Хаос. Нелинейная динамика

Для объяснения парадоксов и странностей процесса формирования пространственной структуры белков пришлось привлечь квантовомеханический подход.

Еще в школе на уроках химии все мы проходили знаменитое уравнение Аррениуса, устанавливающее зависимость между скоростью реакции и температурой. Эта зависимость соблюдается в великом множестве процессов - но не при фолдинге белков, в ходе которого цепочки аминокислот сворачиваются, обретая уникальную и сложную пространственную структуру, которая и определяет в итоге функциональность и свойства белка. Зависимость протекания фолдинга белков с изменением температуры меняется довольно-таки парадоксально.

Кажется, все происходит вопреки обычной логике - что, впрочем, свойственно этому странному процессу. Не так давно мы описывали некоторые связанные с ним трудности ("Парадоксы белковой структуры"), которые касаются не только необычной зависимости от температуры, но и поразительной скорости.
Достаточно сказать, что в теории даже небольшой белок из сотни аминокислот способен сформировать порядка 10100 различных вариантов трехмерной структуры. И если бы белок подбирал нужную простым перебором, затрачивая на каждый вариант по 0,000000001 секунды, ему не хватило бы времени существования Вселенной - но происходит все за считанные милли-, а то и наносекунды. Немудрено, что механизмы фолдинга белков вызывают горячий интерес - но, к сожалению, до сих пор остаются загадочными.

Вернемся, впрочем, к температуре. Процесс фолдинга зависит от нее очень заметно, но, изучив эту зависимость для разных белков и построив соответствующие графики, биологи получают самые странные кривые. И вот на днях с интересным объяснением выступили китайские исследователи Ляофу Ло (Liaofu Luo) и Цзюнь Лу (Jun Lu) - они заявили, что странности температурной зависимости фолдинга объясняются легко, если призвать на помощь квантовую механику.

Подход, озвученный учеными, состоит в том, чтобы рассматривать фолдинг белка не как непрерывное изменение, от одной формы через промежуточные варианты к другой, - а как квантовый процесс, в ходе которого белок меняет форму скачкообразно, "перепрыгивая" сразу массу промежуточных форм.

Авторы построили математическую модель процесса фолдинга, развивающегося такими "квантовыми скачками", и рассчитали его ход для разных температурных условий. Наконец, они сравнили модельные предсказания с реальными экспериментальными данными. Результат оказался впечатляющ: для 15-ти исследованных белков с весьма изощренными кривыми зависимости хода фолдинга от температуры теория отлично совпала с экспериментом. Более того, модель замечательно описывает и обратный процесс, связанный с потерей белком его нормальной формы (денатурации).

Значение уравнений, полученных Ло и Лу, некоторые сравнивают с колоссальным значением уравнений термодинамики. Это - первое отлично согласующееся с экспериментом теоретическое описание процесса фолдинга, и очередное подтверждение важности квантовых явлений для живых организмов. Чему в последнее время появляется все больше свидетельств.

По публикации MIT Technology Review