ИСТИНА

Рассматриваются физические основы и математические идеи для описания процесса формирования уникальных 3D-структур биополимеров. Проводится сравнительный анализ формирования простых кристаллических структур и 3D-структур биополимеров. Показано, каким образом топология конфигурационного пространства [1-3] макромолекул с конформационной подвижностью и хиральность [4] влияют на топографию многомерной поверхности потенциальной энергии (энергетической воронки [5]). Демонстрируется расслоение конфигурационного пространства макромолекулы на область центральной воронки, которая связана с глобальным минимумом энергии и области сателлитных воронок, из которых переход в уникальную 3D-структуру сильно затруднен [4,6,7]. Этот эффект объясняет невозможность обратного фолдинга макромолекулярной цепи при силовом разворачивании глобулы атомно-силовым микроскопом [8] в отличие от случая мягкой денатурации глобулы в растворе, а также важную роль начальной (приготовленной) конформации цепи. В гауссовском приближении исследуются переходы между глобулярным и денатурированным состояниями и показан эффект формирования «вулканоподобной» формы энергетической воронки в согласии с результатами по кинетике фолдинга [9,10]. С использованием подходов многомерной геометрии и концентрации меры для многомерных объектов [11] определены правила движения репрезентативной точки на многомерных энергетических ладшафтах при сворачивании макромолекулярных структур в вязкой среде и показано наличие базового принципа для динамики таких систем – равнораспределения средних скоростей диссипации энергии для узлов цепи [12-14]. По этой причине траектория сворачивания полимерной цепи избегает областей с резким изменением энергии по относительно небольшому числу переменных (принцип «начинающего горнолыжника») и репрезентативная точка имеет возможность не запутаться во множестве локальных особенностей многомерного энергетического ландшафта и достичь глобального минимума за разумное время [14]. Показано выполнение двух экстремальных принципов при сворачивании полимерной цепи в вязкой среде: 1) принцип максимума скорости убыли потенциальной энергии системы и 2) принцип минимума скорости диссипации энергии при заданной скорости убыли потенциальной энергии [15]. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 18-02-40010.