Эффекты скрытой симметрии в динамике линейных полимеров и биополимеров

Шайтан, К.В.

Автор: Шайтан К.В.
Журнал: Биофизика
Том: 66
Номер: 3
Год издания: 2022
Издательство: ФГБУ "Издательство "Наука"
Местоположение издательства: Москва
Оригинальные версии: Hidden Symmetry Effects in the Dynamics of Linear Polymers and Biopolymers
DOI: 10.31857/S0006302922030085
Аннотация: Рассматриваются эффекты двух типов симметрии для линейных полимеров: пространственной симметрии относительно трансляций и вращения макромолекулы как целого в однородной вязкой среде и симметрии относительно перестановки в цепи одинаковых мономерных звеньев (или одинаковых по химическому строению участков полимерной цепи). Показано, что в однородной вязкой среде для макромолекулы с жесткими связями при релаксационном фолдинге выполняется закон сохранения - сумма векторов поворотов по торсионных углам равна нулю. Симметрия относительно перестановок в полимерной цепи одинаковых мономерных звеньев при определенных условиях приводит к образованию энергетических воронок, удовлетворяющих принципу минимальной фрустрации, которые соответствуют спиральным или мультиспиральным пространственным структурам. Анализ топографии энергетических ландшафтов макромолекул проводится с использованием разложения функции потенциальной энергии в многомерный ряд Фурье. Слабое нарушение симметрии относительно перестановки мономерных звеньев (например, за счет некоторой модификации боковых групп) при тех же условиях не приводит к принципиальному изменению топографии энергетических ландшафтов с множеством вложенных энергетических воронок. При этом имеется самая глубокая центральная воронка и менее глубокие сателлитные воронки, отделенные друг от друга энергетическими барьерами. Такая топография энергетической воронки соответствует целому ряду эффектов, которые наблюдаются в кинетике фолдинга белков. В частности, естественным образом возникает вулканообразный профиль поверхности свободной энергии, чувствительность рефолдинга белков к способу денатурации (разворачивания пространственной структуры), зависимость кинетики и результата фолдинга от области стартовых конформаций цепи. Последнее может иметь существенное значение для понимания, например, механизмов котрансляционного фолдинга. При вычислении топографии поверхности свободной энергии возникает параметр характеристической температуры T*, который определяется как выигрыш в энергии при сворачивании цепи в расчете на одну конформационную степень свободы. Показано, что при температуре T>0.26T* происходит разрушение пространственной структуры свернутого полимера. Параметр T* и температура денатурации в рассматриваемой системе возникают из базовых математических принципов устройства энергетических ландшафтов в конфигурационном пространстве торсионных углов с топологией многомерного тора и соображений симметрии относительно перестановки одинаковых мономерных звеньев. Так, например, при температурах денатурации биополимеров порядка 60С это соотношение приводит к оценке энергии невалентных связей мономеров порядка 2,5 ккал/моль, приходящихся на одну конформационную степень свободы, что очень похоже на водородные связи в водной среде. Два типа обсуждаемых симметрий и их влияние на динамику макромолекул и топографию энергетических ландшафтов линейных полимеров при определенных условиях могут действовать совместно. Возникающие при этом эффекты могут оказаться интересными с точки зрения добиологической физико-химической эволюции макромолекул в направлении формирования пула линейных полимеров с уникальными пространственными структурами. Ключевые слова: закономерности динамики линейных полимеров в вязкой среде, энергетические ландшафты линейных полимеров и биополимеров, пространственная структура биополимеров, динамика фолдинга, принцип минимальной фрустрации для энергетической воронки, проблема калибровки силовых полей, многомерные ряды Фурье, свободная энергия биополимера, критическая температура денатурации, физико-химическая молекулярная эволюция
Добавил в систему: Шайтан Константин Вольдемарович

	ИСТИНА	Войти в систему Регистрация
	ИСТИНА ФИЦ ПХФ и МХ РАН
	Главная Поиск Статистика О проекте Помощь

ИСТИНА

ИСТИНА ФИЦ ПХФ и МХ РАН

Эффекты скрытой симметрии в динамике линейных полимеров и биополимеровстатья

Прикрепленные файлы