Low Temperature Physics: 47, 250 (2021); https://doi.org/10.1063/10.0003526
Физика Низких Температур: Том 47, Выпуск 3 (Март 2021), c. 273-291    ( к оглавлению , назад )

Features of kinetic and regulatory processes in biosystems

L. N. Christophorov, V. I. Teslenko, and E. G. Petrov

Bogolyubov Institute for Theoretical Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev 03680, Ukraine
E-mail: epetrov@bitp.kiev.ua

Received December 07, 2020, published online January 26, 2021

Abstract

A feature of biological systems is their high structural heterogeneity. This is manifested in the fact that the processes observed at the nanoscopic level are noticeably multistage in time. The paper expounds an approach that allows, basing on the methods of nonequilibrium statistical mechanics, to obtain kinetic equations that enable describing the evolution of slow processes occurring against the background of faster ones. Vibrational relaxation in electronic terms and stochastic deviations of the position of the electronic energy levels of the system from their stationary positions are considered the most important fast processes. As an example, it is shown how the kinetics of one- and two-electron transfer through protein chains, the oxygen-mediated transfer of a triplet excitation in the pigment-protein complex, the kinetics of temperature-independent desensitization of pain receptors, as well as conformational regulation of enzymatic reactions, can be described.

Анотація

Особливістю біологічних систем є їх суттєва структурна неоднорідність. Це проявляється в тому, що процеси, які спостерігаються на наноскопічному рівні, є багатостадійними в часі. Викладено підхід, який дозволяє на основі методів нерівноважної статистичної механіки отримувати кінетичні рівняння, що уможливлюють опис еволюції повільних процесів на тлі більш швидких. До найбільш важливих швидких процесів належать коливальна релаксація в електронному термі та стохастичні відхилення положення електронних енергетичних рівнів системи від їхніх стаціонарних положень. Як приклад показано, яким чином можна описувати кінетику одно- та двоелектронного переносу через білкові ланцюжки, передачу триплетного збудження в пігмент-білковому комплексі за участю кисню, кінетику температурно-незалежної десенсибілізації больових рецепторів, а також конформаційну регуляцію ферментативних реакцій.

Key words: density matrix, stochastic field, relaxation, conformation dynamics.