Механизм спуска часов, как метафора для белков, работающих как демоны Максвелла. Балансный механизм качается назад-вперёд в часах как маятник. Основные детали, позволяющие отслеживать хронометраж, промаркированы. Основная функция регулятора хода показана двумя тёмно-зелёными лезвиями, контролирующими продвижением коронки в механических часах. Credit: Carter, UNC School of Medicine.
В книге “Демон в машине” физик Пол Девис утверждает, что в определении жизни отсутствует то, как биологические процессы “создают” информацию, а хранение информации – это свойство жизни, как способность птицы ориенитроваться в полёте или способность человека решать сложные задачи. “Демон” Девиса отсылается к демону Максвелла, предложенный физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в качестве мысленного эксперимента. Гипотетический демон Максвелла управляет воротами между двумя газовыми камерами и знает, когда открыть ворота, чтобы позволить молекулам газа двигаться быстрее, чем в среднем, чтобы пройти через него. Таким образом, камера может “нагреваться” и создавать “энергию” для работы. Такой демон был бы равнозначен обходному пути второго закона термодинамики. А это, как известно, невозможно. Мы также знаем, конечно, что демонов не существует.
Однако живые существа используют много белковых устройств, называемых ферментами, которые имитируют такого демона каждый раз, когда мышца сокращается или когда любая химическая реакция должна преодолеть термодинамический барьер и выйти из равновесия, как молекулы газа, выбранные демоном. Как эти динамические машины работают уже давно вызывает недоумение. В течение последних 75 лет учёные пытались решить эту проблему, не определяя точных деталей того, как любая из этих ферментативных машин выполняет ловкость рук, которая поддерживает живых существ, которые живут в химическом состоянии, далёком от равновесия.
Впервые в статье, опубликованной в журнале Proteins: Structure, Function and Bioinformatics Чарли Картером, профессором кафедры биохимии и биофизики Школы Медицины UNC, и поддержанной Национальным институтом общих медицинских наук, описаны детали, которые позволяют одной такой машине работать подобно демону Максвелла.
Машина, про которую мы говорим – фермент, называемый триптофанил-тРНК синтетаза (TrpRS), способный использовать химическую энергию, запасённую в универсальном источнике энергии – аденозинтрифосфате (АТФ) – чтобы гарантировать, что всякий раз, когда последовательность любых генов кодирует триптофан, аминокислота триптофан вставлялась в последовательность аминокислот, которые составляют транслируемый белок. Обеспечивая выбор правильной аминокислоты, TrpRS таким образом транслирует генетический код триптофана, когда любая из десятков тысяч последовательностей генов в клетках человека транслируется в соответствующий белок. Трансляция кода в последовательность аминокислот, указанную геном, даёт новосозданной последовательности белков информацию о том, как свернуться и оказывать контроль на нано-уровне над некоторыми аспектами клеточной химии.
Предыдущая работа Картера с TrpRS привела к фундаментальному пересмотру того, как началось кодирование генов. В новой статье Картер исследует, как TrpRS имитирует демона Максвелла. Детали, что он описал, могут представлять решение более глобальной проблемы того, как вся энергия в живых существах трансформируется из топлива в полезную работу: сокращение мышц, биосинтетические реакции, которые создают новые молекулы нужные клетке, или информация, регулируемая сигнальными путями, управляемыми гидролизом соответствующего топлива – гуанозинтрифосфата (ГТФ) – что держит клеточную химию под жёстким регуляторным контролем.
TrpRS имеет несколько движущихся частей, которые распознают триптофан и присоединяют его специфически к правильной тРНК только при условии, что соответствующие движения определённых гибких, изменяющихся частей белка, называющихся доменами, тесно связаны с гидролизом АТФ. Эти домены динамичны. То, как они изгибаются и двигаются, называется подвижностью доменов. Картер показывает, как движение домена в общем и гидролиз АТФ зависят друг от друга.
Гидролиз АТФ не может произойти до движения домена, но само движение домена не может произойти пока АТФ не гидролизован. Парадоксально, два состояния или “ворота” происходят скоординированно. Картер называет эту двустороннюю зависимость – “взаимно связанные ворота”.
“Эта жёсткая взаимосвязь похожа на “механизм спуска” в тикающих механических часах (см. рисунок)”, – сказал Картер. “Два вида ворот функционируют подобно двум зелёным пластинам, каждая из которых позволяет главному ”корончатому” зубчатому колесу скользить по одному зубчатому колесу за раз, но только в одном направлении, когда маятник качается. Так часы преобразуют энергию раскручивания веса вокруг вала зубчатого венца, превращающего маятник в устройство для отсчёта времени”.
Учёные всё чаще признают механизмы спуска как основополагающие для всех клеточных процессов, вызываемых гидролизом молекул топлива, таких как АТФ и ГТФ. Работа Картера впервые показывает, как именно доменные движения эффективно скоординированы с потреблением топлива. Примечательно, что суперсемейство ГТФаз также включает высокую долю известных онкогенов, мутации которых приводят к тому, что их спусковые механизмы нарушают свою работу, вызывая рак.
“Вполне вероятно, что большинство или все двигатели жизни и сигнальные устройства, которые используют либо АТФ, либо ГТФ, будут иметь схожие механизмы управления”, – сказал Картер. “Учёные уже 75 лет знают, что такие механизмы должны существовать. Захватывающе раскрыть такой полный пример того, как стробирующие механизмы работают вместе, чтобы гарантировать, что мы тратим так мало топлива, которое потребляем.”
