快照生命的舞者

著名物理学家约翰•惠勒说,是自然的方式阻止一切发生。但我们的直觉是压扁事件回永恒的叠加。同时漫画的贝叶挂毯总结统计的足球比赛,我们倾向于将复杂、动态过程为静态图像和平均水平。技术,捕获时间变化相对较近,和路易达盖尔最早的街景的照片,在短暂的行人消失在长时间的曝光,提供一个比喻时间平均如何洗去关键细节。

我只是想让分子化学家感觉更好,科学一直竭力在动态的观点。第一次目睹分子世界,提供的x射线晶体学在20世纪早期,化学领域的柏拉图式的结构,鼓励一个静态今天心态依然存在。每个人都知道画静态分子结构是一种必要的便利,但最终感染思维习惯。尤其是生物分子,促进晶体的世界观的鲍林,伯纳尔,何杰金氏病,富兰克林和Kendrew锁钥酶作用的概念,一个引人注目的形象。

定格

当然,还有很多正确的这张照片。大多数蛋白质功能的理解来自研究他们的结构。我们可以看到配体如何适应结晶,为小分子通过膜蛋白使毛孔,多大组件像优雅的核糖体,光由联锁部分。但生活不是水晶冻结在时间。它是一个过程,展开,这样没有微微秒完全就像任何其他。一样是发展时机是调控基因,所以分子细胞生物学是一个精心策划的世界运动。

与自己的过去,我们似乎经常限制来减少这种动态故事一系列的快照。就是这样,“femtochemistry”是在1990年代率先Ahmed Zewail和其他人来说,简单的化学反应的时间进程通常呈现:静态瞬间被飞秒激光脉冲的快速闸门。我们很难找到好的动力隐喻,尽管新兴照片的蛋白质分子自由能景观漫游。而不是凝结产生的多样性为一个平均水平,结构不同是体现在一个视图中。目前正有越来越多的人认识到,这是有时最好的方法理解函数。

打破了锁

基础生物化学教科书一直修改锁钥模型,例如与诱导契合承认一个蛋白质的结合位点改变形状,以适应一个配体。但这听起来就像从一个静态的形式转变到另一个地方。现在看来,动态改变能源格局发生反应。动力学的重要作用已经成为公认的在1970年代和80年代;1983年马丁Karplus和安德鲁McCammon指出,蛋白质结构的静态视图被取而代之的是一个动态的画面。”¹

有无数的例子。口服酶蛋白酶K的敏感性钙离子,例如,似乎没有引起构象打开离子绑定,而是一个动态的灵活性结合位点的变化。²这种变化符合“构象选择”的概念,³的波动使蛋白质探索整个自由能景观。同样,蛋白质的主要组织相容性复合体(MHC)免疫反应中起着关键作用的运动“调谐”的复杂结合的多肽,可能是重要的方式理解免疫和疫苗的发展。⁴杨和最近的模拟等⁵建议结合自由能势垒的氨基acid-charged转移核糖核酸的核糖体蛋白质合成时,流动度的影响是核糖体肽肢表示不断化解。不断化解杆有一个灵活的地区,允许大规模的波动,所以突变可能会提供一种优化加载tRNA的住宿。

改变结构

变构效应——一个绑定事件的过程的一部分蛋白质以某种方式调节函数在一个偏远的地区,长期以来一直讨论好像发生了一系列的机械变化类似于曲轴。但它可能更盈利视为一个动态的蛋白质构象的变化。⁶这张照片由内在无序蛋白质最有力的暗示,⁷这挑战整个函数被绑定到结构的概念。

所以蛋白质结构的可能是更好的构象被视为一组,类似于一个舞者的编排构成不断移动。这种动态描述也拥抱环境:这是长期以来明显,生物大分子与溶剂进行微妙的舞蹈。⁸水注入的波动成蛋白质,进而动态形状附近的溶剂的方式可以有功能的后果。⁹

所有这些时间复杂性可以容纳在一个直观的蛋白质如何工作的呢?挑战是越来越迫切,因为我们对蛋白质功能的看法将会变得复杂,以及加深,由单分子的出现,使用x射线衍射自由电子激光。¹⁰这些技术,以及诺贝尔的低温电子显微镜——将补充传统晶体学可能提供一个视图的整个构象景观。我不禁怀疑结构生物学家可能会发现自己寻找一个不同的名称。