在化学动力学方程中发现了隐藏的对称性

时间:2020-04-30 21:31 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

在化学动力学方程中发现了隐藏的对称性

莱斯大学的研究人员在化学动力学方程中发现了一种隐藏的对称性,科学家们长期以来一直用它来模拟和研究生命中许多必不可少的化学过程。

这一发现对药物设计、遗传学和生物医学研究都有意义,并在本月的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上发表的一项研究中进行了描述。为了说明这一生物学分支,该研究的合著者Oleg Igoshin、Anatoly Kolomeisky和莱斯理论生物物理中心(CTBP)的Joel Mallory使用了三个范围广泛的例子:蛋白质折叠、酶催化和运动蛋白效率。

在每种情况下,研究人员都证明了一个简单的数学比例表明误差的可能性是由动力学而不是热力学控制的。

“它可能是一种蛋白质折叠成正确的或错误的构象,一种酶将正确的或错误的氨基酸合并到多肽链中,或者是一种运动蛋白错误地向后走而不是向前走,”CTBP研究员、Rice生物工程教授Igoshin说。“所有这些特性都可以用两个稳态通量的比值来表示,我们发现,用这些术语表示的生物特性是受动力学控制的。”

蛋白质折叠的例子说明了药物设计的含义。所有的蛋白质都会折叠成一个特定的形状,而有一小部分会折叠成错误的形状。蛋白质错误折叠与一些遗传性遗传疾病有关,制药商对制造能够降低蛋白质错误折叠几率的药物很感兴趣。

在它折叠之前,蛋白质有能量,就像一个坐在山顶上的球。折叠是从这个高能量的起点到球停止滚动的地方的下坡跑。化学家经常使用一种被称为“自由能图”的视觉辅助工具来绘制化学反应的能量水平。景观看起来就像一个山峰和山谷的山脉,从蛋白质展开的起点到完全折叠的终点的下坡看起来就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,旅行者也可能不得不在下山的路上爬上小山,从一个山谷爬到另一个山谷。

“我们已经证明是障碍,山谷之间的高点,决定了这些比率,”Igoshin说。“山谷的深度并不重要。

他说:“例如,如果你想得到一种能够帮助蛋白质正确折叠的药物,我们的预测是,这种药物必须能够减少折叠途径上的障碍。”“如果它只影响谷折,比如通过提高折叠路径上一些中间构象的稳定性,它不会改变蛋白质正确折叠与错误折叠的比例。”

Igoshin说这项工作来源于2017年的一项研究,他、Kolomeisky和前CTBP博士后研究员Kinshuk Banerjee证明了酶催化的准确性是由动力学控制的。Igoshin将这一发现描述为“一种潜在的等式对称性”。

“如果你观察通量的比率,你会得到这种有趣的抵消,所有与这些值有关的项都抵消了,你就得到了不变性,”他说。“当我们第一次得到这个结果时,它似乎与我们的直觉相悖。然后,我们不确定这是否是巧合,因为在之前的论文中,我们只展示了两个特定的动力学模式。现在Joel的工作已经表明它可以推广到更广泛的系统中。”

Igoshin说这种对称性“并不难证明,但之前没人注意到。”

“我认为这是一个非常有趣的物理结果,在生物学上有很大的意义,”他说。“它可以帮助定义在许多生物过程中控制和优化系统级属性方面的限制。”

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