淀粉樣蛋白是由數(shù)千種蛋白質(zhì)緊密結(jié)合在一起堆疊而成的聚集體，淀粉樣蛋白的形成與幾種廣泛性疾病有關(guān)，包括阿爾茨海默氏癥和II型糖尿病?，F(xiàn)在發(fā)表在《化學(xué)物理》期刊上的研究中，科學(xué)家們報(bào)告了淀粉樣纖維形成的數(shù)學(xué)模型。

這個(gè)模型揭示了聚合過程是如何以催化的方式發(fā)生，這是以前沒有很好理解的事情。研究人員將模型應(yīng)用于一種與阿爾茨海默氏癥相關(guān)的特定蛋白質(zhì)Aβ40聚集。

結(jié)果表明，Aβ40纖維的聚集過程通常發(fā)生在界面處，如靠近液體溶液表面或試管的玻璃壁。這對解釋阿爾茨海默氏癥和其他疾病研究中使用的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)具有重要意義。該模型由一組數(shù)學(xué)方程組成，稱為速率方程，描述了蛋白質(zhì)聚集濃度隨時(shí)間的變化。模型中的每個(gè)反應(yīng)步驟都被證明與涉及酶反應(yīng)中的步驟相似。酶的作用是通過生長纖維尖端或側(cè)面，或者可能是反應(yīng)容器的表面來起作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，模型的數(shù)學(xué)形式與1913年首次發(fā)表的描述酶反應(yīng)速率的著名米氏方程有關(guān)。數(shù)學(xué)形式比以前所有用于淀粉樣蛋白形成的模型都要簡單得多，而且還有一個(gè)額外的優(yōu)勢，那就是方程可以手工求解，而不需要計(jì)算機(jī)模擬。合著者Alexander Dear說：我們希望這篇論文開發(fā)的方法論，將支持未來對新淀粉樣蛋白形成現(xiàn)象進(jìn)行建模的努力。為Michaelis-Menten型方程找到的數(shù)學(xué)解。

關(guān)鍵特征之一是一種稱為飽和的現(xiàn)象。當(dāng)飽和發(fā)生時(shí)，在高蛋白濃度時(shí)，催化位置會被完全占據(jù)。在Aβ40研究的情況下，飽和度還表明，引發(fā)聚集的過程涉及到表面，如試管的壁。雖然這些結(jié)論并不直接適用于身體本身，但合著者Tuoma Knowles說：這項(xiàng)研究工作將是促進(jìn)在體液中發(fā)現(xiàn)其他物種的情況下，淀粉樣蛋白形成的研究核心。研究還將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析帶到了一個(gè)新水平，這對于獲得有效的淀粉樣蛋白形成抑制劑將必不可少。

由可溶性多肽形成的淀粉樣纖維，是許多神經(jīng)退行性疾病的標(biāo)志，如阿爾茨海默氏癥和帕金森氏病。表征這些現(xiàn)象背后的微觀反應(yīng)過程有助于洞察此類疾病的發(fā)展，并可能為設(shè)計(jì)阻止這些疾病的藥物提供合理方法。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，大多數(shù)這些反應(yīng)過程本質(zhì)上是催化的，在生物系統(tǒng)典型條件下可能會表現(xiàn)出類似酶的飽和效應(yīng)，但目前還缺乏一個(gè)統(tǒng)一的模型框架來解釋這些飽和效應(yīng)。因此，本研究提出了一個(gè)生物纖維形成的通用動力學(xué)模型。

在該模型中，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)基本過程都可以被催化。所導(dǎo)出的單一封閉形式表達(dá)式，能夠高精度地描述廣泛的生物絲形成機(jī)理，并提供其中多個(gè)反應(yīng)過程飽和的體系的第一積分速率定律。此外，其前所未有的數(shù)學(xué)簡單性使研究人員能夠非常清楚地解釋飽和度增加對整體動力學(xué)的影響。通過對Aβ40體外聚集數(shù)據(jù)的擬合，說明了該模型的有效性。值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)一次成核變得飽和，表明它一定是非均相的，發(fā)生在界面上，而不是在溶液中。

博科園｜研究/來自：美國物理研究所

參考期刊《化學(xué)物理》

DOI: 10.1063/1.5133635

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普