuta a temperatura constante, esta ecuación se puede escribir de la siguiente manera.

El cambio en la energía libre de un sistema que se produce durante una reacción se puede medir en cualquier conjunto de condiciones. Si los datos se recopilan en condiciones de estado estándar, el resultado es el energía de reacción libre en estado estándar (GRAMO o).

GRAMO o = H o - TS o

La belleza de la ecuación que define la energía libre de un sistema es su capacidad para determinar la importancia relativa de los términos de entalpía y entropía como fuerzas impulsoras detrás de una reacción particular. El cambio en la energía libre del sistema que ocurre durante una reacción mide el equilibrio entre las dos fuerzas impulsoras que determinan si una reacción es espontánea. Como hemos visto, los términos de entalpía y entropía tienen diferentes convenciones de signos.

Por lo tanto, el término de entropía se resta del término de entalpía al calcular GRAMO o para una reacción.

Debido a la forma en que se define la energía libre del sistema, GRAMO o es negativo para cualquier reacción para la cual H o es negativo y S o es positivo. GRAMO o es, por tanto, negativo para cualquier reacción favorecida por los términos de entalpía y entropía. Por tanto, podemos concluir que cualquier reacción para la cual GRAMO o es negativo debe ser favorable o espontáneo.

En cambio, GRAMO o es positivo para cualquier reacción para la cual H o es positivo y S o es negativo. Cualquier reacción por la cual GRAMO o es positivo es, por tanto, desfavorable.

Las reacciones se clasifican como exotérmico (H & lt 0) o endotérmico (H & gt 0) en función de si emiten o absorben calor. Las reacciones también se pueden clasificar como exergónico (GRAMO & lt 0) o endergónico (GRAMO & gt 0) sobre la base de si la energía libre del sistema disminuye o aumenta durante la reacción.

Cuando una reacción se ve favorecida por ambas entalpías (H o & lt 0) y entropía (S o & gt 0), no es necesario calcular el valor de GRAMO o decidir si la reacción debe continuar. Lo mismo puede decirse de las reacciones favorecidas por ninguna entalpía (H o & gt 0) ni entropía (S o & lt 0). Los cálculos de energía libre se vuelven importantes para las reacciones favorecidas por solo uno de estos factores.

Calcular H y S para la siguiente reacción:

Utilice los resultados de este cálculo para determinar el valor de GRAMO o para esta reacción a 25 o C, y explique por qué el NH4NO3 se disuelve espontáneamente en agua a temperatura ambiente.

El equilibrio entre las contribuciones de los términos de entalpía y entropía a la energía libre de una reacción depende de la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción.

Usa los valores de H y S calculado en el problema de práctica 5 para predecir si la siguiente reacción es espontánea a 25 ° C:

La ecuación utilizada para definir la energía libre sugiere que el término de entropía se volverá más importante a medida que aumenta la temperatura.

GRAMO o = H o - TS o

Dado que el término de entropía es desfavorable, la reacción debería volverse menos favorable a medida que aumenta la temperatura.

Predecir si la siguiente reacción sigue siendo espontánea a 50 ° C:

Suponga que los valores de H o y S utilizados en el problema de práctica 7 siguen siendo válidos a esta temperatura.

GRAMO o para una reacción se puede calcular a partir de datos tabulados de energía libre en estado estándar. Dado que no existe un cero absoluto en la escala de energía libre, la forma más fácil de tabular dichos datos es en términos de energías libres de formación en estado estándar, GRAMOF o. Como era de esperar, la energía libre de formación en estado estándar de una sustancia es la diferencia entre la energía libre de la sustancia y las energías libres de sus elementos en sus estados termodinámicamente más estables a 1 atm, todas las mediciones se realizan en condiciones estándar. condiciones estatales.

Ahora estamos listos para hacer la pregunta obvia: ¿Cuál es el valor de GRAMO ¿Cuéntanos sobre la siguiente reacción?

Por definición, el valor de GRAMO o para una reacción mide la diferencia entre las energías libres de los reactivos y los productos cuando todos los componentes de la reacción están presentes en condiciones de estado estándar.

GRAMO Por lo tanto, describe esta reacción solo cuando los tres componentes están presentes a una presión de 1 atm.

los firmar de GRAMO o nos dice la dirección en la que la reacción debe cambiar para llegar al equilibrio. El hecho de que GRAMO o es negativo para esta reacción a 25 o C significa que un sistema en condiciones de estado estándar a esta temperatura tendría que desplazarse hacia la derecha, convirtiendo algunos de los reactivos en productos, antes de que pueda alcanzar el equilibrio. los magnitud de GRAMO o para una reacción nos dice qué tan lejos está el estado estándar del equilibrio. Cuanto mayor sea el valor de GRAMO o, cuanto más lejos tiene que ir la reacción para llegar de las condiciones del estado estándar al equilibrio.

Suponga, por ejemplo, que comenzamos con la siguiente reacción en condiciones de estado estándar, como se muestra en la figura siguiente.

El valor de GRAMO en ese momento será igual a la energía libre del estado estándar para esta reacción, GRAMO o.

A medida que la reacción se desplaza gradualmente hacia la derecha, la conversión de N2 y H2 en NH3, el valor de G para la reacción disminuirá. Si pudiéramos encontrar alguna manera de aprovechar la tendencia de esta reacción a llegar al equilibrio, podríamos hacer que la reacción funcione. Por tanto, se dice que la energía libre de una reacción en cualquier momento es una medida de la energía disponible para realizar un trabajo.

Cuando una reacción abandona el estado estándar debido a un cambio en la relación entre las concentraciones de los productos y los reactivos, tenemos que describir el sistema en términos de energías libres de reacción de estado no estándar. La diferencia entre GRAMO o y GRAMO porque una reacción es importante. Solo hay un valor de GRAMO o para una reacción a una temperatura dada, pero hay un número infinito de posibles valores de GRAMO.

La siguiente figura muestra la relación entre GRAMO para la siguiente reacción y el logaritmo de la base mi del cociente de reacción para la reacción entre N2 y H2 para formar NH3.

Los datos del lado izquierdo de esta figura corresponden a valores relativamente pequeños de Qpag. Por lo tanto, describen sistemas en los que hay mucho más reactivo que producto. El signo de GRAMO para estos sistemas es negativo y la magnitud de GRAMO es largo. Por tanto, el sistema está relativamente lejos del equilibrio y la reacción debe desplazarse hacia la derecha para alcanzar el equilibrio.

Los datos del extremo derecho de esta figura describen sistemas en los que hay más producto que reactivo. El signo de GRAMO ahora es positivo y la magnitud de GRAMO es moderadamente grande. El signo de GRAMO nos dice que la reacción tendría que desplazarse hacia la izquierda para alcanzar el equilibrio. La magnitud de GRAMO nos dice que no tenemos que ir tan lejos para alcanzar el equilibrio.

Los puntos en los que la línea recta de la figura anterior cruza los ejes horizontal y versus de este diagrama son particularmente importantes. La línea recta cruza el eje vertical cuando el cociente de reacción del sistema es igual a 1. Por lo tanto, este punto describe las condiciones de estado estándar y el valor de GRAMO en este punto es igual a la energía libre de reacción en estado estándar, GRAMO o.

El punto en el que la línea recta cruza el eje horizontal describe un sistema para el cual GRAMO es igual a cero. Debido a que no hay una fuerza impulsora detrás de la reacción, el sistema debe estar en equilibrio.

La relación entre la energía libre de reacción en cualquier momento en el tiempo (GRAMO) y la energía de reacción libre en estado estándar (GRAMO o) se describe mediante la siguiente ecuación.

GRAMO = GRAMO o + RT en Q

En esta ecuación, R es la constante del gas ideal en unidades de J / mol-K, T es la temperatura en kelvin, en representa un logaritmo en la base mi, y Q es el cociente de reacción en ese momento.

Como hemos visto, la fuerza impulsora detrás de una reacción química es cero (GRAMO = 0) cuando la reacción está en equilibrio (Q = K).

0 = GRAMO o + RT en K

Por tanto, podemos resolver esta ecuación para la relación entre GRAMO o y K.

GRAMO o = - RT en K

Esta ecuación nos permite calcular la constante de equilibrio para cualquier reacción a partir de la energía libre de reacción en estado estándar, o viceversa.

La clave para comprender la relación entre GRAMO o y K es reconocer que la magnitud de GRAMO o nos dice qué tan lejos está el estado estándar del equilibrio. Cuanto menor sea el valor de GRAMO o, cuanto más se acerca el estado estándar al equilibrio. Cuanto mayor sea el valor de GRAMO o, cuanto más lejos tiene que ir la reacción para alcanzar el equilibrio. La relación entre GRAMO oy la constante de equilibrio para una reacción química se ilustra con los datos de la tabla siguiente.

Valores de G o y K para reacciones comunes a 25 o C

Reacción G o (kJ) K
2 ASÍ3(gramo) 2 ASÍ2(gramo) + O2(gramo) 141.7 1,4 x 10-25
H2O (l) H + (aq) + OH - (aq) 79.9 1,0 x 10-14
AgCl (s) + H2O Ag + (aq) + Cl - (aq) 55.6 1,8 x 10 -10
HOAc (aq) + H2O H + (aq) + OAc - (aq) 27.1 1,8 x 10 -5
norte2(gramo) + 3 H2(gramo) 2 NH3(gramo) -32.9 5,8 x 10 5
HCl (aq) + H2O H + (aq) + Cl - (aq) -34.2 1 x 10 6
Cu 2+ (aq) + 4 NH3(aq) Cu (NH3)4 2+ (aq) -76.0 2,1 x 10 13
Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) -211.8 1,4 x 10 37

Usa el valor de GRAMO o obtenido en el problema de práctica 7 para calcular la constante de equilibrio para la siguiente reacción a 25 ° C:

La constante de equilibrio de una reacción se puede expresar de dos formas: KC y Kpag. Podemos escribir expresiones de constantes de equilibrio en términos de las presiones parciales de los reactivos y productos, o en términos de sus concentraciones en unidades de moles por litro.

