[论文解读] Life's Solutions are Complex Fluids. A Mathematical Challenge

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Protein Structure and Dynamics参考文献 367被引用 5

一句话总结

本文提出将生物系统中的离子溶液视为复杂流体，以解决经典热力学与统计力学在建模电相互作用、边界条件及生命所必需的流动方面存在的局限性。通过将量子力学电子动力学与复杂流体理论中的连续电场和位阻场相结合，作者认为生化反应——尤其是酶活性位点中的反应——必须被理解为瞬态、非均匀、相互作用的系统，其中一切影响一切。

ABSTRACT

Classical thermodynamics and statistical mechanics describe systems in which nothing interacts with nothing. Even the highly refined theory of simple fluids does not deal very well with electrical interactions, boundary conditions, or flows, if at all. Electrical interactions, boundary conditions, and flows are essential features of living systems. Life without flow is death and so a different approach is needed to study biology alive. The theory of complex fluids deals with interactions, boundary conditions, and flows quite well as can be seen in its successful treatment of liquid crystals. I advocate treating ionic solutions in general as complex fluids, with microelements that are the solutes and components of the solution. Enzyme active sites are a special case where some solutes are reactants. Solutes are crowded into active sites of enzyme by the high density of protein charges. The electric field links chemical reactions to charges in the protein and surrounding solutions. Interactions potentiate catalysis and control biological function. I suspect that most chemical reactions that occur in liquids also need to be treated by the theory of complex fluids. The electron movements of these reactions occur in a temporary highly concentrated fluctuation, a transient spatial inhomogeneity in the bulk solution. The electron movements of these reactions (described by quantum mechanics) are coupled to the electric (and sometimes steric) fields of the bulk solution. I suspect the electron movements, inhomogeneities, and chemical reaction (in the condensed phase) need to be treated by the theory of complex fluids because everything interacts with everything else, in this system, as in so many others.

研究动机与目标

• 解决经典热力学与统计力学在建模生命系统时的不足，这些系统本质上涉及电相互作用、边界条件和流动。
• 认识到生命依赖于流动，静态模型无法捕捉生物功能。
• 引入复杂流体理论作为统一框架，能够处理生物环境中相互作用、边界效应与动态流动。
• 将酶活性位点与凝聚相中的化学反应重新框架化为瞬态、高浓度、非均匀的涨落，受耦合电场与位阻场支配。
• 主张反应中的电子运动必须置于周围体相溶液电场的背景下处理，要求采用整体性、多体方法。

提出的方法

• 将离子溶液建模为复杂流体，整合微观溶质相互作用、电场与边界条件。
• 将复杂流体理论——此前在液晶中取得成功——应用于生物系统，如酶活性位点。
• 将溶质（包括反应物）视为拥挤、带电环境的组成部分，其中静电势与位阻约束调节反应活性。
• 通过多尺度方法将量子力学电子动力学与溶液的连续电场和位阻场耦合。
• 利用瞬态空间非均匀性的概念，描述化学反应过程中局部、涨落的高浓度区域。
• 将系统表述为完全相互作用的网络，其中溶质、电荷与溶剂共同决定反应路径与速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何扩展经典热力学与统计力学，以建模生命系统中至关重要的电相互作用与流动？
• RQ2 生物环境中边界条件与电场在多大程度上影响酶催化与反应速率？
• RQ3 复杂流体理论能否为凝聚相中化学反应的建模提供比传统方法更准确的框架？
• RQ4 离子溶液中瞬态、局域的非均匀性如何影响生化反应中的电子转移？
• RQ5 体相溶液的电场在将电子动力学与生物系统宏观反应动力学耦合中起什么作用？

主要发现

• 经典理论无法充分建模生物系统中的电相互作用、边界效应与流动，而这些是生命所必需的。
• 复杂流体理论成功处理了相互作用、边界条件与流动——这些特征在传统统计力学中缺失或建模不佳。
• 酶活性位点作为微环境，高电荷密度产生瞬态、局域的非均匀性，从而促进催化。
• 化学反应中电子的运动发生于溶液中波动的、高浓度区域，必须将其视为动态相互作用系统的一部分。
• 溶液的电场将量子尺度的电子动力学与宏观反应速率耦合，要求通过复杂流体理论实现统一处理。
• 本文结论认为，由于系统中所有组分普遍存在耦合，液体中的大多数化学反应都必须在复杂流体框架下处理。