Аннотация:Рассматриваются физические особенности химического строения линейных биополимеров, которыеоказались важны с точки зрения формирования уникальных 3D- структур. Обсуждаются кинематические связимежду узлами полимерной цепи и динамические эффекты вязкости, которые обеспечивают тенденцию кобразованию 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 энергииПолучены также правила для движения репрезентативной точки по многомерной поверхностипотенциальной 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 поверхностипотенциальной энергии [1] диктуют выбор наиболее плавных траекторий движения, что способствуетпреодолению парадокса Левинталя и достижению глобального минимума энергии за разумное время.Предложен новый подход к изучению многомерных энергетических ландшафтов полимеров ибиополимеров, основанный на принципах симметрии относительно перестановок в полимерной цепиодинаковых мономерных звеньев и топологии конфигурационного пространства макромолекул [2]. Анализтопографии энергетических ландшафтов макромолекул проводится с использованием теории Морса иразложения поверхности потенциальной энергии в многомерный ряд Фурье. В гауссовском приближенииизучается эффект слабого нарушения симметрии относительно перестановки мономерных звеньев (например, засчет некоторой модификации боковых групп), что приводит к топографии энергетических ландшафтов смножеством вложенных энергетических воронок. В этом случае имеется самая глубокая центральная воронка именее глубокие сателлитные воронки, отделенные друг от друга энергетическими барьерами. Обсуждаемыетопографии энергетических воронок соответствуют ряду эффектов, наблюдаемых в кинетике фолдинга белков. Вчастности, возникает вулканообразный профиль поверхности свободной энергии, чувствительность рефолдингабелков к способу денатурации (разворачиванию пространственной структуры), зависимость кинетики ирезультата фолдинга от области исходных конформаций цепи. Последнее может быть существенным дляпонимания механизмов котрансляционного фолдинга.При вычислении топографии поверхности свободной энергии возникает характеристическийтемпературный параметр T', который определяется как выигрыш энергии при сворачивании цепи на однуконформационную степень свободы. Показано, что при температуре Т>0,26Т' пространственная структураглобулы разрушается. Параметр Т' и температура денатурации в рассматриваемой системе вытекают изосновных топологических и геометрических принципов для формирования энергетических ландшафтов вконфигурационном пространстве торсионных углов и соображений симметрии относительно перестановкиодинаковых мономерных звеньев. Отметим, что при температурах денатурации биополимеров около 60С этосоотношение приводит к оценке энергии невалентных связей мономеров около 2,5 ккал/моль на однуконформационную степень свободы, что очень похоже на водородные связи в полипептидах в водной среде.Эффекты вязкости и симметрии относительно перестановки мономерных звеньев при определенныхусловиях могут действовать вместе. Возникающие эффекты могут представлять интерес с точки зрения физико-химической эволюции макромолекул в направлении образования пула линейных полимеров с уникальнымипространственными структурами (мы полагаем, что они могут приводить к «стреле молекулярнойдбиологической эволюции»).Текст доклада проиллюстрирован результатами молекулярно-динамических расчетов и видеороликамипроцессов 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 aViscous 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
