Natuurkundigen ontdekken de kwantumwet van eiwitvouwing

De beroemde Arrhenius-relatie stelt dat dingen sneller gaan naarmate ze heter worden. In de chemie is dat over het algemeen waar, maar er is een belangrijke uitzondering: de snelheid waarmee eiwitten in hun functionele vorm vouwen.

Het is gemakkelijk om te denken dat eiwitten sneller zouden moeten vouwen als ze afkoelen en zich dan sneller zouden moeten ontvouwen als ze opwarmen. Maar de feitelijke relatie is zowel niet-lineair als asymmetrisch, wat betekent dat ontvouwen niet het omgekeerde is van vouwen.

Moleculair biologen hebben verschillende mechanismen naar voren gebracht om dit te verklaren, zoals de niet-lineaire interactie tussen water en hydrofobe delen van eiwitten. Maar geen van deze is erg overtuigend.

Dat lijkt te veranderen met het werk van Liaofu Luo aan de Inner Mongolia University en Jun Lu aan de Inner Mongolia University of Technology, beide in China. Ze zeggen dat de manier waarop vouwen afhangt van de temperatuur, allemaal duidelijk wordt zodra je rekening houdt met de kwantummechanica.

Eerst wat achtergrondinformatie over het vouwen van eiwitten. Eiwitten zijn lange ketens van aminozuren die alleen biologisch actief worden wanneer ze zich in specifieke, zeer complexe vormen vouwen. De puzzel is hoe eiwitten dit zo snel doen als ze zoveel mogelijke configuraties hebben om uit te kiezen.

Om dit in perspectief te plaatsen: een relatief klein eiwit van slechts 100 aminozuren kan zo'n 10^100 verschillende configuraties aannemen. Als het deze vormen zou proberen met een snelheid van 100 miljard per seconde, zou het langer duren dan de leeftijd van het universum om de juiste te vinden. Hoe deze moleculen het werk doen in nanoseconden, weet niemand.

Wat ze echter wel weten, is dat de snelheid waarmee ze vouwen zeer gevoelig is voor temperatuur en biologen hebben een aanzienlijke hoeveelheid gegevens die precies laten zien hoe deze tarieven variëren. Het plotten van deze gegevens leidt tot verschillende onverwachte curven.

Tegenwoordig zeggen Luo en Lo dat deze curven gemakkelijk kunnen worden verklaard als het vouwproces een kwantumaangelegenheid is. Volgens conventioneel denken kan een keten van aminozuren alleen van de ene vorm in de andere veranderen door mechanisch door verschillende vormen ertussen te gaan.

Maar Luo en Lo zeggen dat als dit proces een kwantumproces zou zijn, de vorm zou kunnen veranderen door een kwantumovergang, wat betekent dat het eiwit van de ene vorm naar de andere zou kunnen 'springen' zonder noodzakelijkerwijs de vormen ertussen te vormen.

Luo en Lo onderzoeken dit idee met behulp van een wiskundig model van hoe dit zou werken en leiden vervolgens vergelijkingen af ​​die beschrijven hoe de snelheid van kwantumvouwing zou veranderen met de temperatuur. Ten slotte passen ze de voorspellingen van hun model aan enkele echte wereldexperimenten aan.

Hun verbazingwekkende resultaat is dat dit kwantumtransitiemodel past bij de vouwcurves van 15 verschillende eiwitten en zelfs het verschil in vouw- en ontvouwingssnelheden van dezelfde eiwitten verklaart.

Dat is een belangrijke doorbraak. De vergelijkingen van Luo en Lo komen neer op de eerste universele wetten van eiwitvouwing. Dat is in de biologie het equivalent van zoiets als de thermodynamische wetten in de natuurkunde.

Indrukwekkende dingen. En verwacht niet dat het hier stopt.

Verschillende groepen vinden bewijs van kwantumprocessen aan het werk in alles, van fotosynthese tot... vogel navigatie .

Als kwantummechanica een sleutelrol speelt bij het vouwen van eiwitten, dan kan er weinig twijfel bestaan ​​over het belang ervan in de werking van andere cellulaire machines. Het kan slechts een kwestie van tijd zijn voordat de sluizen opengaan voor kwantumbiologen.

Referentie: arxiv.org/abs/1102.3748 : Temperatuurafhankelijkheid van eiwitvouwing afgeleid van kwantumovergang

zich verstoppen