Para reacciones en fase gaseosa, la constante de equilibrio obtenida de GRAMO o se basa en las presiones parciales de los gases (Kpag). Para reacciones en solución, la constante de equilibrio que proviene del cálculo se basa en concentraciones (KC).

Utilice los siguientes datos de energía libre de formación en estado estándar para calcular la constante de equilibrio de disociación ácida (Ka) en para ácido fórmico:

Compuesto GRAMOF o (kJ / mol)

Las constantes de equilibrio no son estrictamente constantes porque cambian con la temperatura. Ahora estamos listos para entender por qué.

La energía libre de reacción del estado estándar es una medida de qué tan lejos está el estado estándar del equilibrio.

GRAMO o = - RT en K

Pero la magnitud de GRAMO o depende de la temperatura de reacción.

GRAMO o = H o - TS o

Como resultado, la constante de equilibrio debe depender de la temperatura de reacción.

Un buen ejemplo de este fenómeno es la reacción en la que NO2 se dimeriza para formar N2O4.

Esta reacción se ve favorecida por la entalpía porque forma un nuevo enlace, lo que hace que el sistema sea más estable. La reacción no se ve favorecida por la entropía porque conduce a una disminución del desorden del sistema.

NO2 es un gas marrón y N2O4 es incoloro. Por lo tanto, podemos monitorear hasta qué punto el NO2 se dimeriza para formar N2O4 examinando la intensidad del color marrón en un tubo sellado de este gas. ¿Qué debería pasar con el equilibrio entre NO2 y N2O4 a medida que baja la temperatura?

En aras del argumento, supongamos que no hay ningún cambio significativo en ninguno de los dos. H o o S o a medida que se enfría el sistema. La contribución a la energía libre de la reacción del término de entalpía es, por lo tanto, constante, pero la contribución del término de entropía se hace menor a medida que se baja la temperatura.

GRAMO o = H o - TS o

A medida que el tubo se enfría y el término de entropía se vuelve menos importante, el efecto neto es un desplazamiento del equilibrio hacia la derecha. La siguiente figura muestra lo que sucede con la intensidad del color marrón cuando un tubo sellado que contiene NO2 el gas se sumerge en nitrógeno líquido. Hay una disminución drástica en la cantidad de NO2 en el tubo mientras se enfría a -196 o C.

Usar valores de H o y S o para la siguiente reacción a 25 ° C para estimar la constante de equilibrio para esta reacción a la temperatura del agua hirviendo (100 ° C), hielo (0 ° C), un baño de hielo seco y acetona (-78 ° C) y nitrógeno líquido (-196 ° C):

El valor de GRAMO porque una reacción en cualquier momento nos dice dos cosas. El signo de GRAMO nos dice en qué dirección debe desplazarse la reacción para alcanzar el equilibrio. La magnitud de GRAMO nos dice qué tan lejos está la reacción del equilibrio en ese momento.

El potencial de una celda electroquímica es una medida de qué tan lejos está del equilibrio una reacción de oxidación-reducción. La ecuación de Nernst describe la relación entre el potencial celular en cualquier momento y el potencial celular en estado estándar.

Reorganicemos esta ecuación de la siguiente manera.

nFE = nFE o - RT en Q

Ahora podemos compararlo con la ecuación utilizada para describir la relación entre la energía libre de reacción en cualquier momento en el tiempo y la energía libre de reacción en estado estándar.

GRAMO = GRAMO o + RT en Q

Estas ecuaciones son similares porque la ecuación de Nernst es un caso especial de la relación de energía libre más general. Podemos convertir una de estas ecuaciones en la otra aprovechando las siguientes relaciones entre la energía libre de una reacción y el potencial de celda de la reacción cuando se ejecuta como una celda electroquímica.

Usa la relación entre GRAMO o y mi o para que una reacción electroquímica derive la relación entre el potencial de la celda de estado estándar y la constante de equilibrio para la reacción.


Energía gratis

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Energía gratis, en termodinámica, propiedad similar a la energía o función de estado de un sistema en equilibrio termodinámico. La energía libre tiene las dimensiones de la energía y su valor está determinado por el estado del sistema y no por su historia.La energía libre se utiliza para determinar cómo cambian los sistemas y cuánto trabajo pueden producir. Se expresa en dos formas: la energía libre de Helmholtz. F, a veces llamada función de trabajo, y la energía libre de Gibbs GRAMO. Si U es la energía interna de un sistema, PAGV el producto presión-volumen, y TS el producto temperatura-entropía (T siendo la temperatura por encima del cero absoluto), entonces F = UTS y GRAMO = U + PAGVTS. La última ecuación también se puede escribir en la forma GRAMO = HTS, dónde H = U + PAGV es la entalpía. La energía libre es una propiedad extensa, lo que significa que su magnitud depende de la cantidad de una sustancia en un estado termodinámico dado.

Los cambios en la energía libre, ΔF o ΔGRAMO, son útiles para determinar la dirección del cambio espontáneo y evaluar el trabajo máximo que se puede obtener de los procesos termodinámicos que involucran reacciones químicas o de otro tipo. En un proceso reversible, el trabajo útil máximo que se puede obtener de un sistema a temperatura y volumen constantes es igual al cambio (negativo) en la energía libre de Helmholtz, −ΔF = −ΔU + TΔS, y el trabajo útil máximo a temperatura y presión constantes (que no sea el trabajo realizado contra la atmósfera) es igual al cambio (negativo) en la energía libre de Gibbs, −ΔGRAMO = −ΔH + TΔS. En cada caso, el TΔS El término de entropía representa el calor absorbido por el sistema de un depósito de calor a temperatura. T en condiciones en las que el sistema realiza un trabajo máximo. Por conservación de energía, el trabajo total realizado también incluye la disminución de la energía interna. U o entalpía H según el caso puede ser. Por ejemplo, la energía para el trabajo eléctrico máximo que realiza una batería cuando se descarga proviene tanto de la disminución de su energía interna debido a reacciones químicas como del calor. TΔS absorbe para mantener constante su temperatura, que es el calor máximo ideal que se puede absorber. Para cualquier batería real, el trabajo eléctrico realizado sería menor que el trabajo máximo, y el calor absorbido sería correspondientemente menor que TΔS.

Los cambios en la energía libre pueden usarse para juzgar si los cambios de estado pueden ocurrir espontáneamente. Bajo temperatura y volumen constantes, la transformación ocurrirá espontáneamente, ya sea lenta o rápidamente, si la energía libre de Helmholtz es menor en el estado final que en el estado inicial, es decir, si la diferencia ΔF entre el estado final y el estado inicial es negativo. Bajo temperatura y presión constantes, la transformación de estado ocurrirá espontáneamente si el cambio en la energía libre de Gibbs, ΔGRAMO, es negativo.

Las transiciones de fase proporcionan ejemplos instructivos, como cuando el hielo se derrite para formar agua a 0.01 ° C (T = 273,16 K), con las fases sólida y líquida en equilibrio. Entonces ΔH = 79,71 calorías por gramo es el calor latente de fusión y, por definición, ΔS = ΔH / T = 0.292 calorías por gramo ∙ K es el cambio de entropía. De ello se deduce inmediatamente que ΔGRAMO = ΔHTΔS es cero, lo que indica que las dos fases están en equilibrio y que no se puede extraer ningún trabajo útil de la transición de fase (excepto el trabajo contra la atmósfera debido a cambios de presión y volumen). Además, ΔGRAMO es negativo para T & gt 273,16 K, lo que indica que la dirección del cambio espontáneo es de hielo a agua, y ΔGRAMO es positivo para T & lt 273,16 K, donde tiene lugar la reacción inversa de congelación.


Perfeccionamiento del tratamiento de proteínas de membrana mediante modelos de grano grueso.

Correspondencia a: Arieh Warshel, Departamento de Química, Universidad del Sur de California, SGM 401, 3620 McClintock Avenue, Los Ángeles, CA 90089-1062. Correo electrónico: [email protected] Buscar más artículos de este autor

Departamento de Química, Universidad del Sur de California, Los Ángeles, California, 90089-1062

Departamento de Química, Universidad del Sur de California, Los Ángeles, California, 90089-1062

Departamento de Química, Universidad del Sur de California, Los Ángeles, California, 90089-1062

Departamento de Química, Universidad del Sur de California, Los Ángeles, California, 90089-1062

Correspondencia a: Arieh Warshel, Departamento de Química, Universidad del Sur de California, SGM 401, 3620 McClintock Avenue, Los Ángeles, CA 90089-1062. Correo electrónico: [email protected] Buscar más artículos de este autor

ABSTRACTO

Obtener una descripción cuantitativa de la estabilidad de las proteínas de membrana es crucial para comprender muchos procesos biológicos. Sin embargo, el avance en esta dirección sigue siendo un gran desafío tanto para los estudios experimentales como para el modelado molecular. Una de las posibles direcciones es el uso de modelos de grano grueso, pero dichos modelos deben calibrarse y validarse cuidadosamente. Aquí utilizamos un progreso reciente en estudios de referencia sobre la energética de los residuos de aminoácidos y la inserción de la membrana peptídica y la estabilidad de la proteína de la membrana para refinar nuestro modelo de grano grueso desarrollado previamente (Vicatos et al., Proteínas 201482: 1168). Nuestros parámetros de modelo refinados se ajustaron y / o probaron para reproducir la energía de partición de agua / membrana de las cadenas laterales de aminoácidos y un par de péptidos modelo. Este nuevo modelo proporciona un acuerdo razonable con el experimento de energías libres de plegamiento absoluto de varias proteínas de membrana de barril β, así como los efectos de mutaciones puntuales sobre la estabilidad relativa de una de esas proteínas, OmpLA. Se encontró que la consideración y clasificación de diferentes estados rotaméricos para un residuo mutado era esencial para lograr un acuerdo satisfactorio con los datos de referencia. Proteínas 2016 84: 92-117. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.

