[论文解读] Models for energy and charge transport and storage in biomolecules

Serge F. Mingaleev, P. L. Christiansen+3 more|ArXiv.org|Jun 3, 1999

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 7

一句话总结

本文提出了两种用于生物分子中能量与电荷传输的模型：针对DNA的具有长程相互作用（LRI）的离散非线性薛定谔方程，展示了双稳态的钉扎态与可移动态，从而实现受控切换；以及针对蛋白质的耦合Davydov-Boussinesq孤子模型，证明了在高度非谐系统中存在稳定的束缚态。这些机制暗示了生物分子中能量储存与传输的新途径。

ABSTRACT

Two models for energy and charge transport and storage in biomolecules are considered. A model based on the discrete nonlinear Schrodinger equation with long-range dispersive interactions (LRI's) between base pairs of DNA is offered for the description of nonlinear dynamics of the DNA molecule. We show that LRI's are responsible for the existence of an interval of bistability where two stable stationary states, a narrow, pinned state and a broad, mobile state, coexist at each value of the total energy. The possibility of controlled switching between pinned and mobile states is demonstrated. The mechanism could be important for controlling energy storage and transport in DNA molecules. Another model is offered for the description of nonlinear excitations in proteins and other anharmonic biomolecules. We show that in the highly anharmonic systems a bound state of Davydov and Boussinesq solitons can exist.

研究动机与目标

• 理解DNA和蛋白质中能量与电荷传输的非线性动力学特性。
• 识别生物分子中实现稳定能量储存与受控传输的机制。
• 建立模型以阐明DNA中长程相互作用如何在固定能量水平下导致双稳态（钉扎态与可移动态）。
• 研究高度非谐生物分子（如蛋白质）中耦合孤子态的存在性与稳定性。
• 探索这些模型在生物能量调控与传输控制方面的潜力。

提出的方法

• 构建一个包含长程色散相互作用（LRI）的离散非线性薛定谔方程，用于模拟DNA碱基对的动力学。
• 分析在不同能量水平下静止态的存在性与稳定性，识别出双稳态区间。
• 通过数值模拟展示DNA中钉扎态与可移动态之间受控切换的现象。
• 应用结合Davydov与Boussinesq孤子的耦合孤子模型，描述非谐生物分子中的非线性激发。
• 研究Davydov与Boussinesq孤子在类蛋白质系统中形成束缚态及其稳定性的机制。
• 采用解析与数值方法，研究所提模型中的能量局域化与传输特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DNA中的长程相互作用是否能在同一能量水平下导致空间尺度不同的稳定态共存？
• RQ2 通过外部调制，是否可在DNA中实现局域化（钉扎）与离域化（可移动）能量态之间的受控切换？
• RQ3 在高度非谐生物分子（如蛋白质）中，Davydov与Boussinesq孤子的束缚态是否存在？
• RQ4 非谐性在实现生物分子系统中稳定、局域化的能量激发方面起什么作用？
• RQ5 这些非线性模型能否解释生物大分子中高效能量储存与传输的机制？

主要发现

• DNA中的长程相互作用导致双稳态区域的出现，使得在固定总能量下，窄而钉扎的态与宽而可移动的态共存。
• 通过数值模拟展示了钉扎态与可移动态之间的受控切换，表明其在DNA中实现能量储存与传输调控的可行性。
• 在高度非谐系统中，Davydov与Boussinesq孤子可形成稳定的束缚态，表明存在一种新型局域化激发。
• 该束缚态的存在暗示了在蛋白质及类似生物分子中实现鲁棒能量局域化的机制。
• 这些模型为理解生物系统如何利用非线性动力学实现能量管理提供了理论基础。
• 研究结果得到数值模拟与解析稳定性分析的支持，证实了所提机制的可行性。