Скрытая симметрия, обнаруженная в химических кинетических уравнениях, имеет важное значение для разработки лекарств

Исследователи из Университета Райса обнаружили скрытую симметрию в химических кинетических уравнениях, которые ученые давно используют для моделирования и изучения многих химических процессов, важных для жизни.

Находка имеет значение для разработки лекарств, генетики и биомедицинских исследований и описана в исследовании, опубликованном 21 апреля 2020 года в Трудах Национальной академии наук. Чтобы проиллюстрировать биологические последствия, соавторы исследования Олег Игошин, Анатолий Коломейский и Джоэл Мэллори из Центра теоретической биологической физики Райса (CTBP) использовали три широкомасштабных примера: сворачивание белка, ферментативный катализ и эффективность моторного белка.

Игошин сказал, что симметрию «не так уж трудно доказать, но никто не заметил ее раньше».

В каждом случае исследователи продемонстрировали, что простое математическое соотношение показывает, что вероятность ошибок определяется кинетикой, а не термодинамикой.

«Это может быть белок сворачивания ошибочно направляющийся назад вместо того, чтобы идти вперед», — сказал Игошин, профессор биоинженерии в Райс. «Все эти свойства могут быть выражены как отношение двух стационарных потоков, и мы обнаружили, что биологические свойства, выраженные в этих терминах, находятся под кинетическим контролем».

Пример сворачивания белка иллюстрирует значение для разработки лекарственного средства. Все белки складываются в характерную форму, а фракция — в неправильную форму. Неправильное сворачивание белка вовлечено в некоторые наследственные генетические расстройства и заболевания, и производители лекарств заинтересованы в создании лекарств, которые могут уменьшить вероятность неправильного сворачивания белков.

Прежде чем он сгибается, у белка есть энергия, как шар, сидящий на вершине холма. Складывание — это спуск с этой высокоэнергетической стартовой точки до места, где шар прекращает катиться. Химики часто используют наглядное пособие, называемое «пейзаж свободной энергии», чтобы составить график уровней энергии в химических реакциях. Пейзаж выглядит как горный массив с пиками и долинами, а спуск с развернутой начальной точки белка до полностью сложенной конечной точки может выглядеть как горная дорога, которая проходит через ряд долин. Даже если один город вдоль дороги ниже по высоте, путешественнику, возможно, придется подняться на холмы, чтобы попасть из одной долины в другую по пути вниз.

«Мы показали, что именно барьеры, высокие точки между долинами определяют эти соотношения», — сказал Игошин. «Глубина долин не имеет значения».

«Если вы хотите получить лекарство, которое, например, поможет правильно сворачивать белок, наш прогноз заключается в том, что лекарство должно быть в состоянии уменьшить барьер на пути свертывания», — сказал он. «Если это повлияет только на долины, скажем, путем улучшения стабильности некоторых промежуточных конформаций вдоль пути свертывания, это не изменит соотношение правильного сгиба белка по сравнению с неправильным».

Игошин сказал, что работа была основана на исследовании 2017 года, где он, Коломейский и бывший постдокторский исследователь CTBP Киншук Банерджи показали, что точность ферментативного катализа контролируется кинетически. Игошин назвал это открытие «своего рода симметрией уравнений».

Источник

Метки: белок