Log-periodic oscillations as real-time signatures of hierarchical dynamics in proteins

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作者
Emanuel Dorbath,Adnan Gulzar,Gerhard Stock
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (7)
标识
DOI:10.1063/5.0188220
摘要

The time-dependent relaxation of a dynamical system may exhibit a power-law behavior that is superimposed by log-periodic oscillations. D. Sornette [Phys. Rep. 297, 239 (1998)] showed that this behavior can be explained by a discrete scale invariance of the system, which is associated with discrete and equidistant timescales on a logarithmic scale. Examples include such diverse fields as financial crashes, random diffusion, and quantum topological materials. Recent time-resolved experiments and molecular dynamics simulations suggest that discrete scale invariance may also apply to hierarchical dynamics in proteins, where several fast local conformational changes are a prerequisite for a slow global transition to occur. Employing entropy-based timescale analysis and Markov state modeling to a simple one-dimensional hierarchical model and biomolecular simulation data, it is found that hierarchical systems quite generally give rise to logarithmically spaced discrete timescales. By introducing a one-dimensional reaction coordinate that collectively accounts for the hierarchically coupled degrees of freedom, the free energy landscape exhibits a characteristic staircase shape with two metastable end states, which causes the log-periodic time evolution of the system. The period of the log-oscillations reflects the effective roughness of the energy landscape and can, in simple cases, be interpreted in terms of the barriers of the staircase landscape.
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