Transition in relaxation paths in allosteric molecules: enzymatic kinetically constrained model
生物系统中普遍存在时间尺度的层次结构，酶反应在其中发挥着重要作用，因为它们可以加速松弛到平衡。我们引入了一个统计物理模型的相互作用的自旋，也包括酶反应，以扩展经典模型的变构调节。通过蒙特卡罗模拟，我们发现弛豫动力学比基元反应慢得多，并且在时间上是对数的，具有几个平台，正如通常观察到的玻璃。这是因为通过竞争酶的协同性的动力学约束，其对具有不同结构的分子具有不同的亲和力。我们的模型表明，对称性破缺的弛豫轨迹，导致固有的动力学过渡没有任何对应的平衡态。在本文中，我们讨论了这些结果在生物学中的不同反应的相关性。
2019-06-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Acceleration of enzymatic reaction-diffusion kinetics by intermediate state
本研究通过反应-扩散模型探究中间态对生物分子马达动力学的影响，发现中间态通过降低有效能垒加速马达，尤其在负载下显著，并为设计高效人工分子马达提供启示。
2025-05-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Enhanced diffusion of colloidal tracers due to enzymatic activity
California State University Fullerton（加州州立大学富勒顿分校）；Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics, Princeton University（普林斯顿大学整合基因组学刘易斯-西格勒研究所）；Université de Toulouse（图卢兹大学）；Valencia High School（瓦伦西亚高中）；Syracuse University（雪城大学）；Brandeis University（布兰迪斯大学）；CNRS, Laboratoire de Physique Théorique（法国国家科学研究中心理论物理实验室）；CNRS, Centre de Biologie Intégrative（法国国家科学研究中心综合生物学中心）
研究酶活性对胶体示踪剂扩散的影响，通过结合差分动态显微镜和光镊测量，比较不同配置、不同大小示踪剂的情况，发现酶活性可转换为微观运动和力，增强效果受多种因素影响，对理解非平衡动力学有重要意义。
2026-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Acceleration of enzymatic reactions due to nearby inactive binding sites
本文通过稳态流模型比较，揭示邻近非活性结合位点可通过储存释放或阻碍离开两种机制加速酶促反应，其中储存机制加速最高可达15%。
2025-01-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The Activation Entropy Change in Enzymatic Reaction Catalyzed by Isochorismate-Pyruvate Lyase of Pseudomonas Aeruginosa PchB
熵对酶催化作用的贡献的解释已经争论了几十年。最近实验测得的PchB中分支酸酯重排反应的活化焓和活化熵引起了分支酸酯重排催化反应是否为熵驱动反应的争论。广泛构型取样与量子力学/分子力学分子动力学（QM/MM MD）相结合，提供了一种计算凝聚相反应熵贡献的方法。在DFT和SCC-DFTB水平上利用QM/MM MD模拟了完整的反应途径。在SCC-DFTB水平上计算的总熵变与实验值吻合较好。构象分析表明，分支酸在PchB活性中心的自有序化也有助于总熵变。这种熵罚包括构象转变熵和活化熵，不能从仅作为PchB催化反应的反应路径上的稳态的晶体结构直观地推测。这是第一次使用QM/MM MD模拟计算的激活熵的温度依赖性的可靠的自由能分布与广泛的模拟时间。焓/熵方案的合理解释澄清了熵变的细节，为矛盾的实验结果提供了定量的工具。
2017-11-06 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Floquet Driving of Enzymatic Reactions: Counting Statistics and Long-Time Currents
The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo（东京大学固体物理研究所）；Faculty of Engineering, Tokyo Polytechnic University（东京工艺大学工学部）
