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量子方法揭示了更快的蛋白质折叠

蛋白质分子
快速折叠。量子方法解决了一系列生物过程的核心难题。 (来源:iStock / sergunt)

蛋白质折叠的研究是生物物理学的基础,因为它对于理解蛋白质如何在广泛的生物过程中起作用以及调查像阿尔茨海默氏症这样的疾病非常重要’s 和 Parkinson’哪些蛋白质错误折叠。由于采用了新的量子方法,中国的研究人员现在发现蛋白质的折叠速度比以前的计算结果要快得多。

蛋白质由称为氨基酸的长链分子折叠成3D形状组成。自1950年代以来,研究人员就一直在研究蛋白质折叠。1956年,在哥本哈根的嘉士伯实验室工作的两名博士后,约翰·谢尔曼(John Schellman)和比尔·哈灵顿(Bill Harrington),最先发现蛋白质折叠反应非常快且经常可逆。但是,仅仅十年之后,物理学家和分子生物学家Cyrus Levinthal指出它们的运行可能非常缓慢。

列文萨尔悖论

在他的模型中,Levinthal假设蛋白质可以通过一系列亚稳定的中间状态折叠,并且可能存在无数种不同的构象。他估计,如果一种蛋白质以单个分子键旋转的速度随机探索新的构象,那么探索所有可能的构象所花费的时间将等于宇宙的年龄-即使对于仅含有一种蛋白质的蛋白质100个氨基酸残基。然而,实验表明,蛋白质可以在不到几秒钟的时间内折叠。

You-Quan LI

如今,有许多理论模型可以解释这种所谓的列文萨尔悖论。这些包括Ising样模型,foldon依赖性蛋白折叠模型和成核-缩合机制。所有这些模型都要求从一开始就对蛋白质结构进行简单的假设。

定图上的量子游走

杭州浙江大学的研究人员领导。 李有全吕丽华 现在已经提出了一种量子策略,将蛋白质折叠描述为确定图上的量子游动。他们说,这为他们提供了一个通用方案,而不必诉诸简单的“人为”假设。

“在我们的技术中,我们将折叠时间计算为从蛋白质的初始状态(直线构象)到目标最终状态(模拟天然构象的最紧凑结构)的平均第一次通过时间。” 。

Li-Hua Li

蛋白质折叠时间短得多

Li和Lu的蛋白质折叠时间比经典随机游走所计算的要短得多。李说:“这一结果将大大促进蛋白质折叠的研究领域。” “它也可能有助于蛋白质工程技术的发展和基于蛋白质的纳米器件的设计。”

在他们的工作中,他们通过经常采用的2D方格模型描述蛋白质结构,其中蛋白质被认为是不相交单元(氨基酸残基)的链。链在晶格上具有给定的长度。

“对于具有 n-氨基酸残基,我们可以计算总数 N不同蛋白质中间结构的不同晶格构象的差异”,Lu解释说。 “例如,我们有 N4= 4并且 N6=22。此技术为我们提供了一组 N对象(结构集)。”

一站式折叠过程

研究人员说,他们将蛋白质折叠过程作为一步折叠进行了研究。卢说:“基于晶格模型,我们可以自然地通过在一个晶格位点置换一个氨基酸来定义这一一步折叠。” “这种方法使我们能够在结构集中不同点之间建立某些连接,并绘制连接图。

“换句话说,如果两个结构的构象仅在一个位置不同,则通过一步折叠来连接两个结构。”

李坚称,目前的模型确实有其局限性。 “在这项工作中,我们提出了一种独立的量子方法来研究没有人工假设的蛋白质折叠问题,但我们仅将六个残基的情况作为模型研究。

“对实验性蛋白质折叠时间的真实解释,我们需要将我们的方法应用于更多的残基,”他告诉我们。 物理世界.

该研究在 中国物理快报 10.1088 / 0256-307X / 36/8/080305.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者