ИСТИНА

Рассматриваются физические особенности химического строения линейных биополимеров, которые оказались важны с точки зрения формирования уникальных 3D- структур. Обсуждаются кинематические связи между узлами полимерной цепи и динамические эффекты вязкости, которые обеспечивают тенденцию к образованию различных спиральных структур. Показано, что динамика фолдинга длинной полимерной (биополимерной) цепи в вязкой среде (жидкости) подчиняется двум экстремальным принципам: - максимальной скорости потери потенциальной энергии и - минимальной скорости диссипации энергии Получены также правила для движения репрезентативной точки по многомерной поверхности потенциальной энергии: - средние скорости изменения потенциальной энергии равномерно распределены по узлам цепи и - средние скорости диссипации энергии также равномерно распределены по узлам цепи. Эти статистические правила движения репрезентативной точки по многомерной поверхности потенциальной энергии [1] диктуют выбор наиболее плавных траекторий движения, что способствует преодолению парадокса Левинталя и достижению глобального минимума энергии за разумное время. Предложен новый подход к изучению многомерных энергетических ландшафтов полимеров и биополимеров, основанный на принципах симметрии относительно перестановок в полимерной цепи одинаковых мономерных звеньев и топологии конфигурационного пространства макромолекул [2]. Анализ топографии энергетических ландшафтов макромолекул проводится с использованием теории Морса и разложения поверхности потенциальной энергии в многомерный ряд Фурье. В гауссовском приближении изучается эффект слабого нарушения симметрии относительно перестановки мономерных звеньев (например, за счет некоторой модификации боковых групп), что приводит к топографии энергетических ландшафтов с множеством вложенных энергетических воронок. В этом случае имеется самая глубокая центральная воронка и менее глубокие сателлитные воронки, отделенные друг от друга энергетическими барьерами. Обсуждаемые топографии энергетических воронок соответствуют ряду эффектов, наблюдаемых в кинетике фолдинга белков. В частности, возникает вулканообразный профиль поверхности свободной энергии, чувствительность рефолдинга белков к способу денатурации (разворачиванию пространственной структуры), зависимость кинетики и результата фолдинга от области исходных конформаций цепи. Последнее может быть существенным для понимания механизмов котрансляционного фолдинга. При вычислении топографии поверхности свободной энергии возникает характеристический температурный параметр T', который определяется как выигрыш энергии при сворачивании цепи на одну конформационную степень свободы. Показано, что при температуре Т>0,26Т' пространственная структура глобулы разрушается. Параметр Т' и температура денатурации в рассматриваемой системе вытекают из основных топологических и геометрических принципов для формирования энергетических ландшафтов в конфигурационном пространстве торсионных углов и соображений симметрии относительно перестановки одинаковых мономерных звеньев. Отметим, что при температурах денатурации биополимеров около 60С это соотношение приводит к оценке энергии невалентных связей мономеров около 2,5 ккал/моль на одну конформационную степень свободы, что очень похоже на водородные связи в полипептидах в водной среде. Эффекты вязкости и симметрии относительно перестановки мономерных звеньев при определенных условиях могут действовать вместе. Возникающие эффекты могут представлять интерес с точки зрения физико-химической эволюции макромолекул в направлении образования пула линейных полимеров с уникальными пространственными структурами (мы полагаем, что они могут приводить к «стреле молекулярной добиологической эволюции»). Текст доклада проиллюстрирован результатами молекулярно-динамических расчетов и видеороликами процессов складывания различных типов линейных полимеров в вязких и невязких средах. [1] Shaitan K.V. Variational Principles in the Mechanics of Conformational Motions of Macromolecules in a Viscous Medium. Biophysics, 63, 1(2018). DOI: 10.1134/S0006350918010165 [2] Shaitan K.V. Hidden Symmetry Effects in the Dynamics of Linear Polymers and Biopolymers. Biophysics, 67, 386(2022). DOI: 10.1134/S0006350922030204