Puede encontrar información adicional de apoyo en la versión en línea de este artículo.

Tenga en cuenta: El editor no es responsable del contenido o la funcionalidad de la información de apoyo proporcionada por los autores. Cualquier consulta (que no sea contenido faltante) debe dirigirse al autor correspondiente del artículo.


Resultados

Partición comparativa de membranas de fármacos ionizados

Primero, estudiamos la partición de membrana de SotC y la comparamos con la partición de CisC y MoxZ, cada forma de fármaco representa el estado de protonación dominante en solución acuosa a pH fisiológico. Estudiamos su translocación a través de las membranas POPC utilizando simulaciones de MD de EE. UU., Que permiten un muestreo más eficiente de distribuciones de medicamentos energéticamente desfavorables a través de una membrana lipídica en comparación con las simulaciones de MD no sesgadas convencionales. Estados Unidos trabaja restringiendo las posiciones de las drogas en diferentes valores de z a través de la membrana utilizando un potencial armónico. Por lo tanto, podemos calcular la energía libre para las posiciones del fármaco a lo largo de la normal bicapa, con z = 0 correspondiente al centro de la membrana.

Cuando los 3 medicamentos se encuentran cerca z = 0 (ver Figura 1A), observamos deformaciones sustanciales de la membrana, donde están coordinadas por moléculas de agua y grupos de cabeza de lípidos de una (para CisC) o ambas (para SotC y especialmente para MoxZ) interfaces de membrana. No es sorprendente que tales deformaciones de la membrana conduzcan a sanciones energéticas sustanciales para que los fármacos ionizados se muevan a través de la membrana con los valores máximos en z = 0: alrededor de 18 kcal / mol para MoxZ, 10 kcal / mol para SotC y solo 5 kcal / mol para CisC. Curiosamente, tales diferencias en los valores máximos de energía libre se correlacionan con los momentos dipolares del fármaco MM calculados, que son 41,3 Debye para MoxZ, 15,5 Debye para SotC y 6,8 Debye para CisC para las mismas posiciones y orientación de la molécula de fármaco & # x0201Cstandard & # x0201D (según se define por Software gaussiano). Para MoxZ, la extensa deformación de la membrana exhibida por ambas valvas se debe al amonio cargado positivamente y a los restos carboxilato cargados negativamente en los extremos opuestos de la molécula (Figura 1C). Para SotC, un amonio secundario catiónico y grupos de sulfonamidas polares también pueden atraer moléculas de agua o grupos de lípidos. Tanto SotC como MoxZ pueden estirarse a lo largo de la membrana normal para interactuar con ambas interfaces bicapa. Sin embargo, la situación es diferente para CisC, que también tiene varios grupos funcionales polares y una funcionalidad de amonio terciario cargada positivamente en el centro de la molécula, pero es más flexible que esos medicamentos y parece ser atraído por una interfaz de membrana (ver Figura 1). ). Además, CisC tiene un valle de unión pronunciado de alrededor de & # x022123 kcal / mol a 14 & # x02264 |z| & # x02264 17 & # x000C5. Esto sugiere que, a diferencia de SotC y MoxZ, se acumulará en la interfaz de membrana de agua. La presencia de la depresión de unión también aumentará inadvertidamente una barrera que un fármaco deberá superar para cruzar una membrana de & # x0007E5 a 8 kcal / mol (ver Figura 1B). Estos cálculos sugieren costos energéticos bastante altos pero sorprendentemente diferentes para cruzar la membrana de esta colección de moléculas ionizadas.

Figura 1. Translocación de fármaco ionizado a través de una membrana POPC. (A) Instantáneas representativas de una central (z = 0) ventanas generales de muestreo para d-sotalol catiónico (SotC), cisaprida catiónica (CisC) y moxifloxacina de ion híbrido (MoxZ). Las moléculas de fármaco junto con los átomos de lípidos P (naranja), los iones K & # 43 (violeta) y Cl & # x02212 (cian) se muestran en una representación que llena el espacio. Otros elementos están coloreados de la siguiente manera: C & # x02014gray, H & # x02014white, O & # x02014red, N & # x02014blue, S & # x02014yellow. Las moléculas de agua se muestran como tubos y las colas de lípidos como estructuras de alambre. (B) Perfiles de PMF para el cruce de membranas POPC para 3 fármacos que se muestran en (A). Las barras de error representan medidas de asimetría. (C) Estructuras químicas de esas drogas extraídas mediante el programa MarvinSketch.

Modelos de d-Sotalol

Realizamos un análisis más detallado de los diferentes estados de protonación del d-sotalol, centrándonos en la energética de su cruce de membranas. Como muchos otros fármacos en solución acuosa, el d-sotalol puede existir en varios estados de protonación dependiendo del pH de la solución y otros factores, como la proximidad a residuos de proteínas específicos. Los datos de la literatura indican que p acuosaKa-Los valores de d-sotalol son 8,3 y 9,8 atribuidos a la desprotonación de las funcionalidades de sulfonamida y amonio secundario, respectivamente (Foster y Carr, 1992 Hancu et al., 2014). Esto indica que a pH fisiológico 7,4, SotC es la forma predominante (alrededor del 89%), mientras que la desprotonación de la funcionalidad sulfonamida conduce a una segunda forma SotZ dominante (alrededor del 11%). A un pH más básico, la funcionalidad secundaria de amonio también se desprotona, lo que conduce a una forma aniónica SotA cargada negativamente (Figura 2).

Figura 2. Estados de protonación de d-sotalol. Las estructuras químicas se dibujaron usando el programa ChemDraw. El asterisco (*) indica un átomo de C quiral.

Sin embargo, existe otra posibilidad, en la que la desprotonación del grupo amonio secundario ocurre primero, lo que conduce a una forma neutra de d-sotalol (SotN). De hecho, es probable que exista un equilibrio, y posiblemente una interconversión, entre las formas SotN y SotZ, en la que cualquiera de ellas se ve favorecida según la polaridad del medio circundante. Esperamos que una forma SotN sustancialmente menos polar se vea favorecida en el entorno hidrófobo del interior de la membrana lipídica en base a nuestras simulaciones de MoxZ discutidas anteriormente, mientras que una SotZ más polar podría verse favorecida en solución acuosa. Desafortunadamente, no hay datos experimentales para abordar este problema para el d-sotalol. Realizamos una serie de cálculos de QM implícitos con solventes, que parecen indicar una ligera preferencia por SotN incluso en agua a granel (consulte el texto complementario para obtener más información), pero su precisión es muy incierta. Sin embargo, un estudio experimental reciente que utilizó una combinación de titulación potenciométrica y mediciones de espectrofotometría ha sugerido que alrededor del 90% de la forma zwiteriónica y el 10% de la forma neutra de moxifloxacino están presentes en un rango de pH fisiológico, y que solo una forma neutra contribuye a la partición del fármaco en un no. -ambiente polar de las membranas lipídicas o 1-octanol a menudo utilizado como mimético de la membrana (Langlois et al., 2005). Esto sugiere que es probable que una forma neutra de un fármaco se someta a una translocación de membrana sin ayuda.

Dado que estamos particularmente interesados ​​en el acceso lipofílico de fármacos cardiotóxicos que se sabe que bloquean hERG, hemos desarrollado modelos estándar de d-sotalol compatibles con CHARMM (Klauda et al., 2010) en formas cargadas (SotC) y neutras (SotN). Los momentos dipolares QM y MM para las formas de d-sotalol y las interacciones fármaco & # x02014 agua probadas para las optimizaciones del modelo se muestran en las Figuras 3A, B para SotN y SotC, respectivamente. Las cargas CHARMM optimizadas (Tabla S3) proporcionan una buena concordancia con los valores del dipolo objetivo de QM. Los momentos dipolares MM optimizados apuntan en la misma dirección (& # x0003C1 & # x000B0 diferencia de ángulo entre QM y MM para SotC y SotN) y cada uno está dentro del 20% de diferencia de magnitud (SotN 6% y SotC 14%). Las distancias de interacción del agua estaban todas dentro de 0.4 & # x000C5 de los valores objetivo de QM (ver Tablas S4, S5). El momento dipolar es significativamente mayor para SotC (17,64 Debye), que para SotN (5,98 Debye), como es de esperar para especies cargadas vs. neutrales y de acuerdo con los valores QM. Las energías de interacción con el agua también estuvieron de acuerdo con los valores QM con raíz cuadrada media (RMS) y errores máximos de 0.8 y 1.5 kcal / mol para SotN (Tabla S5) así como 1.6 y 3.0 kcal / mol (ver Tabla S4). para SotC, respectivamente. No era necesario optimizar los parámetros internos (enlace, ángulo, ángulo diedro) para SotC, mientras que para SotN hubo una puntuación de penalización alta para el ángulo de enlace C2-N1-C3 (mostrado por la flecha azul en la Figura 3C), y la optimización produjo una diferencia de 0,86 & # x000B0 (es decir, & # x0003C1 & # x000B0 según sea necesario) entre los valores MM y QM. También para SotN, 7 optimizaciones de parámetros de ángulo diedro produjeron una mejora marcada sobre las conjeturas iniciales de CGENFF (ilustradas en la Figura 3C para el ángulo diedro de SotN C8-C3-N1-C2 resaltado en rosa, con todos los perfiles de exploración diedros que se muestran en la Figura S2), con optimización mínimos de energía de torsión dentro de & # x0007E 0,5 kcal / mol de los valores QM. A modo de comparación, los parámetros diedros de CGENFF sin procesar con altas penalizaciones produjeron diferencias mínimas de energía QM a veces tan altas como & # x0007E2 kcal / mol. Estos parámetros optimizados representan una mejora significativa con respecto a las suposiciones iniciales y deberían producir una energía calculada más precisa a partir de simulaciones de MD.

