[論文レビュー] Temperature Dependence of Protein Folding Deduced from Quantum Transition

Liaofu Luo, Jun Lu|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2011

Protein Structure and Dynamics被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、タンパク質の折りたたみ速度の温度依存性を説明するための量子遷移理論を提案する。折りたたみをポリペプチド鎖上のねじり角状態間の非断熱的量子遷移としてモデル化する。非断熱的演算子法を用いて、15種のタンパク質において非アレニウス的挙動を正確に予測できる一般化された速度-温度関係を導出しており、定量的解析において量子力学の必要性を示している。

ABSTRACT

A quantum theory on conformation-electron system is presented. Protein folding is regarded as the quantum transition between torsion states on polypeptide chain, and the folding rate is calculated by nonadiabatic operator method. The theory is used to study the temperature dependences of folding rate of 15 proteins and their non-Arrhenius behavior can all be deduced in a natural way. A general formula on the rate-temperature dependence has been deduced which is in good accordance with experimental data. These temperature dependences are further analyzed in terms of torsion potential parameters. Our results show it is necessary to move outside the realm of classical physics when the temperature dependence of protein folding is studied quantitatively.

研究の動機と目的

• 古典的モデルを超えるタンパク質折りたたみ動力学の量子力学的枠組みの構築を目的とする。
• 実験的に観察された非アレニウス的温度依存性の折りたたみ速度を説明することを目的とする。
• 多様なタンパク質にわたる実験データに適合する一般化された速度-温度関係の導出を目的とする。
• 古典的物理学がタンパク質折りたたみの温度依存性の定量的分析に不十分であることを示すこと。

提案手法

• ポリペプチド鎖に沿った離散的ねじり角状態間の量子遷移としてタンパク質の折りたたみをモデル化する。
• 非断熱的演算子法を用いて、量子遷移確率から折りたたみ速度を計算する。
• ねじりポテンシャルパラメータと量子遷移行列要素に基づいた一般化された速度-温度式を導出する。
• 15種のタンパク質の実験的折りたたみ速度データを用いて理論的予測を検証する。
• ねじりポテンシャルパラメータが観察された温度依存性に与える影響を分析する。
• 理論的予測と実験データを比較し、正確性と一貫性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子遷移理論は、タンパク質折りたたみ速度の非アレニウス的温度依存性を説明できるか？
• RQ2 非断熱的演算子法は、異なるタンパク質においてどのように定量的に折りたたみ速度を予測するか？
• RQ3 ねじりポテンシャルパラメータは、折りたたみ動力学の温度依存性の形状にどのような役割を果たすか？
• RQ4 古典的遷移状態理論は、タンパク質折りたたみの温度依存性を記述する上でどの程度失敗するか？
• RQ5 統一された量子力学的公式は、多様なタンパク質系における折りたたみ速度を記述できるか？

主な発見

• 提案された量子遷移モデルは、15種の多様なタンパク質について、非アレニウス的温度依存性の折りたたみ速度を成功裏に再現した。
• 導出された一般化された速度-温度式は、テストされたタンパク質群全体で実験データと強い一致を示した。
• 理論は、古典的物理学がタンパク質折りたたみ動力学の定量的記述に不適切であることを明らかにした。
• ねじりポテンシャルパラメータは、折りたたみ速度-温度曲線の形状に顕著な影響を与えた。
• 非断熱的量子遷移は、アレニウス則からの観察された逸脱を自然に説明するものである。
• 本モデルは、量子力学を介して分子的コンformational状態と運動論的パラメータを結びつける統一された理論的枠組みを提供する。