研究在时变控制下化学反应动力学，通过发展弗洛凯理论计算电流及其计数统计，以离散弗洛凯驱动的环磷酸腺苷生产生化系统为例，得到相关解析表达式和数值结果，为周期性驱动化学反应的弗洛凯分析奠定基础。
2026-08-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantifying fluctuations in reversible enzymatic cycles and clocks
生化反应在分子尺度上基本上是有噪声的。这限制了反应网络的精度，但也允许波动测量，这可能揭示底层生化网络的结构和动力学。在这里，我们研究非平衡反应循环，如分子马达的机械化学循环，生物钟蛋白质的磷酸化循环，或酶的过渡态循环。在这样的周期波动可以测量使用的随机性参数，我们证明是等效的一般微观可逆循环的两个经典定义。定义了可逆循环的随机周期，并给出了其矩的解析解。此外，我们将这两种形式的随机性参数与热力学不确定性关系相关联，这限制了热力学量方面的周期的定时精度。我们的研究结果也应该被证明是有用的时间波动在更一般的网络的研究。
2018-03-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Real-Time, Label-free Electrical Transduction of Catalytic Events in a Single-Protein Redox Enzymatic Junction
本文利用电化学控制纳米隧穿连接实时无标记监测P450cam和谷胱甘肽还原酶的单蛋白催化电流切换，并验证其频率与体相转换数一致。
2025-01-08 physics.bio-ph
Solvent viscosity dependence for enzymatic reactions
提出了酶作用下溶剂粘度与反应速率常数关系的机理。它是基于酶活性位点中电场的波动产生的热平衡摇摆（曲柄轴运动）的刚性平面（其中的偶极矩$\approx 3.6 D$所在）的一个有利的位置和取向的肽基团（或可能是其中的几个）。因此，平面的摇摆导致偶极矩电场的波动。这些波动可以与反应坐标相互作用，因为后者反过来具有跃迁偶极矩，由于在移动的反应系统沿它的电荷分离。摇摆的肽基团的平面是敏感的微粘度的环境中的蛋白质内部和后者是溶剂粘度的函数。因此，我们得到了一个额外的因素，这些特性与反应速率常数的相互关系。我们认为，由于曲轴运动的特性，电场波动的频谱在某些频率处具有尖锐的共振峰，并且相应的傅立叶模式可以近似为振荡。我们采用了一个已知的结果，从理论上的热激活逃逸周期性驱动，以获得反应速率常数，并认为它产生可靠的描述preexponent溶剂粘度的依赖体现本身。所建议的机制，以掌握从实验中已知的这种依赖性的主要特征，并令人满意地产生的分数指数的上限在它。
2008-09-03 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Networked Enzymatic Logic Gates with Filtering: New Theoretical Modeling Expressions and Their Experimental Application
我们报告的第一个研究网络连接的酶催化反应，添加化学和酶的过程，将最近开发的生化过滤步骤到这个生物催化级联的功能。新的理论表达式推导出允许简单的，少参数建模的网络组件级联在这样的级联，无论有没有过滤。推导出的表达式进行测试，对实验数据获得的实现网络的响应，光学测量，其输入的化学品的浓度的变化，有和没有过滤过程。我们还描述了本建模方法如何捕捉和解释几个观察和功能，在早期的研究中确定的酶过程时，他们被认为是潜在的网络组件的多步信息/信号处理系统。
2013-12-16 physics.bio-ph q-bio.MN
Skewness and Kurtosis in Statistical Kinetics
我们得到的上下限偏度和峰度与循环完成时间的单循环酶促反应计划。类似于一个众所周知的随机性参数的下限，偏度和峰度的下限与底层化学反应网络中的中间状态的数量有关。我们的研究结果表明，评估这些高阶矩与单分子数据可以导致不包含在随机性参数的酶的计划的信息。
2015-10-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Stochastic nanoswimmer: a multistate model for enzyme self-propulsion and enhanced diffusion
针对酶的增强扩散现象，本文提出具有涨落迁移率的二聚体多态模型，利用三态酶促循环中的状态转换产生奔跑—翻滚运动，并给出匹配实验自推进速度与扩散增强的条件。
2024-05-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Analysis of noise-induced bistability in Michaelis Menten single-step enzymatic cycle