figura 3. Optimización del parámetro de campo de fuerza CHARMM de d-sotalol. Los momentos dipolares QM (flecha azul) y MM (flecha roja) para neutro, SotN (A), y cargado, SotC (B), se comparan las formas de d-sotalol, y sus interacciones de agua optimizadas QM se muestran mediante líneas azules discontinuas. Una muestra de optimización del ángulo diedro C8-C3-N1-C2 (los enlaces están resaltados en púrpura en la molécula SotN) se muestra en (C), con escaneo de energía calculado QM de referencia en azul, escaneo de energía CGENFF no optimizado en verde y escaneo de energía MM optimizado en rojo, lo que demuestra una mejora notable. El asterisco (*) indica un átomo de C quiral (C1).

En este momento, no pudimos desarrollar modelos empíricos de las formas SotZ y SotA del fármaco (Figura 2), ya que no existe un tipo de átomo de nitrógeno de sulfonamida cargado negativamente en los campos de fuerza biomoleculares de CHARMM o generalizados (CGENFF). La fracción de estas formas en solución acuosa u otros medios es incierta, pero se basa en una barrera de energía libre muy alta para la translocación de moxifloxacina zwiteriónica (Figura 1 y discusión anterior), así como los momentos dipolares muy grandes para SotZ y SotA (ver Tabla S1 y texto complementario), no esperamos que contribuyan sustancialmente a la difusión pasiva de d-sotalol a través de una membrana lipídica, o al acceso lipofílico de este fármaco a hERG u otras proteínas dianas.

También debemos mencionar que el sotalol tiene un centro quiral en el átomo C1 (mostrado por un asterisco en las Figuras 2, 3C), y en este estudio solo nos enfocamos en el enantiómero S, d-sotalol. Sin embargo, los parámetros de campo de fuerza desarrollados también se pueden utilizar para el enantiómero R, l-sotalol, que también se considerará en nuestros estudios posteriores.

Solvatación y orientación de d-Sotalol a través de la membrana

Usamos nuestros modelos SotC y SotN para investigar sus interacciones con una membrana lipídica a medida que se mueven utilizando simulaciones de MD de EE. UU. Para esas simulaciones, aplicamos un muestreo extenso, especialmente importante para la reorientación del fármaco obstaculizada en el interior de la membrana (consulte el texto complementario para obtener más información). También realizamos esas simulaciones con dos populares paquetes de modelado biomolecular, NAMD y CHARMM, siendo el primero más eficiente computacionalmente en nuestro clúster de GPU (Unidad de procesamiento de gráficos). Sin embargo, CHARMM permite usar P21 simetría para tener en cuenta los cambios probables en las áreas de las valvas bicapa superior e inferior a medida que un fármaco se mueve a través de la membrana al mezclar moléculas de lípidos entre ellas a medida que sucede. Establecimos que las propiedades de la membrana lipídica de nuestros sistemas simulados están de acuerdo con los datos experimentales en este caso (ver texto complementario).

Luego comenzamos a investigar las interacciones entre la membrana y el fármaco, primero, observando instantáneas del sistema equilibrado en el centro de la membrana (z = 0 & # x000C5) y región interfacial agua / membrana |z| = 14 & # x000C5, correspondiente al mínimo de energía libre para SotN (ver Figura 4). Se puede ver claramente que tanto las moléculas de fármaco cargadas como las neutrales pueden adaptarse a diferentes orientaciones con respecto a la normal de la membrana y pueden ser solvatadas tanto por moléculas de agua como por grupos de cabeza lipídica incluso en lo profundo del interior de la membrana para SotC de acuerdo con nuestro fármaco múltiple CHARMM. simulaciones mostradas en la Figura 1 y discutidas anteriormente. Curiosamente, que en las instantáneas de simulación NAMD que se muestran en la Figura 4, observamos que SotC mientras se mantiene alrededor del centro de la membrana (z = 0) pueden adoptar diferentes orientaciones de larga duración (ver más abajo) & # x0201C agarrar & # x0201D moléculas de agua y grupos de cabeza lipídica de la interfaz de la membrana superior o inferior, pero no los observó haciendo conexiones interfaciales a ambos folletos, como se observó en nuestro Simulaciones CHARMM (Figura 1).

Figura 4. Instantáneas representativas de d-sotalol cargado (SotC) y neutro (SotN) moviéndose a través de una membrana POPC de simulaciones MD de muestreo de paraguas. Centro de masa de referencia d-sotalol (COM) z las posiciones con respecto a la membrana COM se muestran en la parte superior. Consulte el título de la Figura 1 para obtener información sobre la representación molecular y los colores. Dos estructuras para z = 0 para cada fármaco representa las instantáneas del sistema final de dos simulaciones independientes con una orientación inicial del fármaco diferente (consulte el texto complementario para obtener más información).

A continuación, realizamos un análisis cuantitativo de la solvatación del fármaco que se muestra en la Figura 5. Mientras que SotC y SotN se encuentran en regiones de agua a granel, para |z| & # x0003E 25 & # x000C5 (& # x0007E5 & # x000C5 más allá de los grupos fosfato), están solvatados por & # x0007E5.5 y 5 moléculas de agua, respectivamente. Definimos la región interfacial como 15 & # x0003C |z| & # x0003C 25 & # x000C5, donde se estableció el límite 15 & # x000C5 basado en un espesor hidrófobo de POPC determinado experimentalmente de 28,8 & # x000B1 0,6 & # x000C5 (Kucerka et al., 2011). La coordinación del agua sigue siendo la misma que a granel, hasta que el fármaco llega al interior del núcleo de la membrana, donde observamos una caída mayor en el número de moléculas de agua que solvatan SotN. En el centro de la bicapa, en z = 0 & # x000C5, casi no se encuentran moléculas de agua coordinando el fármaco neutral, mientras que al menos 1,2 moléculas de agua continúan coordinando las especies cargadas. Además, cuando SotC se encuentra en la interfaz o el núcleo hidrofóbico de la membrana, está coordinado por grupos fosfato lipídico y carbonilo, mientras que SotN permanece prácticamente descoordinado por estos grupos funcionales en el núcleo de la membrana y tiene una coordinación similar por el carbonilo O y menor. por átomos de fosfato de O en la región interfacial (Figura 5).

Figura 5. Análisis de la solvatación de d-sotalol a partir de simulaciones MD de muestreo de paraguas. Los números de solvatación de átomos de agua o de oxígeno lipídico dentro de una distancia de corte de 4,25 & # x000C5 de los átomos que no son de hidrógeno de SotC o SotN se calcularon en función de los perfiles de la función de distribución radial integrada (RDF). Consulte la Figura S6 para ver algunos perfiles RDF representativos. Las barras de error que se muestran en todos los gráficos se calculan a partir de asimetrías de perfil.

Tal solvatación da como resultado la orientación preferencial tanto de SotC como de SotN con respecto a la normal bicapa (coincidiendo con la z eje) como se muestra en la Figura 6. No hay una orientación preferida de ambos fármacos en el agua a granel como se esperaba, lo que se ejemplifica con un promedio de & # x003B8 que es alrededor de 90 & # x000B0 y el parámetro de orden es 0 (vea la Figura 6 y los paneles superior derecho en las Figuras S7, S8 para series de tiempo). Existe una fuerte preferencia por que el vector N1 & # x02026 S de ambos fármacos esté alineado con el eje z en la región interfacial externa, es decir, a 20 & # x0003C |z| & # x0003C 25 & # x000C5, mientras que existe cierta tendencia a que los fármacos se encuentren perpendiculares a la normal de la membrana, es decir, en el plano de la membrana (con el parámetro de orden S & # x0003C 0) en las regiones interfacial interna y del núcleo externo a 10 & # x0003C |z| & # x0003C 20 & # x000C5 (consulte las Figuras S7, S8 para ver las series de tiempo). En la región del núcleo interno (| z | & # x0003C 10 & # x000C5) los fármacos vuelven a estar alineados o anti-alineados con el z-eje. Curiosamente, la orientación de SotN y SotC en las regiones interfacial interna y del núcleo parece ser opuesta & # x02014 con SotC favoreciendo la orientación paralela y SotN & # x02014 antiparalela con la membrana normal para las posiciones del fármaco con el negativo. z-valores (Figura 6). Esto resulta de diferentes afinidades relativas de los grupos funcionales SotC y SotN: el grupo amonio catiónico en SotC atrae fuertemente moléculas de agua y grupos de lípidos, mientras que su desprotonación hace que su funcionalidad sulfonamida sea un mejor atractor, lo que lleva a la reorientación de este grupo funcional para estar más cerca de la interfaz de la membrana. Estas interacciones conducen a una rotación obstaculizada (ver Figuras S7, S8) en la escala de tiempo de las simulaciones de MD que realizamos aquí (10 & # x0201315 ns para cada fármaco z) que provocan dificultades en el muestreo de la termodinámica de las interacciones entre fármacos y membranas que se analizan a continuación (consulte el texto complementario para obtener más detalles).

