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生命的发条:科学家显示引擎如何分子让我们滴

查尔斯·卡特博士

编者按:马克Derewicz是UNC保健通信管理器

教堂山 - 在畅销书的恶魔在机器中,物理学家保罗·戴维斯认为,缺少了什么生活的定义是如何处理的生物制造“信息”,并且这样的信息存储是生命的东西,像鸟的导航能力还是一个人的解决复杂问题的能力。

“魔域”戴维斯是指是麦克斯韦妖所建议的,19世纪的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦作为一个思想实验。麦克斯韦假设的“魔”的控制气体的两个腔室,并知道何时才打开门,以允许气体分子比移动平均更快地穿过它之间的栅极。这样一来,一室可以被加热和create“节能”将被投入到工作中。这样的恶魔将达到热力学第二定律的一种变通方法。而且,我们知道,是不可能的。我们也知道,当然,魔鬼并不存在。

然而,生物都叫做酶蛋白的许多设备是模拟这种每次妖肌肉收缩时或任何化学反应需要驱动上坡和远离像由妖选择的气体分子的热力学平衡。如何将这些动态机器的工作早已令人费解。在过去的75年中,科学家们在这一问题削掉没有确定如何这些酶的机器实现手是维持生命的东西,比如谁住在远离平衡的化学状态的人的手法精确的细节。

ë时钟为像麦克斯韦妖蛋白质功能的隐喻scapement机制。该Foliot来回摆动像时钟钟摆。让时间保持基本特征标记。一个擒纵机构的中央功能是由两个深绿色叶片控制在机械时钟冠齿轮的前进所示

第一次,在发表于蛋白质的论文:结构,功能,和生物信息学查理·卡特博士,教授,生物化学和生物物理学在医学UNC学校部,并通过医学科学研究所的支持,介绍了使一个这样的机器像麦克斯韦妖的工作细节。

在考虑中的机器是所谓的酶色氨酰-tRNA SYNThetase,或的TrpRS,可使用存储在通用燃料分子中的化学能 - 三磷酸腺苷(ATP) - 确保每当任何基因指定的序列色氨酸,氨基酸色氨酸被插入到连接的氨基酸的序列,其构成翻译的蛋白质。通过确保正确的氨基酸被选择,因此的TrpRS翻译遗传密码色氨酸当任何人类细胞中的基因的数以万计的被转换成相应的蛋白质。转换的代码到由基因中指定的氨基酸序列给出新创建的蛋白质序列的信息,告诉它如何折叠起来并通过蜂窝化学的一些方面使出纳米级控制。

卡特以前与的TrpRS工作导致一种如何遗传编码的根本性的修改开始。在这个最新论文,卡特调查的TrpRS如何模仿麦克斯韦妖。细节他描述可以代表解决了如何在生命的东西全部能量从燃料转化为有用的工作,如肌肉收缩,生物合成反应,需要通过细胞构建新的分子或信息通过信号网络管理的更普遍的问题通过水解相关的燃料驱动 - 鸟苷三磷酸(GTP) - 即保持细胞化学下时钟作为像麦克斯韦妖蛋白质功能的隐喻严格的监管机制control.Escapement。该Foliot来回摆动像时钟钟摆。让时间保持基本特征标记。一个擒纵机构的中央功能由两个深绿色叶片控制在机械时钟冠齿轮的前进示出。

的TrpRS具有识别色氨酸和特别将其附加到正确的转移RNA几个运动部件当且仅当相对一定柔性,改变被称为“结构域”的蛋白质的部分的运动被紧密耦合到ATP水解。这些领域是动态的。他们是如何弯曲,此举被称为“域的运动。”卡特表演一般域运动和ATP如何水解都依赖于ATP的other.Hydrolysis完成,除非域运动发生是不可能发生的,但域运动本身不能除非ATP水解发生。奇怪的是,这两个条件,即“门”发生在协调。卡特称这种双向依赖形成的

“这紧耦合,就像是一个滴答作响机械时钟(见图)的‘擒纵机构’,”卡特说e“的往复耦合门控。”。 “这两种门的功能类似的两个绿色板,每个允许主‘冠’齿轮以每次滑一个齿轮,但仅在一个方向,作为摆锤摆动。这是怎样的时钟转换退绕围绕该冠齿轮的轴的重量,驱动所述摆成一个时间保持装置的能量。”

科学家正在日益认识到擒纵机构为根本,以所有的细胞过程从动

通过燃料分子如ATP和GTP的水解。卡特的工作表明,第一次究竟是如何域运动与燃油消耗的有效协调。值得注意的是,GTP酶素超家族还包括已知的癌基因,其突变使他们的擒纵机构充分地发生故障导致癌症的比例很高。

“这是可能的,大多数或所有的生命的电机和信号装置在使用任一ATP或GTP将显示出可比较的门控机制,”卡特说。 “科学家已经知道,这种机制必须存在75年。这是惊心动魄揭开门控机制如何一起工作这样的完整例子,以确保我们浪费这么少,我们消耗的燃料。”

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