Целью настоящей работы является выявление условий, при которых в результате взаимодействия колебаний молекул в альфа-спиральной молекуле белка формируются коллективные возбуждения вибронного типа. В макромолекуле белка выделяются две подсистемы: цепочка соединенных водородными связями пептидных групп и подсистема связанных через альфа-углеродный атом с пептидными группами радикалов, входящих в состав аминокислотных остатков. Молекулярные колебания в белках ответственны за такие белковые процессы, как ферментативная активность, перенос электронов и/или энергии, конформационные переходы и белковые взаимодействия. Вопрос о возможности существования длинноволновых квантовых когерентных состояний в биологических системах при физиологических температурах обсуждается в течение нескольких десятилетий. Герберт Фрёлих предположил, что колебательные режимы в белковых молекулах могут упорядочиваться и конденсироваться в низкочастотный колебательный режим в процессе, аналогичном конденсации Бозе-Эйнштейна, и, следовательно, макроскопическая когерентность потенциально может наблюдаться в биологических системах. Недавними экспериментальными данными по длительному коллективному возбуждению белка в терагерцовой области частот установлено, что, поглощая излучение с частотой 0.4 терагерц, молекулы белка в кристалле изменяют свое электронное состояние, а вместе с ним и строение. В частности, сжимается одна из α-спиралей лизоцима. При этом сжатое состояние сохраняется в образце на протяжении миллисекунд. Анализ показывает, что время существования колебаний от микро- до миллисекунд объясняется только Фрёлих-конденсацией, явлением, предсказанным почти полвека назад, но ни разу не подтвержденным экспериментально. Представления о коллективных возбуждениях в биомакромолекулах широко используются и при исследовании одного из центральных вопросов биоэнергетики - выяснении причин высокой эффективности переноса энергии, электронов и протонов в пределах одной макромолекулы и между молекулами. В данной статье теоретически в квазиклассическом приближении исследуется динамика альфа-спиральной белковой структуры при наличии внешнего окружения. Показано, что в результате взаимодействия с окружением (внутриклеточной средой) в альфа-спиральных молекулах могут возбуждаться как акустические колебания (Фрёлиховский режим), так и возбуждения типа уединенных волн - солитонов (Давыдовский режим).
Continuous energy supply, a necessary condition for life, excites a state far from thermodynamic equilibrium, in particular coherent electric polar vibrations depending on water ordering in the cell. The collective, low-frequency vibrational excitations in protein macromolecules in the terahertz frequency region are suggested to orchestrate many protein processes such as enzymatic activity, electron/energy transport, conformation transitions and others. The most significant type of excitations is long-lived coherent vibronic modes and waves which are either spreading over large protein subdomains or being localised states. Two possible mechanisms of the formation of collective dynamic modes in the form of Fröhlich collective mode and Davydov soliton were previously suggested. We developed a unified quantum-mechanics approach to describe conditions of the formation of Fröhlich vibronic state and Davidov soliton in alphahelical protein molecules interacting with the environment. We distinguish three subsystems in the model, i.e., (i) oscillating peptide groups (PGs), interacting with (ii) the subsystem of side residuals of proteins, which in turn interacts with the environment (surrounding water), which is responsible for dissipation and fluctuation processes and modelled by a system of harmonic oscillators. It was shown that the equation of motion for dynamic variables of PG chain (phonon variables) can be transformed to the nonlinear Schrodinger equation for order parameters, which determines energy “pumping” due to protein interaction with a reservoir. Solution of the order parameter equation was shown to admit bifurcation into the solution corresponding to the formation of weak damped collective vibronic mode with growing amplitude. It was also shown that the solution corresponding to Davydov soliton can exist at certain boundary conditions in this bifurcation region. The suggested mechanism of emergent of macroscopic dissipative structures in the form of collective vibronic modes in proteins is discussed in connection with recent experimental data on long-lived collective protein excitation in the terahertz frequency region
The authors declare that there are no conflicts of interest present.