30、蛋白质动力学：玻璃模型与机器模型解析

蛋白质动力学：玻璃模型与机器模型解析

1. 蛋白质玻璃模型

1.1 玻璃态动力学的实验依据

蛋白质构象转变呈现出类似玻璃态的动力学特征，有两个基本实验事实可以证明：
- 拉伸指数时间进程 ：涉及蛋白质的反应初始阶段呈现拉伸指数时间进程，在此期间会建立部分热力学平衡。
- 温度异常 ：在约200 K的Mössbauer光谱、非弹性中子散射、温度相关X射线散射、比热光谱和氘核磁共振弛豫等实验中，Lamb - Mössbauer或Debye - Waller因子出现特征温度异常，这被解释为向玻璃态的转变。

玻璃转变是一种动力学现象，依赖于实验时间尺度，而非热力学相变。在玻璃转变温度以下，蛋白质会冻结在特定层次的构象子状态中，不一定具有最低自由能。

1.2 时间尺度的起源

时间尺度是玻璃态材料的普遍特性，其起源有两种可能：
- 势垒高度层次结构 ：势垒高度的层次结构最初由Frauenfelder及其同事提出，用于统一解释配体与肌红蛋白结合过程的实验结果，这种结构已通过数值模拟得到直接证实。具有势垒高度层次结构的势能面形成了数学上的超度量空间，自旋玻璃是这种超度量结构在蛋白质应用中的合理数学实现。
- 瓶颈层次结构 ：相邻构象状态之间网络中的瓶颈层次结构也是时间尺度的一个起源。数学上，层次网络的实现形式是分形晶格，如平面Sierpiński垫片和平面渗流簇。

1.3 分形晶格的维度

分形晶格有两个重要的维度概念