在本文中，我们研究了噪声诱导的双稳态在一个特定的电路，具有许多生物学意义，即一个单步酶循环描述的米氏方程与准稳态假设。我们研究了系统的主方程形式主义，并与福克-普朗克连续近似，其特征的条件下，连续的方法是一个很好的近似精确的离散模型。对这两种情况下的平稳分布的分析表明，双峰性在这样的系统中不可能发生。我们讨论了额外的要求可以产生随机双峰，通过耦合系统与化学反应，涉及酶的生产和营业额。这个扩展的系统只在特定的参数窗口中显示了依赖于所涉及的分子数量的行为，提供了关于哪个应该是可行的系统大小的提示，以便这种现象可以在实际的生物系统中被利用。
2011-07-22 physics.bio-ph q-bio.MN
Conformational Nonequilibrium Enzyme Kinetics: Generalized Michaelis-Menten Equation
在构象非平衡稳态（cNESS）中，酶的周转率受潜在构象动力学的调节。基于离散动力学网络模型，我们使用积分概率通量平衡法推导了构象调节酶促反应的cNESS转换速率。将传统的Michaelis-Menten（MM）速率方程推广到一个广义的形式，它包含了组合循环动力学环中构象布居流引起的非MM校正。当满足构象细致平衡时，周转率降低到MM函数形式，解释了它对许多酶系统的有效性。对于第一次，一个一对一的对应关系之间建立非MM条款和组合循环回路与不平衡的构象电流。在酶促反应中观察到非平衡构象动力学导致的协同性，我们提供了一种新的，严格的手段来预测和表征这种行为。我们的广义MM方程提供了一个系统的方法来探索cNESS酶动力学。
2017-05-16 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.QM
Mechanistic rules for de novo design of enzymes
提出热力学一致模型描述燃料驱动酶的非平衡构象变化与催化机制，通过动量守恒与耗散耦合实现酶功能分岔涌现，可补充机器学习酶设计策略。
2025-05-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Simultaneous measurements of enzyme propagation and biopolymer mobility elucidate the directional degradation of a dense biopolymer matrix
Laboratoire Charles Coulomb (L2C), CNRS, Université de Montpellier（蒙彼利埃大学）；TBI, Université de Toulouse, CNRS, INRAE, INSA（图卢兹大学）；IATE, INRAE, Institut SupAgro, Université de Montpellier（蒙彼利埃大学）；IBMM, Université de Montpellier, CNRS, ENSCM（蒙彼利埃大学）；Institut Universitaire de France（法兰西学院）
该研究通过同时追踪酶扩散与生物聚合物降解，明确了致密生物聚合物基质降解与酶传播的关系，建立了优化相关酶过程的定量框架。
2026-11-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Role of water in the enzymatic catalysis: study of ATP + AMP -> 2ADP conversion by adenylate kinase
腺苷酸激酶（ADK）的催化转化ATP + AMP -> 2ADP涉及一个ATP分子与LID结构域的结合和一个AMP分子与NMP结构域的结合。后者之后是磷酸转移，然后释放两个ADP分子。我们已经计算出一种新的二维构型自由能表面（2DCFES），与一个反应坐标的LID和NMP域运动，明确与水的相互作用。我们计算的2DCFES清楚地揭示了存在一个稳定的半开半闭（HOHC）的中间状态的酶。酶通过HOHC状态的循环使反应的构象自由能垒降低约20 kJ/mol。我们发现，半开半闭状态的稳定性（在所有早期的隐式溶剂模型研究中均未发现）主要是由于极性氨基酸侧链与水，特别是精氨酸和组氨酸残基的特异性相互作用的增加。LID结构域的自由能表面相当粗糙，这可以方便地减慢LID的构象运动，从而促进催化循环中产物释放后新底物的捕获。
2010-12-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Transients generate memory and break hyperbolicity in stochastic enzymatic networks