Figura 6. Análisis de volteo de d-sotalol durante simulaciones MD de muestreo de paraguas. (A) Ángulo polar promedio & # x003B8 distribución para N1 & # x02026 S d-sotalol vector con respecto al z eje para el fármaco cargado (SotC, azul) y neutro (SotN, rojo) que se mueve a través de la membrana de POPC. (B) Perfiles de parámetros de orden correspondientes para este vector con respecto al z eje. Las barras de error que se muestran en todos los gráficos se calculan a partir de asimetrías de perfil. Consulte las Figuras S7, S8 para ver algunas series temporales representativas de & # x003B8 (N1 & # x02026 S).

D-Sotalol Energética y Protonación a través de la Membrana

Calculamos los perfiles de energía libre para SotC y SotN que se mueven a través de las membranas de POPC en función del análisis de las fluctuaciones de la posición del fármaco alrededor de las membranas restringidas. z posiciones en simulaciones de MD de EE. UU. como se describe anteriormente. Estos perfiles se muestran en la Figura 7A para las simulaciones NAMD y CHARMM. Para SotN, las diferencias entre las energías libres NAMD y CHARMM están dentro de las incertidumbres (mostradas como barras de error en la Figura 7A), obtenidas como medidas de asimetrías de perfil (ver Figura S9 y texto complementario). Sin embargo, para SotC, la barrera de energía libre es & # x0007E3 kcal / mol menor para CHARMM (11,2 & # x000B1 1,1 kcal / mol) en comparación con NAMD (14,4 & # x000B1 0,1 kcal / mol). Tal disminución de energía libre junto con un perfil de energía libre plana para |z| & # x0003C 3 & # x000C5 puede deberse a P21 transformaciones de grupos de puntos utilizadas en simulaciones CHARMM. Esto también está en línea con las conexiones interfaciales a ambas interfaces bicapa que se ven en estas simulaciones (consulte la Figura 1 y la discusión anterior). Sin embargo, asimetrías relativamente grandes de hasta & # x0007E2 kcal / mol (Figura S9) nos impiden una asignación inequívoca de esta diferencia.

Figura 7. Análisis de la termodinámica de d-sotalol a partir de simulaciones MD de muestreo de paraguas. (A) Perfiles de energía libre o potencial de fuerza media (PMF) para d-sotalol cargado (SotC, azul y cian) y neutro (SotN, rojo y naranja) que se mueve a través de una membrana POPC. En simulaciones CHARMM (cian para SotC y naranja para SotN) P21 se utilizó simetría. Consulte el texto para obtener más detalles. (B) d-sotalol pKa cambios calculados a partir de PMF en (A).

Si comparamos los perfiles de energía libre de SotC y SotN que se muestran en la Figura 7A, veremos diferencias tales como un pico central sustancialmente más alto para SotC, por ejemplo, 14.4 vs. mínimo de & # x022122.8 kcal / mol para SotN en |z| = 14 & # x000C5, similar a uno visto para cisaprida catiónica (Figura 1 y discusión anterior). Tal mínimo indica una acumulación sustancial de fármaco neutro en la interfaz agua-membrana. Curiosamente, prácticamente no existe tal mínimo para SotC, aunque, en la Figura S9, se puede ver un valle poco profundo de & # x0007E-1 kcal / mol en un perfil de PMF no simétrizado. Sin embargo, la diferencia sustancial en las alturas de los picos de SotC y SotN no es inesperada, y también se observó para las cadenas laterales de aminoácidos básicos en nuestras simulaciones anteriores (Li et al., 2008, 2013). Puede explicarse por diferentes mecanismos moleculares que gobiernan la permeación de SotC y SotN: deformaciones sustanciales de la membrana para el primero y deshidratación casi completa del fármaco para el segundo (Vorobyov et al., 2010, 2014 Li et al., 2012, 2013). Basándonos en la diferencia de energía libre entre las formas de fármaco cargadas y neutrales, también podemos aproximar pKa cambio y, por tanto, la forma de protonación preferida de un fármaco a través de la membrana:

dónde kB es la constante de Boltzmann, T& # x02014 temperatura absoluta y & # x00394W (z) son energías libres específicas de posición para d-sotalol cargado y neutro. Correspondiente & # x00394pKa Los perfiles se muestran en la Figura 7B e indican un rápido descenso & # x00394pKa cambia poco después de que el fármaco entra en contacto con la membrana. Cerca del centro de la membrana & # x00394pKa alcanza aproximadamente & # x022126.5 para NAMD y & # x022124.5 para cálculos basados ​​en CHARMM, siendo la última estimación más pequeña debido a una barrera de energía libre SotC más pequeña de & # x0007E3 kcal / mol discutida anteriormente. Cualitativamente, ambos resultados son similares e indican una rápida desprotonación del fármaco poco después de que un fármaco comienza a moverse a través de una membrana. De hecho, considerando su primera p acuosaKa de 8,3, incluso acercarnos a 20 & # x000C5 del centro de la membrana ya conducirá a la desprotonación del fármaco. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que no hemos considerado un posible papel de una forma de d-sotalol de ion híbrido, SotZ, en este equilibrio.

D-Sotalol Water-Membrane Partitioning and Permeations: Conexión a experimentos

A continuación, debemos intentar conectar nuestros hallazgos con observables experimentales como el agua y el coeficiente de partición de la membrana. K y tasa de permeabilidad PAG. Todos los datos relevantes se resumen en la Tabla 1. Existe una estimación experimental para la membrana de agua y # x02014dimiristoilfosfatidilcolina (DMPC) K& # x02032 (wat & # x02192 mem) de 2,50 obtenido a 303 K (Redman-Furey y Antinore, 1991). Este es un valor aparente, que tiene en cuenta una fracción dependiente del pH de especies de fármacos activas en la membrana en esas condiciones. Sin embargo, dado que sabemos que solo se espera que SotN se acumule en la membrana, podemos calcular un valor intrínseco K-valor a pH experimental = 7.2 usando fármaco acuoso pKa = 8,37 y la ecuación de Henderson-Hasselbach para obtener K(wat & # x02192 mem) = 2.50 * 10 (8.37 & # x022127.20) = 37.0. Y la energía libre de partición correspondiente es & # x00394GRAMO(wat & # x02192 mem) = & # x02212RT en K(wat & # x02192 mem) = & # x022122.17 kcal / mol. Estas estimaciones, nuevamente, no tienen en cuenta la presencia de la forma SotZ en el equilibrio de protonación del fármaco, que probablemente aumentará aún más. K-valor y disminución correspondiente & # x00394GRAMO. No obstante, podemos comparar estimaciones experimentales con valores que calculamos a partir de los perfiles de energía libre de NAMD US utilizando las ecuaciones (3) y (4). Estimado K(wat & # x02192 mem) y & # x00394GRAMO(wat & # x02192 mem) valores para SotN de 13,4 & # x000B1 8,6 y & # x022121,6 & # x000B1 0,4 kcal / mol (ver también la Tabla 1), respectivamente, están de acuerdo con el experimento que también considera un lípido diferente ( POPC vs. DMPC) y temperatura (310 vs. 303 K) usados ​​en simulaciones y experimentos. Las estimaciones de las simulaciones CHARMM (Tabla S6) son similares, dentro de un error de los valores NAMD. Como era de esperar, SotC no se acumula en la membrana, con K(wat & # x02192 mem) y & # x00394GRAMO(wat & # x02192 mem) de 0.69 & # x000B1 0.36 y 0.23 & # x000B1 0.0.28 kcal / mol, respectivamente (Tabla 1).

tabla 1. Partición de agua-membrana y datos de permeabilidad de simulaciones MD de muestreo de paraguas para translocación de d-sotalol cargado (SotC) y neutral (SotN) a través de una membrana POPC utilizando NAMD.

Las simulaciones MD de la partición de la membrana de agua son una buena prueba de la precisión del modelo de fármaco y pueden predecir la cantidad de fármaco que se acumula en la membrana en comparación con el agua a granel. Sin embargo, no considera la cinética del movimiento del fármaco a través de una membrana, que también es esencial para predecir su farmacología y toxicología. Tasas de permeabilidad, PAG, proporcionan estimaciones correspondientes y se miden experimentalmente utilizando diferentes líneas celulares como caco-2 o sistemas de membranas artificiales como PAMPA (ensayo de permeabilidad de membranas artificiales paralelas) (Bermejo et al., 2004). Estimaciones experimentales de d-sotalol PAG están disponibles en un estudio reciente (Liu et al., 2012) con un PAMPA PAG-valor de 3,2 & # x000D7 10 & # x022127 cm / s. Una comparación directa entre experimental y calculado PAG Se sabe que los valores son un desafío, con muchos factores de complicación que impiden la evaluación cuantitativa directa de valores absolutos (Carpenter et al., 2014 Di Meo et al., 2016 Bennion et al., 2017). Sin embargo, calculamos PAG estimaciones para SotC y SotN utilizando la Ecuación (8) como se hizo en nuestro estudio anterior (Vorobyov et al., 2014) basado en perfiles de coeficientes de difusión y energía libre. Estos últimos, que se muestran en la Figura 8, se obtuvieron en función de los tiempos de correlación y las fluctuaciones medias de la COM del fármaco en z dirección utilizando la Ecuación (5) como también se hizo anteriormente (Vorobyov et al., 2014). Los perfiles de coeficientes de difusión calculados indican una caída rápida de 10 veces de los coeficientes de difusión tanto para SotC como para SotN a medida que las moléculas del fármaco comienzan a interactuar con las membranas lipídicas, similar a muchas observaciones anteriores (Carpenter et al., 2014 Vorobyov et al., 2014). Curiosamente, los coeficientes de difusión para SotC y SotN son similares, tanto en el agua como en el interior de la membrana (Figura 8 y Tabla 1), a pesar de la diferencia en la carga neta y las interacciones entre fármacos y membranas muy diferentes. Computado PAG-valores, presentados en la Tabla 1 como log PAG de & # x022128.57 para SotC y & # x022124.43 para SotN abarcan una estimación experimental de & # x022126.50. Basándonos solo en esos valores, no podemos comentar sobre la precisión de nuestra predicción, y la comparación con los valores de otras moléculas de fármaco (deseablemente, con funcionalidades similares) como se hizo en un estudio reciente (Bennion et al., 2017) sería lo mejor. Sin embargo, lo que indican nuestros valores calculados es que un fármaco neutro es aproximadamente 4 órdenes de magnitud más permeable en comparación con uno catiónico, y que ambos valores están dentro de unos pocos órdenes de magnitud de una permeabilidad observada experimentalmente.

