蛋白质 α-螺旋中自由能的量子输运与利用

维持生命的基本生物学过程由蛋白质纳米引擎催化，这些引擎使生命系统维持在远离平衡的有序状态。为研究蛋白质中的能量过程，我们分析了广义 Davydov 方程组，该方程组支配着沿 α-螺旋中氢键结合的肽基团传播的多个酰胺 I 激子量子的量子动力学。计算模拟证实了，通过对不同长度蛋白质 α-螺旋施加酰胺 I 能量脉冲可生成运动的 Davydov 孤子。这些孤子的稳定性与迁移率取决于酰胺 I 振子间偶极-偶极耦合的均匀性，以及激子-声子相互作用的各向同性。Davydov 孤子还能够量子隧穿通过大质量势垒，或在碰撞点发生量子干涉。本文结果支持量子效应在生物系统中扮演的非平凡角色，这超越了共价键作为大分子结构结合剂的机械论支撑。Davydov 孤子的量子隧穿与干涉，为具有催化活性的大分子蛋白质复合物提供了一种物理机制，使其能够实现自由能的高效输运、递送与利用，此外还有支持此类真实量子现象存在的生物有序的演化使命，并可能确实划定了生命的量子边界。