《酶構型漲落及單分子酶反應動力學的介觀統計理論》是依託四川大學，由趙南蓉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：酶構型漲落及單分子酶反應動力學的介觀統計理論
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙南蓉
- 依託單位：四川大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
研究酶反應統計動力學對深入了解結構與活性之間的關係具有重要的意義。本項目將探討酶的構型漲落對單分子酶反應動力學的影響，建立統一的酶構型和酶反應動力學的介觀統計理論。主要內容包括（1）發展酶構型統計理論：我們將同時考慮酶內部結構漲落及溶液環境外噪聲對構型的影響。採用二維廣義郎之萬方程描述構型漲落，納入來自酶內部相互作用的分數高斯噪聲，以及來自溶液環境的普通高斯噪聲；（2）推廣傳統的電荷轉移理論：螢光光譜實驗檢測酶構型的漲落常含電荷轉移。我們將採用上述的構型統計方法，建立相關的電荷轉移理論，解釋螢光光譜實驗；（3）發展動力學無序理論：動力學無序是指反應速率常數隨時間發生變化。我們將推廣Kramers速率理論，以及酶反應的Michaelis-Menten機制，揭示構型漲落對動力學無序的影響。以上理論將用以解釋酶分子螢光壽命的漲落，單分子酶反應等候時間分布，以及速率常數的漲落等一系列實驗結果。
結題摘要
（1）蛋白質構型漲落的亞擴散行為的二維廣義郎之萬方程描述 我們引入二維廣義郎之萬方程描述蛋白質構型漲落。假設二維的構型粗粒化變數分別受到分數高斯噪聲和白噪聲的影響。具體考察了自由布朗粒子，以及受二維耦合諧振子平均力勢能作用的布朗粒子的擴散動力學行為。我們計算了位移和速率的均值、方差和關聯，以及均方位移、含時擴散係數等統計特徵量。分析其長時間和短時間的漸近行為。特別討論了噪聲耦合和諧振子耦合對亞擴散動力學行為的影響。我們發現，兩個維度上自擴散的短時間行為不受噪聲耦合和勢能耦合的影響，同時，它們的長時間漸近仍然遵循一維體系中的亞擴散和常規擴散規律。噪聲耦合延長了自由布朗粒子運動弛豫到平衡的特徵時間標尺，勢能耦合延長了勢能面中布朗粒子的弛豫特徵時間標尺。另外，噪聲耦合和勢能耦合會產生交叉擴散，其長時間行為取決於兩個維度上特徵時間標尺的相對大小。 （2）結合電荷轉移原子密度填充模型的蛋白質構型漲落描述 我們在蛋白質構型漲落的二維廣義郎之萬方程描述的基礎上，結合電荷轉移的原子密度填充模型研究螢光壽命的漲落。假定通過鍵的路徑受到分數高斯噪聲的作用，通過空間路徑受到高斯白噪聲的作用。引入噪聲間的線性耦合平衡態協方差耦合。我們解析推導了螢光壽命的方差與二維路徑漲落關聯矩陣的關係。數值計算了螢光壽命的方差。分析了它的短時間和長時間極限。比對二維的螢光壽命理論曲線與一維的結果，我們發現隨著通過空間路徑的比重增加，基於二維的螢光壽命的結果與一維的結果偏離較大。我們的分析為體系中電荷轉移通過空間衰減路徑占重要作用的螢光壽命光譜分析提供了理論基礎。 （3）基於Kramers速率理論的酶反應動力學無序效應計算 我們將單分子酶反應視為跨越平均力勢場能壘的隨機過程，受到蛋白質鏈間複雜相互作用導致的分數高斯噪聲的影響。假設反應坐標與構型變化坐標相吻合。首先推導了與廣義郎之萬方程等價的廣義Smoluchowski方程。進一步推廣Kramers速率理論，計算了粒子跨越能壘的速率隨時間的漲落，以及體系在勢阱處的殘留機率、等候時間分布、平均反應時間等。最後將等候時間分布的理論曲線與單分子酶反應的實驗數值進行擬合。獲得體系噪聲和平均力勢場的統計參數。將蛋白質構型的長時間慢漲落與反應動力學無序現象聯繫起來。