Figura 8. Análisis de la difusión de d-sotalol a partir de simulaciones MD de muestreo de paraguas. Los perfiles de coeficientes de difusión se calculan como se describe en el texto. Las barras de error que se muestran se calculan a partir de asimetrías de perfil.

D-Sotalol & # x02014 Interacciones de la membrana: efecto de los lípidos aniónicos

Hasta ahora, solo consideramos la partición de d-sotalol a través de una membrana POPC utilizando simulaciones de MD de EE. UU. Para una sola molécula de fármaco. Sin embargo, también probamos si la composición de la membrana lipídica afecta las interacciones medicamentosas y lipídicas. De hecho, se sabe que la membrana lipídica de los cardiomiocitos alberga múltiples tipos de lípidos: además de la fosfatidilcolina zwiteriónica y la fosfatidiletanolamina dominantes, también tiene una fracción sustancial de lípidos aniónicos: fosfatidilserina, fosfatidilinositol y ácido fosfatídico (Post2013 et al. ., 1995) o 17 & # x0201318% en células cardíacas felinas (Leskova y Kryzhanovsky, 2011) basado en el contenido total de fosfolípidos]. Se espera que los lípidos aniónicos aumenten la afinidad de unión a la membrana por las formas de fármacos catiónicos y otros cationes, como lo demostró nuestro estudio anterior donde vimos un aumento en la unión interfacial de un análogo de la cadena lateral de arginina cargado positivamente, metil guanidinio, en presencia de un aniónico fosfatidilglicerol lipídico (Vorobyov y Allen, 2011). El posible efecto de los lípidos aniónicos sobre la unión neutra del fármaco es menos claro y también vale la pena probarlo. Por lo tanto, realizamos simulaciones tanto de SotC como de SotN en membranas lipídicas que contenían 15% de POPS y 85% de POPC, respectivamente, y comparamos los resultados con las simulaciones de fármacos correspondientes con membranas de POPC puras.

Usamos simulaciones MD insesgadas de 500 o 1000 ns de largo con múltiples moléculas de fármaco (15 & # x0201316) colocadas inicialmente en una solución acuosa a granel, correspondiente a una concentración de fármaco & # x0007E40 mM. La mayoría de las moléculas SotN se unen a la membrana lipídica en 200 ns para la simulación con POPC puro y alrededor de 400 ns con una mezcla de POPC / POPS (ver Figura S11). La concentración acuosa de equilibrio de SotN cae a & # x0007E8 mM para POPC / POPS y & # x0007E5 mM para un sistema solo de POPC. Para los sistemas que contienen SotC, la mayoría de las moléculas de fármaco permanecen en solución acuosa durante las simulaciones con solo & # x0007E4 (de 15) interactuando con la membrana independientemente de la composición de lípidos (Figura S11). Los sistemas equilibrados se muestran en la Figura 9C que demuestra la unión sustancial a la membrana de SotN pero no de SotC. Las distribuciones de probabilidad de fármaco de esas simulaciones, calculadas en base a los datos de simulación después del equilibrio (que se logró en 200 o 400 ns), se muestran en la Figura 9A. Estos datos confirman la imagen que demuestra una unión interfacial sustancial para SotN con máximos de probabilidad bien definidos alrededor de |z| = 15 & # x000C5 para sistemas POPC y POPC / POPS. No se detectó unión interfacial para sistemas que contenían SotC (Figura 9A). En el sistema catiónico de sotalol con POPS presente, hay una acumulación ligeramente aumentada de la densidad del fármaco en |z| rango de 15 & # x0201330 & # x000C5 en comparación con un sistema con POPC solamente. Esto puede deberse a la atracción esperada entre grupos de cabeza de lípidos aniónicos de POPS y restos SotC cargados positivamente. Sin embargo, el efecto es pequeño y, por tanto, es poco probable que sea fisiológicamente significativo en este caso.

Figura 9. Análisis de la partición de d-sotalol en presencia de lípidos aniónicos a partir de simulaciones de MD no sesgadas. (A) Densidad de probabilidad y (B) perfiles de energía libre o potencial de fuerza media (PMF) para d-sotalol cargado (SotC) y neutro (SotN) que se mueve a través de una bicapa de lípidos 100% POPC (cian y amarillo para SotC y SotN, respectivamente) o una bicapa compuesta por un 85 % De POPC y 15% de mezcla de lípidos de POPS (verde y magenta para SotC y SotN, respectivamente). (C) Instantáneas moleculares de los sistemas SotN & # 43POPC, SotC & # 43POPC, SotC & # 43POPC / POPS equilibrados después de 500 ns, y del sistema SotN & # 43POPC / POPS después de 1000 ns de simulaciones MD no sesgadas en el superordenador Anton 2. Los átomos de P de los lípidos POPC y POPS se muestran como bolas naranjas y verdes, respectivamente. Consulte el título de la Figura 1 para obtener más información sobre colores y representaciones moleculares.

Las distribuciones de probabilidad que se muestran en la Figura 9A se pueden convertir en perfiles de energía libre como & # x00394GRAMO(z) = & # x02013kBT ln & # x003C1 (z), donde & # x003C1 es la densidad de probabilidad, kB es la constante de Boltzmann, y T es la temperatura absoluta (ver también la Ecuación 4 análoga anterior). Estos perfiles se muestran en la Figura 9B y coinciden en general con los de las simulaciones de MD de EE. UU. Mostradas anteriormente en la Figura 7A. Como era de esperar, no observamos SotC ubicado cerca del centro de la membrana durante 500 ns de simulaciones MD insesgadas y, por lo tanto, los perfiles de energía libre no están definidos en esta región. Sin embargo, observamos que la pendiente del perfil es más pronunciada en presencia de POPS, lo que sugiere una barrera de translocación más alta y, por lo tanto, una translocación más lenta en este caso. Las moléculas de SotN se distribuyeron por toda la membrana y, por lo tanto, pudimos calcular perfiles completos de energía libre, incluidos los picos centrales. Curiosamente, hay canales de unión interfacial menos profundos (por 0,5 & # x020130,6 kcal / mol en |z| = 14 & # x0201315 & # x000C5), pico central más alto (por & # x0007E1.1 kcal / mol) y, por lo tanto, barreras de translocación más grandes en presencia de POPS, lo que indica una unión a la membrana menos favorable y tasas de translocación más lentas para SotN.Al comparar los perfiles de energía libre de SotN de las simulaciones de EE. UU. Y MD no sesgadas, que se muestran en la Figura 7A, 9B, respectivamente, observamos un pico de energía libre central sustancialmente más pequeño (por 3,7 kcal / mol) y una unión interfacial menos profunda (por 0,6 kcal / mol) en simulaciones no sesgadas. Hay varios factores que pueden contribuir a tales diferencias, incluidas múltiples moléculas de fármaco, un parche de membrana más grande y la presencia de un campo eléctrico aplicado en simulaciones de MD no sesgadas, todos los cuales pueden conducir posiblemente a barreras de permeación más pequeñas. Una elucidación detallada de estos y otros factores está más allá del alcance de este estudio y será investigado en nuestros trabajos posteriores.


Caracterización de interacciones lípido-proteína y modulación mediada por lípidos de la función de la proteína de membrana mediante simulación molecular

La membrana celular constituye uno de los compartimentos más fundamentales de una célula viva, donde procesos clave como el transporte selectivo de material y el intercambio de información entre la célula y su entorno están mediados por proteínas que están estrechamente asociadas con la membrana. La heterogeneidad de la composición de lípidos de las membranas biológicas y el efecto de las moléculas de lípidos sobre la estructura, dinámica y función de las proteínas de membrana son ahora ampliamente reconocidos. Sin embargo, la caracterización de estas interacciones lípido-proteína funcionalmente importantes con técnicas experimentales sigue siendo un desafío prohibitivo. Las simulaciones de dinámica molecular (MD) ofrecen un poderoso enfoque complementario con suficientes resoluciones temporales y espaciales para obtener información estructural y energética a nivel atómico sobre las interacciones lípido-proteína. En esta revisión, nuestro objetivo es proporcionar una amplia encuesta de simulaciones de MD que se centran en explorar las interacciones lípido-proteína y caracterizar la estructura y la dinámica de la proteína modulada por lípidos que han tenido éxito en proporcionar una nueva visión del mecanismo de la función de la proteína de membrana.

