211service.com
Fizycy odkrywają kwantowe prawo fałdowania białek
Słynny związek Arrheniusa mówi, że rzeczy dzieją się szybciej, gdy robi się cieplej. W chemii to generalnie prawda, ale jest ważny wyjątek: szybkość, z jaką białka fałdują się do swojego funkcjonalnego kształtu.
Łatwo jest pomyśleć, że białka powinny szybciej się zwijać, gdy się schładzają, a następnie rozwijać się szybciej, gdy się nagrzewają. Ale faktyczna zależność jest zarówno nieliniowa, jak i asymetryczna, co oznacza, że rozkładanie nie jest odwrotnością składania.
Biolodzy molekularni przedstawili różne mechanizmy wyjaśniające to zjawisko, takie jak nieliniowe oddziaływanie między wodą a hydrofobowymi częściami białek. Ale żaden z nich nie jest bardzo przekonujący.
Wygląda na to, że zmieni się to wraz z pracą Liaofu Luo z Uniwersytetu Mongolii Wewnętrznej i Jun Lu z Uniwersytetu Technologicznego w Mongolii Wewnętrznej, obaj w Chinach. Mówią, że sposób składania zależy od temperatury, wszystko staje się jasne, gdy tylko weźmie się pod uwagę mechanikę kwantową.
Najpierw krótkie wprowadzenie do fałdowania białek. Białka to długie łańcuchy aminokwasów, które stają się aktywne biologicznie dopiero po zwinięciu się w określone, wysoce złożone kształty. Zagadką jest, jak białka robią to tak szybko, skoro mają tak wiele możliwych konfiguracji do wyboru.
Aby spojrzeć na to z innej perspektywy, stosunkowo małe białko, składające się z zaledwie 100 aminokwasów, może przyjąć około 10^100 różnych konfiguracji. Gdyby wypróbował te kształty z szybkością 100 miliardów na sekundę, znalezienie właściwego zajęłoby więcej czasu niż wiek wszechświata. Nikt nie wie, jak te cząsteczki wykonują swoją pracę w ciągu nanosekund.
Wiedzą jednak, że tempo ich składania jest bardzo wrażliwe na temperaturę, a biolodzy mają znaczną ilość danych pokazujących dokładnie, jak te tempo się zmienia. Wykreślanie tych danych prowadzi do różnych nieoczekiwanych krzywych.
Dzisiaj Luo i Lo twierdzą, że te krzywe można łatwo wytłumaczyć, jeśli proces składania jest sprawą kwantową. Zgodnie z konwencjonalnym myśleniem, łańcuch aminokwasów może zmieniać się z jednego kształtu w inny tylko poprzez mechaniczne przechodzenie przez różne kształty pomiędzy nimi.
Ale Luo i Lo twierdzą, że gdyby ten proces był procesem kwantowym, kształt mógłby się zmienić przez przejście kwantowe, co oznacza, że białko mogłoby „przeskakiwać” z jednego kształtu w drugi, niekoniecznie tworząc kształty pomiędzy nimi.
Luo i Lo badają ten pomysł za pomocą matematycznego modelu tego, jak to działa, a następnie wyprowadzają równania opisujące, jak szybkość składania kwantowego zmieniałaby się wraz z temperaturą. W końcu dopasowują prognozy swojego modelu do niektórych eksperymentów w świecie rzeczywistym.
Ich zdumiewający wynik jest taki, że ten model przejścia kwantowego pasuje do krzywych fałdowania 15 różnych białek, a nawet wyjaśnia różnicę w szybkości fałdowania i rozwijania tych samych białek.
To znaczący przełom. Równania Luo i Lo sprowadzają się do pierwszych uniwersalnych praw fałdowania białek. W biologii jest to odpowiednik czegoś takiego jak prawa termodynamiczne w fizyce.
Imponujące rzeczy. I nie oczekuj, że to się skończy tutaj.
Różne grupy znajdują dowody na działanie procesów kwantowych we wszystkim, od fotosyntezy po… nawigacja ptaków .
Jeśli mechanika kwantowa odgrywa kluczową rolę w fałdowaniu białek, to nie ma wątpliwości co do jej znaczenia w działaniu innych maszyn komórkowych. Otworzenie wrót dla biologów kwantowych może być tylko kwestią czasu.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1102.3748 : Zależność fałdowania białka od temperatury wywnioskowana z przejścia kwantowego