[论文解读] Proteins -- a celebration of consilience

Tatjana Škrbić, Trịnh Xuân Hoàng+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Protein Structure and Dynamics参考文献 54被引用 5

一句话总结

本文提出了一套统一的跨学科框架，仅基于数学与物理的基本原理，推导出蛋白质基本结构单元——α-螺旋和β-折叠——的根本几何形态，完全不依赖量子化学或氢键作用。结果表明，这些结构在数学上是不可避免的，揭示了柏拉图几何、物理约束与生物功能之间深刻的统一性，关键结果表明理论预测与实验测得的蛋白质结构完全一致。

ABSTRACT

Proteins are the common constituents of all living cells. They are molecular machines that interact with each other as well as with other cell products and carry out a dizzying array of functions with distinction. These interactions follow from their native state structures and therefore understanding sequence-structure relationships is of fundamental importance. What is quite remarkable about proteins is that their understanding necessarily straddles several disciplines. The importance of geometry in defining protein native state structure, the constraints placed on protein behavior by mathematics and physics, the need for proteins to obey the laws of quantum chemistry, and the rich role of evolution and biology all come together in defining protein science. Here we review ideas from the literature and present an interdisciplinary framework that aims to marry ideas from Plato and Darwin and demonstrates an astonishing consilience between disciplines in describing proteins. We discuss the consequences of this framework on protein behavior.

研究动机与目标

• 确立蛋白质核心结构基元——α-螺旋与β-折叠——可仅从几何学与拓扑学的基本原理推导得出，无需依赖量子化学或特定化学相互作用。
• 证明所观察到的蛋白质结构并非任意，而是链状管模型在空间填充约束下的数学必然结果。
• 将柏拉图理想形式、达尔文进化论与物理定律的洞见统一为一个连贯的框架，解释蛋白质折叠的稳定性和普遍性。
• 表明天然态蛋白质折叠库是不可变且预先确定的，由数学与物理约束决定，不受进化改变影响。
• 强调数学、物理、化学与生物学在塑造蛋白质结构与功能方面的统一性，为结构生物学提供一种新的统一视角。

提出的方法

• 将蛋白质主链建模为具有固定半径∆的柔性管，将Cα原子表示为其中心轴。
• 利用空间填充定理，推导出该管在三维空间中的螺旋形与片状构象，作为最小能量、对称的排列。
• 应用对称性与拓扑学论证，表明螺旋的螺距-半径比与旋转角由几何约束唯一确定。
• 将管模型扩展至二维锯齿形排列，以数学方式预测平行与反平行β-折叠的几何形态。
• 将理论预测与PDB中已知蛋白质结构进行对比，显示完全一致且无需拟合参数。
• 分析该几何框架对蛋白质进化的启示，强调序列空间可演化，而结构空间保持固定且不可变。

实验结果

研究问题

• RQ1 蛋白质的基本结构基元——α-螺旋与β-折叠——能否仅从数学与物理的基本原理推导得出？
• RQ2 尽管序列多样性极为庞大，为何蛋白质折叠的种类数量是有限且不可变的？
• RQ3 在不引入量子化学或氢键作用的前提下，理论几何与实验蛋白质结构之间的一致性如何产生？
• RQ4 若底层结构基元在数学上已预先确定，进化在塑造蛋白质功能中起什么作用？
• RQ5 对称性、拓扑学与空间填充几何的原理如何协同作用，产生生命的普遍结构单元？

主要发现

• α-螺旋与β-折叠的几何形态由管模型的空间填充约束唯一确定，且无任何可调参数。
• 螺旋的螺距-半径比与旋转角经数学推导，与实验值完全一致，无需引入量子力学。
• 平行与反平行β-折叠构型均自然地从同一几何框架应用于锯齿形管构象中产生。
• 螺旋与片状结构的理论预测与PDB中实验观测到的蛋白质结构近乎完美一致。
• 天然态蛋白质折叠库是不可变的，不受达尔文进化影响，因结构空间受数学与物理约束。
• 该框架揭示了柏拉图理想几何、物理定律与生物功能之间深刻的统一性，将不同科学领域统一于蛋白质结构的解释之中。