Cifras

Las proteínas se relacionan con los lípidos en ...

Las proteínas se relacionan con los lípidos en diversos modos, muchos de los cuales tienen un significado funcional.…

Técnicas experimentales que arrojan información ...

Técnicas experimentales que aportan información sobre interacciones proteína-lípido. (A) Cristalografía electrónica que muestra mediada por lípidos ...

Estructuras representativas de proteínas de membrana ...

Estructuras representativas de proteínas de membrana (azul) resueltas experimentalmente con varios tipos de lípidos ...

Ejemplos de resoluciones / representaciones comunes utilizadas ...

Ejemplos de resoluciones / representaciones comunes utilizadas en la investigación de interacciones lípido-proteína. La parte superior…

Alcance de los métodos para describir ...

Alcance de los métodos para describir la dinámica de los procesos químicos y biológicos. Eficaz…

Primeras simulaciones de bicapas lipídicas.…

Simulaciones tempranas de bicapas lipídicas. (A) Instantánea de un modelo sin solvatar de átomos unidos (UA) ...

Ilustración de una mejora clave ...

Ilustración de una mejora clave en las simulaciones de bicapas lipídicas resultante de cambios ...

(A) Representaciones del GC de ...

(A) Representaciones CG de lípidos comunes en MARTINI, superpuestas en el AA correspondiente ...

Unión e inserción espontánea de…

Unión e inserción espontáneas del dominio GLA del factor VII a las membranas aniónicas ...

Métodos para ensamblar proteínas en ...

Métodos de ensamblaje de proteínas en membranas. Proteínas, grupos de cabezas de lípidos y colas de lípidos ...

Canales de membrana representativos cubiertos de ...

Canales de membrana representativos cubiertos en la Sección 3.1. Los canales mostrados de izquierda a ...

Conformaciones representativas ( α ,…

Conformaciones representativas ( α , β , γ , δ , y ε…

PEPITA 2 las moléculas acceden a diferentes ...

PEPITA 2 las moléculas acceden a diferentes regiones del canal KCNQ2 dependiendo de la proteína ...

Partición de membranas y la facilitación ...

Partición de la membrana y unión facilitada de anestésicos a los sitios de modulación de ...

Panorama de energía libre de PIP ...

Paisaje de energía libre de PIP 2 -Interacción Kir2.2. (A) Muestreo paraguas de intercambio de réplicas ...

Intercambio de lípidos entre las membranas expuestas ...

Intercambio de lípidos entre las bolsas de MscS expuestas a las membranas y la bicapa tras la activación.…

TREK-2 conformacional inducido por estiramiento bicapa ...

El estiramiento bicapa indujo un cambio conformacional de TREK-2 entre los dos estados principales. (A) A…

Participación directa de los fosfolípidos en ...

Participación directa de los fosfolípidos en la translocación de iones a través de la membrana, mediada por íntimas ...

Transportadores de membrana representativos cubiertos de…

Transportadores de membrana representativos cubiertos en la Sección 3.2. Los transportadores mostrados de izquierda a ...

Entrada de lípidos en la luz ...

Entrada de lípidos en el lumen de Pgp en sus estados hacia adentro y hacia afuera.…

El papel de los lípidos en las reacciones de transferencia de H + del H…

Receptores de membrana integrales representativos cubiertos ...

Receptores de membrana integrales representativos cubiertos en la Sección 3.3. Los receptores que se muestran de izquierda a derecha ...

Dinámica estructural de la membrana modulada por lípidos ...

Dinámica estructural modulada por lípidos de los receptores de membrana. (A) Distribución de probabilidad normalizada del colesterol alrededor de ...

Mecanismo propuesto de integrina de adentro hacia afuera ...

Mecanismo propuesto de activación de la integrina de adentro hacia afuera por la talina. La figura ilustra la propuesta ...

Unión de la quinasa EGFR a ...

Unión de la quinasa EGFR a la membrana aniónica. (A) Superficie de potencial electrostático de…

Proteínas periféricas representativas discutidas en ...

Proteínas periféricas representativas discutidas en la Sección 4. Las proteínas Ras son reguladores clave en ...

Resultados de la formación espontánea de bicapas ...

Resultados de la formación espontánea de bicapas y la asociación proteína-membrana de simulaciones CG de nueve ...

Unión espontánea a la membrana de CYP3A4.…

Unión espontánea a la membrana de CYP3A4. (Arriba) Instantáneas tomadas en diferentes momentos en…

Conformación unida a membrana de fosfolipasas, ...

Conformación unida a la membrana de las fosfolipasas y las reacciones críticas que catalizan. Unión de membrana ...

Modos de consolidación de (A) ligados al PIB ...

Modos de unión de (A) dominio G unido a GDP y (B) dominio G unido a GTP de H-Ras observado por…

Simulaciones de MD que revelan las curvaturas de la membrana ...

Simulaciones de MD que revelan las curvaturas de la membrana inducidas por el dominio N-BAR. (A) Instantáneas de…

Brote de membrana causado por α…

Brote de membrana causado por α sinucleína. (A) Vista de arriba hacia abajo del radio comenzando ...

Ejemplo de voltaje refinado ...

Ejemplo de una estructura compleja de sensor de voltaje refinado (VS) / VsTX1, que muestra un t =…

Modelo de unión mediada por membrana de…

Modelo de unión mediada por membrana de ProTx-II a canales de Na +. (A) Superficie ProTx-II…

Conformaciones representativas de A β…

Conformaciones representativas de A β Interacciones tetrámero y tetrámero-membrana. Las imágenes representan el ...

(A) Distribución de distancias lípido-proteína ...

(A) Distribución de distancias lípido-proteína entre lípidos con ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) y…

Marburg VP40 experimentando una conformación sustancial…

Marburg VP40 sufre reordenamientos conformacionales sustanciales al unirse a la membrana. (A-C) Instantáneas…

Instantáneas de un 4 μ…

Instantáneas de un 4 μ s Simulación CG del montaje de un ...

Lípidos especiales que modulan la estructura de las proteínas ...

Lípidos especiales que modulan la estructura y función de las proteínas. Esfingomielina, fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2), fosfatidilglicerol (PG),…

Modulación del colesterol de humanos β…

Modulación del colesterol de humanos β 2AR caracterizado por simulaciones MD. (A) Unión de colesterol ...

Perfiles de densidad de grupos de cabeza de lípidos alrededor de ...

Perfiles de densidad de grupos de lípidos alrededor de la proteína para (A) todos los fosfolípidos, (B) PE,…

Sitios de unión de PS supuestos para ...

Sitios de unión de PS putativos para el dominio GLA del factor de coagulación X (FX-GLA). Ca 2 +…

Las simulaciones CG describen la difusión ...

Las simulaciones CG describen la difusión de CDL en una bicapa mixta de POPC / CDL y ...

Formación de vías respiratorias mediada por CDL ...

Formación de supercomplejos respiratorios mediada por CDL. (A) Vista del sistema que contiene CDL después de ...

Interacción de CDL con la mitocondria ...

Interacción de CDL con el portador de ADP / ATP mitocondrial (AAC). (A) La densidad de probabilidad promediada en el tiempo ...

Interacción del dominio PIP-PH examinada por…

Interacción del dominio PIP-PH examinada por métodos de energía libre y multiescala. (A) Energía libre ...

Modelado computacional de OprH en…

Modelado computacional de OprH en una bicapa de LPS. Estructuras químicas del lípido A,…

Perfiles de espesor de membrana cerca de diez ...

Perfiles de espesor de membrana cerca de diez proteínas de membrana diferentes de simulaciones CG. Para cada…

Asimetría del folleto de la movilidad de los lípidos ...

Asimetría de folletos de la movilidad de los lípidos cerca de NanC y OmpF. Relación de coeficientes de difusión ...


¿Cómo se interrelacionan la entalpía, la entropía y la energía libre de Gibbs?

En un proceso que se lleva a cabo a volumen constante (por ejemplo, en un tubo sellado), el contenido de calor de un sistema es igual a la energía interna (E), ya que no se realiza ningún trabajo de PV (volumen de presión). Pero, en un proceso de presión constante, el sistema también gasta energía en el trabajo fotovoltaico.

Por lo tanto, el contenido de calor total de un sistema a presión constante es equivalente a la energía interna (E) más la energía PV (producto de presión y volumen). Esto se llama entalpía y se representa con el símbolo H. Por lo tanto, la entalpía se puede definir mediante la ecuación,

En palabras más simples, la entalpía es el contenido de calor total de un sistema. Refleja el número y los tipos de enlaces químicos en los reactivos y productos. Al igual que la energía interna, la entalpía también es función del estado y, por lo tanto, no es posible cuantificar la entalpía absoluta. Sin embargo, un cambio en la entalpía (∆H) que acompaña a un proceso puede medirse con precisión. Por lo tanto,

(donde p = productos r = reactivos)

La unidad de ∆H es julios / mol (o calorías / mol)

Las reacciones que van acompañadas de la liberación de energía térmica se denominan reacciones exotérmicas y tímicas. En tales casos, hay un cambio negativo en la entalpía (-∆H) de los reactivos a los productos. Por ejemplo, en la combustión de glucosa a CO2 + H2O, se libera una gran cantidad de calor. Por lo tanto, esta es una reacción exotérmica con -∆H. la fusión del hielo en agua líquida y su posterior vaporización en vapores de agua absorben un calor considerable del entorno, por lo que se trata de una reacción endotérmica con + ∆H.

Entropía (S):

La entropía es una expresión cuantitativa de la aleatoriedad o el desorden en un sistema y está representada por el símbolo S. La entropía ya se ha discutido con bastante detalle al describir la Segunda Ley de la Termodinámica anteriormente. Según esta ley, & # 8216la entropía del universo tiende hacia un máximo & # 8217.

