211service.com
Fysiker upptäcker kvantlagen för proteinveckning
Det berömda Arrhenius-förhållandet säger att saker händer snabbare när de blev hetare. Inom kemi är det i allmänhet sant, men det finns ett viktigt undantag: hastigheten med vilken proteiner viker sig till sin funktionella form.
Det är lätt att tro att proteiner borde vikas snabbare när de svalnar och sedan vecklas ut snabbare när de värms upp. Men det faktiska förhållandet är både olinjärt och asymmetriskt, vilket betyder att utveckning inte är motsatsen till vikning.
Molekylärbiologer har lagt fram olika mekanismer för att förklara detta, såsom den olinjära interaktionen mellan vatten och hydrofoba delar av proteiner. Men ingen av dessa är särskilt övertygande.
Det ser ut att förändras med arbetet av Liaofu Luo vid Inner Mongolia University och Jun Lu vid Inner Mongolia University of Technology, båda i Kina. De säger att hur vikning beror på temperaturen blir allt tydligt så fort man tar hänsyn till kvantmekaniken.
Först lite bakgrund om proteinveckning. Proteiner är långa kedjor av aminosyror som blir biologiskt aktiva först när de viker sig till specifika, mycket komplexa former. Pusslet är hur proteiner gör detta så snabbt när de har så många möjliga konfigurationer att välja mellan.
För att sätta detta i perspektiv kan ett relativt litet protein på bara 100 aminosyror ta cirka 10^100 olika konfigurationer. Om den provade dessa former med en hastighet av 100 miljarder per sekund, skulle det ta längre tid än universums ålder att hitta den korrekta. Hur dessa molekyler gör jobbet på nanosekunder vet ingen.
Vad de dock vet är att hastigheten med vilken de viker sig är mycket känslig för temperatur och biologer har en betydande mängd data som visar exakt hur dessa hastigheter varierar. Att plotta dessa data leder till olika oväntade kurvor.
Idag säger Luo och Lo att dessa kurvor lätt kan förklaras om vikningsprocessen är en kvantaffär. Genom konventionellt tänkande kan en kedja av aminosyror bara förändras från en form till en annan genom att mekaniskt passera genom olika former däremellan.
Men Luo och Lo säger att om denna process var en kvantprocess skulle formen kunna förändras genom kvantövergång, vilket betyder att proteinet kunde 'hoppa' från en form till en annan utan att nödvändigtvis bilda formerna däremellan.
Luo och Lo utforskar denna idé med hjälp av en matematisk modell av hur detta skulle fungera och härleder sedan ekvationer som beskriver hur kvantveckningshastigheten skulle förändras med temperaturen. Äntligen anpassade de rpeditionerna av sin modell till några verkliga experiment.
Deras häpnadsväckande resultat är att denna kvantövergångsmodell passar vikningskurvorna för 15 olika proteiner och förklarar till och med skillnaden i vecknings- och veckningshastigheter för samma proteiner.
Det är ett betydande genombrott. Luo och Lo's ekvationer motsvarar de första universella lagarna för proteinveckning. Det är motsvarigheten inom biologi till något som de termodynamiska lagarna i fysiken.
Imponerande grejer. Och förvänta dig inte att det ska sluta här.
Olika grupper hittar bevis på kvantprocesser i arbete i allt från fotosyntes till fågelnavigering .
Om kvantmekaniken spelar en nyckelroll i proteinveckning, så kan det inte vara någon fråga om dess betydelse för andra cellulära maskiners funktion. Det kan bara vara en tidsfråga innan dammluckorna öppnas för kvantbiologer.
Ref: arxiv.org/abs/1102.3748 : Temperaturberoende av proteinveckning härledd från kvantövergång