Квантово тунелиране на солитони на Давидов

Протеините са молекулярните нанодвигатели, които извършват всички биохимични дейности, поддържащи живота. Функционалните протеинови комплекси често са клампирани в неактивно мета-стабилно състояние, което може лесно да се активира чрез сигнални каскади, задействащи освобождаването на инхибиторната клампа. Протеиновите клампи осигуряват на клетката ефективни механизми за наблюдение на промените в околната среда и задействане на адаптации, които поддържат хомеостазата. Общият физически механизъм зад действието на протеиновите клампи обаче не е идентифициран досега.

В новата ни статия, публикувана в Chaos, Solitons and Fractals, ние изследвахме модела на Давидов за квантовия транспорт на енергията на амидния I екситон, която е само-захваната в солитонови състояния, които се разпространяват по протеиновите α-спирали и запазват формата си при отскачане от краищата на α-спиралата. Изследвахме изчислително дали солитоните на Давидов могат да отскачат от масивни бариери, които моделират наличието на външни протеинови клампи, действащи върху част от α-спиралата, и характеризирахме обхвата на бариерните условия, при които солитоните на Давидов могат да тунелират през бариерата. Компютърните симулации показват, че вариацията на аминокиселинните маси в протеините има незначителен ефект върху динамиката на солитона на Давидов, но масивна бариера, която е стократно по-голяма от масата на една аминокиселина, представлява пречка за разпространението на солитоните. По-голямата ширина на солитона на Давидов стабилизира солитона при отскачане от такава масивна бариера и увеличава вероятността за тунелиране през нея, докато по-голямата изотропия на взаимодействието между екситона и решетката от водородни връзки подтиска тунелната ефективност чрез увеличаване на времето за взаимодействие между солитона на Давидов и бариерата, като по този начин удължава времето за тунелиране през бариерата и увеличава вероятността за отскачане от нея. Представените резултати показват, че солитоните на Давидов могат да отскачат от или тунелират през масивни бариери, и предлагат общ физичен механизъм, който е в основата на действието на протеиновите клампи чрез локално увеличение на ефективната маса на протеиновата α-спирала.

Квантово тунелиране