Cualquier cambio en la entropía o desorden que acompañe a un proceso de principio a fin, está representado por ∆S. Cuando los productos de una reacción son menos complejos o más desordenados que los reactivos, se dice que la reacción procede con ganancia de entropía (+ ∆S) o viceversa (-∆S). En todas las reacciones espontáneas, como la oxidación de la glucosa o el derretimiento del hielo, la ∆S es positiva.

Energía libre de Gibbs (G):

La energía libre es el componente de la energía total de un sistema que está disponible para realizar un trabajo a temperatura y presión constantes y está representada por el símbolo G. Se denomina energía libre de Gibbs en honor a Josiah Willard Gibbs (1839-1903), matemático, matemático y químico físico estadounidense que desarrolló la teoría de la termodinámica química en la década de 1870 en la Universidad de Yale y también el concepto de energía libre.

Dado que la energía libre de Gibbs también es una cantidad termodinámica, no es posible cuantificar su valor absoluto. Sin embargo, un cambio en la energía libre de Gibbs (∆G) que acompaña a un proceso se puede medir con precisión. La unidad de energía libre de Gibbs es julios / mol (o calorías / mol).

La energía libre de Gibbs (G) se puede definir combinando la entalpía (H), la entropía (S), junto con la temperatura Kelvin (T) como se muestra en la siguiente ecuación,

Al igual que con la entalpía (H) y la entropía (S), no podemos cuantificar la energía libre absoluta, sino solo las diferencias en la energía libre (es decir, ∆G), la ecuación anterior se convierte en,

∆G es la cantidad que se utiliza para describir si un proceso es espontáneo o no. Los procesos con un cambio de energía libre negativo (-∆G) son energéticamente factibles y pueden ocurrir espontáneamente.

Debido a que la energía libre de los productos es menor que la de los reactivos, las reacciones con ∆G negativo (& lt 0) también se conocen como reacciones exergónicas o reacciones que producen energía. Oxidación de glucosa a CO2 + H2O, es un ejemplo de reacción exergónica que tiene un cambio de energía libre negativo (-∆G). De manera similar, la hidrólisis de ATP mol y shyecules es una reacción exergónica.

Por otro lado, los procesos con un cambio de energía libre positivo (+ ∆G) no son energéticamente y tímidamente factibles y no se llevarán a cabo sin una entrada de energía. Las reacciones con un ∆G positivo y tímido (es decir, ∆G & gt 0) se conocen como reacciones endergónicas o reacciones que consumen energía. La conversión de glucosa + Pi en glucosa-6-fosfato se acompaña de un cambio energético libre positivo y, por tanto, es una reacción endergónica.

Las síntesis de macromoléculas como proteínas y ácidos nucleicos a partir de sus componentes monoméricos simples también requieren aporte de energía y, por lo tanto, son endergónicas con + ∆G. La síntesis de ATP durante la fosforilación oxidativa cuyo ∆G aparente es tan alto como 67 kJ mol -1, también es un proceso endergónico.

En los sistemas biológicos, la energía termodinámicamente desfavorable que requiere reacciones endergónicas las acopla a otras reacciones que liberan energía libre (reacciones exergónicas), de modo que el proceso general es exergónico.

El cambio de energía libre (∆G) de una reacción química es función de su desplazamiento desde el equilibrio. & # 8220 Cuanto más se aleja una reacción del equilibrio, más energía libre está disponible a medida que la reacción avanza hacia el equilibrio & # 8221. Cuando una reacción está en equilibrio, ∆G es cero y no se puede realizar ningún trabajo adicional.

La magnitud de los cambios de energía libre es principalmente una función del conjunto particular de condiciones para esa reacción. Por lo tanto, los cambios de energía libre en las reacciones químicas se comparan en condiciones de reacción estándar. El cambio de energía libre estándar (∆G ° & # 8217) representa el cambio de energía libre de una reacción que ocurre a pH 7 y 25 ° C en condiciones en las que tanto los reactivos como los productos están en una concentración unitaria, es decir, 1M.

El cambio de energía libre real (∆G) y el cambio de energía libre estándar (∆G ° & # 8217) son dos cantidades diferentes que no necesariamente coincidirán entre sí. El AG ° & # 8217 es una constante que es característica de cada reacción específica y está directamente relacionada con la constante de equilibrio (Keq).


Nuez de nuez usada

Masa de la nuez quemada 1,3 g
Cambio de temperatura de 100 ml de agua 19 grados C
Calorías necesarias para producir cambios de temperatura en 100 ml de agua 1900 calorías
Calorías por gramo contenidas en la nuez 1357.1

  1. ¿Cuál es la relación entre materia y energía? Cuanto más materia, más energía.
  2. ¿A qué llamamos energía almacenada y dónde se almacena la energía en compuestos como la glucosa? Lo llamamos glucógeno y se almacena en los enlaces.
  3. Discuta qué pasó con la energía almacenada en la nuez. Fue liberado por el calor.
  4. ¿Por qué fue la masa de los menos después de la quema? Se evaporaron los aceites de la nuez.
  5. ¿Cómo utilizan nuestros cuerpos este proceso? Rompen la glucosa para formar energía conocida como glucógeno.

Podrían haber ocurrido errores si todos los aceites no se hubieran evaporado durante el proceso de quemado de la nuez. Además, si no usó la cantidad correcta de agua, esto podría haber causado una medición inexacta.

Discusión y conclusión:

La temperatura de la lata con 100 ml de agua cambió de la energía almacenada en la nuez. La temperatura del agua comenzó siendo de 22 grados C y cuando la nuez se quemó, liberó la energía y calentó el agua a 41 ° C. Además, la masa de la nuez antes de quemarla era de 1,4 gy después de la quema era de 0,1 g. Una caloría equivale al calor requerido para cambiar la temperatura de 1 gramo de agua 1 ° C. En este experimento, el cambio de temperatura fue de 19 ° C, lo que significó que se produjeron 1900 calorías para cambiar la temperatura del agua. Con la masa de la nuez antes de quemarla y la cantidad de calorías necesarias para cambiar la temperatura, me dio la información para encontrar que mi nuez tenía 1357,1 calorías.


Y lambda-Repressor

& lambda-represor es otra proteína de plegado rápido que hemos estudiado usando simulaciones de dinámica molecular. El represor & lambda es más del doble del tamaño del casco de villin y procesa una topología nativa más complicada, es decir, un paquete de cinco hélices. Por lo tanto, es considerablemente más desafiante y computacionalmente intenso de simular que los casos anteriores (dominio WW y casco de villin). A pesar de su tamaño moderadamente grande, el tiempo de plegado conocido experimentalmente para algunos de sus mutantes es de menos de 15 microsegundos. La simulación del represor & lambda en un solvente explícito involucra un sistema que contiene más de 74,000 átomos y requiere de 10 a 20 microsegundos para observar eventos de plegamiento completos.

Simulación de muestreo mejorada

Nos centramos en un mutante de plegado rápido del represor & lambda y lambda-HG, con un tiempo de plegado de 15 microsegundos en experimentos de salto de temperatura. Por medio de un método de templado desarrollado recientemente (ver Zhang y Ma, J. Chem. Phys. 132: 244101 (2010)), observamos el plegamiento y despliegue reversibles del represor & lambda en una trayectoria de 10 microsegundos (ver la película a la derecha). . El estado plegado se clasifica como el grupo más poblado sin ningún conocimiento previo de la estructura cristalina en el análisis de grupo posterior. Además, la ruta que conduce al plegamiento completo de la proteína se puede seguir basándose en este análisis de agrupamiento. Debido al método de muestreo mejorado utilizado en el estudio actual, las vías de plegado observadas pueden no ser las más probables. Sin embargo, representan uno de los muchos caminos físicos en el paisaje plegable. Además de acelerar la búsqueda en el espacio conformacional, el método de muestreo mejorado también cubre un amplio rango de temperaturas en la simulación, permitiendo el cálculo de la dependencia de la temperatura de ciertas características estructurales con un muestreo suficiente (ver figura a continuación).Estos resultados destacan el potencial de este método de muestreo mejorado y la precisión del modelo físico subyacente (campo de fuerza) en el estudio de una proteína helicoidal relativamente grande. Las simulaciones también revelaron que el plegamiento de & lambda-represor no es un proceso simple de dos estados como se propone para la mayoría de las proteínas de plegado rápido.

Dependencia de la temperatura de la distribución del histograma del radio de giro y la desviación de la raíz cuadrada media.

Simulación de temperatura constante

Simulación de salto de presión

Paso del estado de transición observado en una ventana de tiempo de 2 microsegundos. Haga clic para ver una trayectoria de plegado.

2 microsegundos medidos por experimentos de salto de temperatura en mutantes represores lambda y plegamiento casi descendente. También concuerda con el tiempo de paso del estado de transición observado en proteínas de plegamiento más lento mediante espectroscopía de molécula única. En resumen, nuestras simulaciones proporcionan la explicación a nivel atómico de las vías de plegado lento y rápido inducidas por salto de presión. También arrojan luz sobre cómo las proteínas pasan por los estados de transición (ver figura a continuación) y cuánto tiempo les toma a las proteínas pasar por los estados de transición en el proceso de plegamiento.

Reordenamientos moleculares observados en la simulación cuando la proteína pasa por estados de transición en el proceso de plegamiento. En cada momento, los residuos plegados se colorean de azul.


Ver el vídeo: APRENDE como hacer UNA BOBINA DE TESLA CASERA (Enero 2022).