Theory of Phase Transitions in Polypeptides and Proteins

نزدیک به 100000 توالی پروتئینی مختلف در ژنوم انسان کدگذاری شده است که هر کدام دارای چین های خاص خود هستند. درک اینکه چگونه یک توالی پلی پپتیدی تازه تشکیل شده راه خود را به چین درست پیدا می کند یکی از بزرگترین چالش ها در زیست شناسی ساختاری مدرن است. هدف این پایان نامه ارائه بینش جدیدی در مورد تاخوردگی پروتئین با در نظر گرفتن مسئله از نقطه نظر مکانیک آماری است.
این پایان نامه با بررسی درجات اساسی آزادی در پلی پپتیدهایی که مسئول انتقال ساختاری هستند شروع می شود. سپس این دانش در توصیف مکانیک آماری انتقال مارپیچ↔ در پلی پپتیدها اعمال می شود. در نهایت، فرمالیسم نظری به مورد پروتئین ها در یک محیط آبی تعمیم داده می شود. تازگی اصلی این کار در ترکیب (الف) فرمالیسم مبتنی بر ویژگی‌های فیزیکی بنیادی سیستم و (ب) امکان توصیف کمی انتقال‌های تاشو↔گشودن است. ماهیت فیزیکی واضح فرمالیسم راه را برای کاربردهای بیشتر در طیف گسترده ای از سیستم ها و فرآیندها باز می کند.

There are nearly 100 000 different protein sequences encoded in the human genome, each with its own specific fold. Understanding how a newly formed polypeptide sequence finds its way to the correct fold is one of the greatest challenges in the modern structural biology. The aim of this thesis is to provide novel insights into protein folding by considering the problem from the point of view of statistical mechanics.
The thesis starts by investigating the fundamental degrees of freedom in polypeptides that are responsible for the conformational transitions. This knowledge is then applied in the statistical mechanics description of helix↔coil transitions in polypeptides. Finally, the theoretical formalism is generalized to the case of proteins in an aqueous environment. The major novelty of this work lies in combining (a) a formalism based on fundamental physical properties of the system and (b) the resulting possibility of describing the folding↔unfolding transitions quantitatively. The clear physical nature of the formalism opens the way to further applications in a large variety of systems and processes.