研究人员发现化学动力学方程式中隐藏的对称性

 

2020-08-01 11:05

  赖斯大学的研究人员在化学动力学方程式中发现了一个隐藏的对称性,科学家们长期以来一直使用该动力学方程式来建模和研究生命中许多必不可少的化学过程。该发现对药物设计,遗传学和生物医学研究具有重要意义,并在本月发表于《美国国家科学院院刊》上的一项研究中进行了描述。

  为说明生物学后果,研究合著者莱斯的理论生物物理中心(CTBP)的作者Oleg Igoshin,Anatoly Kolomeisky和Joel Mallory使用了三个广泛的例子:蛋白质折叠,酶催化和运动蛋白质效率。

  在每种情况下,研究人员均证明,简单的数学比率表明,误差的可能性由动力学而非热力学控制。

  它可能是折叠成正确构象或错误构象的蛋白质,是将正确氨基酸和错误氨基酸掺入多肽链的酶,或者是运动蛋白错误地后退而不是前进。

  所有这些特性都可以表示为两个稳态通量之比,我们发现用这些术语表示的生物学特性处于动力学控制之下。

  蛋白质折叠的例子说明了药物设计的意义。所有蛋白质都折叠成特征形状,而一部分折叠成错误形状。

  蛋白质错误折叠与某些遗传性遗传疾病和疾病有关,制药商对制造可以减少蛋白质错误折叠机会的药物感兴趣。

  蛋白质在折叠之前就具有能量,就像坐在山顶上的球一样。折叠是从这个高能量的起点到球停止滚动的地方的下坡运动。化学家通常使用一种称为“自由能态”的视觉辅助工具来绘制化学反应中的能级图。

  地貌看起来像是一个有峰和谷的山脉,从蛋白质的未折叠起点到其完全折叠的终点的下坡运行看起来像一条蜿蜒穿过一系列山谷的山路。

  即使沿路的一个城镇海拔较低,旅行者也可能必须爬山才能在下坡的路上从一个山谷到达另一个山谷。

  伊戈欣说:“我们已经证明,决定这些比例的是障碍,即山谷之间的高峰。” “山谷的深浅没有关系。

  他说:“例如,如果您想获得一种可以帮助蛋白质正确折叠的药物,我们的预测是该药物必须能够减少沿折叠路径的障碍。” “如果它只影响谷底,比如说通过改善沿折叠途径的某些中间构象的稳定性,它就不会改变蛋白质正确折叠与错误折叠的比率。”

  伊戈欣说,这项工作源于2017年的一项研究,他,科洛梅斯基和前CTBP博士后研究员Kinshuk Banerjee表明,酶催化的准确性是动力学控制的。伊戈欣将这一发现描述为“一种方程式的潜在对称性”。

  他说:“如果看一下通量的比率,就会得到这个有趣的抵消,所有与这些值有关的项都会抵消,从而得到不。”

  “当我们第一次得到这个结果时,这似乎对我们来说是违反直觉的。然后,我们不确定这是否是一个巧合,因为在上一篇论文中,我们仅针对两种特定的动力学方案展示了它。现在,Joel的工作表明它可以推广。如此广泛的系统。”

  他说:“我认为这是一个非常有趣的物理结果,对生物学有重大影响。” “它可以帮助定义在许多生物过程中控制和优化系统级特性方面的极限。”

  柯洛梅斯基(Kolomeisky)是CTBP的研究员,化学和化学与生物分子工程学教授,莱斯大学化学系系主任。Mallory是CTBP的博士后研究助理。

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