催化速率对底物浓度的双曲线依赖性是酶动力学中的经典结果，由著名的Michaelis-Menten方程量化。这种关系在不同的化学和生物学背景下的普遍存在，最近已经合理化的确定性反应网络的图论分析。然而，实验已经揭示，“分子噪声”--分子尺度上的内在随机性--导致与经典结果的显著偏差，并导致意想不到的效应，如“分子记忆”，即，营业额事件之间的统计独立性的崩溃。在这里，我们表明，通过一种新的分析方法，记忆和非双曲性有一个共同的来源，在一个初始的，可观察到的长，瞬态特有的随机反应网络的多个酶。单一酶的网络不允许这样的瞬变。瞬态产量，渐近，到一个稳定的状态，记忆消失和双曲恢复。我们提出了新的统计措施，定义在周转时间，以区分瞬态和稳态，并将这些实验数据从一个具有里程碑意义的实验，首先观察到分子记忆在一个单一的酶与多个结合位点。我们的研究表明，在分子水平上的催化与一个以上的酶总是包含一个非经典的制度，并提供了洞察如何达到经典的限制。
2020-10-02 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Exothermicity is not a necessary condition for enhanced diffusion of enzymes
最近的实验表明，当它们具有催化活性时，放热酶和快速酶的扩散性增强，并且已经探索和量化了不同的物理机制来解释这一观察结果。我们进行测量的吸热和相对缓慢的酶醛缩酶，这也表明底物诱导的增强扩散。我们提出了一个新的物理范式，它揭示了一个模型酶流体动力耦合到它的环境中的扩散系数显着增加时，在底物依赖的方式进行构象波动的变化，是独立的整体营业额率的基础酶反应。我们的研究结果表明，底物诱导的增强扩散的酶分子可以解释在一个平衡的图片，催化反应的催化性是不是观察到这种现象的必要条件。
2017-04-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Propagation of Enzyme-driven Active Fluctuations in Crowded Milieu
该研究通过测量被动示踪粒子扩散，揭示拥挤介质虽降低底物转化率，却显著增强酶活性引起的相对扩散，证明介质在酶机械能传播中的关键作用。
2024-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Generic Schemes for Single Molecule Kinetics 2: Information Content of the Poisson Indicator
最近，我们描述了一种途径分析技术（论文1），用于分析基于首次通过时间分布的单分子动力学通用方案。在这里，我们采用这种方法来推导表达式的泊松指标，随机变化的措施（基本上相当于法诺因子和曼德尔的Q参数），为各种更新（无记忆）酶促反应。我们研究其对底物浓度的依赖性，而不假设所有步骤都遵循泊松动力学。拟合的前两个等待时刻的函数形式的基础上，我们表明，二阶，非泊松动力学一般是欠定的，但可以指定在某些情况下。对于一个任意的中间拓扑结构的酶促反应，我们确定了一个通用的最小值的泊松指标作为底物浓度的函数，它可以用来调整底物浓度的随机波动和估计的最大数量的基本连续链接在营业额周期。我们确定了一个局部最大值的泊松指标（相对于底物浓度）的更新过程中的竞争性结合的签名，无论是基板和抑制剂之间或多个基板之间。我们的分析探讨了泊松指标测量和微观动力学机制之间的丰富联系。
2017-03-02 physics.bio-ph q-bio.QM
Thermodynamic validity criterion for the irreversible Michaelis-Menten equation
酶动力学通常由不可逆的Michaelis-Menten（MM）方程表征。然而，在开放的化学反应网络，如代谢途径，这种方法可能会导致显着的动力学和热力学不一致。基于非平衡化学热力学的最新发展，我们提出了一个完全用酶催化反应的平衡常数表示的有效性判据。当满足时，它保证了不可逆MM方程产生动力学和热力学数据的能力，这些数据在合理的浓度范围内是定量可靠的。因此，我们的有效性标准是一个宝贵的工具，以确保可靠的动力学和热力学建模的途径。我们还表明，它正确地识别糖酵解和克雷布斯循环中所谓的不可逆酶促反应。
2020-06-11 physics.bio-ph physics.chem-ph
Modeling of solvent flow effects in enzyme catalysis under physiological conditions
本文提出了一种在生理条件下，在明确的有效溶剂中酶催化动力学的随机模型。将具有吸收边界的球形壳中的扩散颗粒的分析计算的第一通过时间密度与从显式模拟获得的密度相结合，以获得酶系统的总反应周期时间的总体概率密度。该方法被用来研究磷酸甘油酸激酶-ADP-双磷酸甘油酸系统中的磷酰基的催化转移，糖酵解的步骤之一。酶-底物结合和反应的直接模拟进行使用的蛋白质的弹性网络模型，和溶剂运动描述的多粒子碰撞动力学，其中包括流体动力学流动的影响。溶剂-酶耦合发生通过明确的分子间相互作用的系统，以及系统中，这种耦合是考虑到包括在多粒子碰撞步骤中的蛋白质和底物，进行了研究，并与模拟流体动力学耦合是不存在的。它表明，周围的酶的溶剂颗粒的流动促进了大规模的铰链运动的酶与结合的基板，并具有显着的影响的概率密度和平均时间尺度的形状的基板附近的酶，结合后的酶的关闭，并完成整个周期的时间。
2012-03-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Label-free optical detection of single enzyme-reactant reactions and associated conformational changes
监测单个酶的动力学和构象动力学对于更好地理解它们的生物学功能至关重要，因为这些运动和结构动力学通常在分子之间不同步。然而，由于通常需要对反应物或酶本身进行标记，因此在单分子基础上检测酶-反应物相互作用和酶的相关构象变化仍然是现有光学技术的挑战。标记过程通常是不平凡的，标记本身可能会扭曲酶的物理性质。在这里，我们展示了一种光学，无标记的方法，能够观察酶的相互作用和相关的构象变化的单分子水平上。我们监测聚合酶/DNA的相互作用，通过强近场增强等离子体纳米棒共振耦合到微腔中的回音壁模式。具体来说，我们采用两种不同的识别方案：一种是在DNA功能化纳米棒附近探测聚合酶/DNA相互作用的动力学，另一种是通过固定在纳米棒上的聚合酶分子的构象变化的大小来探测这些相互作用。在这两种方法中，我们发现，低和高聚合酶活性可以清楚地辨别通过其特征信号幅度和信号长度分布。此外，监测相互作用的热力学研究表明，DNA聚合的发生。这项工作构成了通过等离子体增强微腔的酶活性的概念验证研究，并建立了一种能够研究单分子结构变化的替代和无标记方法。
2017-01-03 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Variance-corrected Michaelis-Menten equation predicts transient rates of single-enzyme reactions and response times in bacterial gene-regulation
生物细胞中的许多化学反应在组成分子的浓度非常低的情况下发生。因此，转录基因调控通常由表达差的转录因子控制，例如具有几十个拷贝的大肠杆菌lac阻遏物。在这里，我们研究的影响，底物分子的固有浓度波动的种子米氏计划的生化反应。本文对反应速率的Michaelis-Menten方程提出了一个普适的修正。证明了这种校正对酶反应和细胞内基因调控的相关性和有效性。我们的分析理论和模拟结果证实，提出的方差校正的Michaelis-Menten方程预测的反应速率具有显着的准确性，即使在存在大的非平衡浓度波动。我们的方法的主要优点是，它只涉及平均值和方差的底物分子浓度。因此，我们的理论可以通过实验得到，而不是特定于浓度波动的确切来源。
2016-09-26 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Quantifying protein diffusion and capture on filaments
调节蛋白的功能相关性通常限于特定的结合位点，如微管或肌动蛋白丝的末端。蛋白质在这些功能位点上的定位是非常重要的。我们提出了一个定量的理论扩散和捕获过程中，蛋白质扩散的细丝和停止扩散时，到达细丝的结束。研究发现，一维扩散后的末端缔合是这类蛋白质尖端定位的主要来源。因此，扩散和捕获在提高酶促反应的反应速度方面是非常有效的，其中蛋白质和细丝末端彼此作为酶和底物。我们表明，反应速度可以有效地描述在Michaelis-Menten框架内。一维扩散和捕获一起击败了（三维）Smoluchowski扩散限制蛋白质与细丝末端结合的速率。
2015-03-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Similarity solutions of Reaction-Diffusion equation with space- and time-dependent diffusion and reaction terms
本文利用相似方法研究了一类具有空间依赖和时间依赖的扩散项和反应项的广义反应扩散方程的可解性。通过引入相似变量，将反应扩散方程化为一个常微分方程。将所得的常微分方程与已知的精确可解方程组相匹配，可以得到相应的精确可解反应扩散系统。给出了反应扩散方程精确可解的几个典型例子。
2015-08-01 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Diffusion-controlled reactions: an overview
本文综述了扩散控制反应理论百年发展的里程碑，涵盖表面反应、单分子方案及反常扩散等扩展，并引入了基于相遇的替代方法及其应用前景。
2023-11-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
