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¿Qué hace un impulso del reloj biológico simple?

Las personas interdisciplinarias de investigadores en la universidad de Vanderbilt han analizado el reloj biológico sabido más simple y han imaginado qué hace que hace tictac.

Los resultados de su análisis se publican en la aplicación del 27 de marzo la biblioteca pública del gorrón de la biología de la ciencia.

Los relojes biológicos son marcapasos microscópicos. Se encuentran en todo de espuma de charca a los seres humanos y aparecen ayudar a ordenar un arsenal dizzying de procesos bioquímicos. Las hojas de ruta (traveler) experimentan el jet lag cuando su reloj interno se convierte fuera de synch con el ambiente. El desorden afectivo estacional, algunos tipos de depresión, los trastornos del sueño y los problemas que ajustan a los cambios en trabajo completa un ciclo todo pueden ocurrir cuando actúa el reloj biológico de un individuo hacia arriba. Los estudios recientes incluso han encontrado eslabones entre estos relojes moleculares y el cáncer.

En 2005, un grupo de investigadores japoneses sorprendió a la comunidad científica mostrando a eso las tres proteínas cuál compone el reloj biológico en algas verdes azules establecerá un ciclo de 24 horas en sus los propio cuando están colocada en un tubo de ensayo con el trifosfato de adenosina (ATP), la substancia química esa mueve por motor reacciones biológicas.

“Que era una sorpresa grande,” dice a Carl Johnson, el profesor de las ciencias biológicas que dirigieron el nuevo estudio. ¿“Todos pensamos que el sistema era una reacción mucho más complicada y requerida de la célula? maquinaria genética de s para trabajar.”

El aviso incitó a Johnson, que había estado trabajando a lo largo de líneas similares, montar a personas interdisciplinarias para imaginar cómo estas tres proteínas pueden establecer y mantener un ciclo constante, de 24 horas. ¿Él y su colaborador de largo tiempo, profesor de la bioquímica Martin Egli, reclutaron a un grupo de los investigadores que son expertos en microscopia electrónica? ¿Profesor adjunto Phoebe Stewart y profesor investigador Dewight Williams? ¿y biofísica? ¿Profesor Hassane Mchaourab? todos del departamento de la fisiología molecular. Marca Byrne, profesor investigador de Biomathematician en farmacología, redondeada fuera el grupo.

¿Aunque el reloj biológico consista en solamente tres porciones básicas? ¿proteínas que han etiqueta KaiA, KaiB y KaiC? cuando los comenzaron a analizar qué ocurría en el tubo de ensayo descubrieron iban mucho más en que se habían imaginado.

“La parte más fresca es que una máquina biológica simple puede hacer una cosa asombrosa tal como guardando tiempo,” dice a Williams. “Es el rompecabezas biológico más fascinador que he parecido en mi carrera hasta ahora.”

La pregunta básica que los investigadores establecidos para entender son cómo estas moléculas, que están experimentando reacciones en una segundo-por-segunda y minuto a minuto frecuencia, puede sostener un ciclo de 24 horas.

El diente más grande del bioclock es la proteína KaiC. Es una molécula grande, de forma de barril montada a partir de seis componentes idénticos. El ciclo diurnal toma la forma del aumento y de la disminución regulares del número de grupos del fosfato sujetados a las moléculas de KaiC. ¿La agregación y el destacamento de los grupos del fosfato? ¿un proceso llamó la fosforilación y la defosforilización? es un método común de regla de la proteína. Cuando KaiC es phosphorylated obra recíprocamente en maneras diferentes con otras proteínas en la célula que lo hace cuando se desfosforilata. Eso permite que el bioclock gire diversos procesos celulares por intervalos.

De acuerdo con la investigación anterior, Johnson y sus colegas tenían cierto discernimiento en el papel de las dos proteínas más pequeñas. Sabían que cuando KaiA ata a KaiC el régimen de la fosforilación aumenta, haciéndolo más fácil para el fosfato agrupa para atar al hexamer o a hacerlo más difícil para que se rompan de distancia. ¿KaiB, por el contrario, doesn? lazo de t a KaiC hasta que sea altamente phosphorylated. Pero, cuando lo hace, KaiB contrarresta la influencia de KaiA.

Al principio, los investigadores previeron un proceso relativamente directo: KaiA ataría con KaiC y la fosforilación aumentaría gradualmente por 12 horas. Entonces algo accionaría KaiB para comenzar a pegar con estos complejos y la fosforilación disminuiría gradualmente por 12 horas. ¿Sin embargo, Johnson y Egli? los esfuerzos de s de purificar y de cristalizar los complejos de KaiAC y de KaiABC así que los podían determinar su estructura usando la cristalografía de la radiografía fallada en varias ocasiones.

¿Él wasn? t hasta ellos comenzaron a poner la mezcla bajo el microscopio electrónico de la transmisión que realizaron la razón de esta falla. “Resulta que los complejos no forman una estructura estática, que es porqué no podríamos cristalizarla,” dice a Stewart. ¿“Él doesn? t va el complejo uno al complejo dos tres horas más adelante y después tres horas más adelante al complejo siguiente. En lugar, usted tiene mezclas de todos los diversos complejos en todos los puntos del tiempo, apenas en diversas índices.” Los investigadores dividieron el ciclo de 24 horas en siete fases iguales: Comenzando en el más bajo de la fosforilación de KaiC, en las fases Up1 y Up2 el nivel de la fosforilación aumenta hasta que alcance un nivel máximo. Después de esta fase de “P”, los hexamers comienzan a desfosforilatar con las fases Down1, Down2 y Down3, alcanzando su más bajo de la fase de “T” (T para el mínimo de presión) y entonces comienza encima.

El análisis también encontró ese, además de KaiA, KaiB y KaiC, el tubo de ensayo también contuvo una gran cantidad de las tres moléculas más pequeñas, llamadas los monómeros, que son los bloques huecos básicos para las proteínas del bioclock. KaiC es un hexamer que se compone de seis monómeros. KaiA es un dimero que se compone de dos monómeros. Y KaiB es un tetrámero que se compone de cuatro monómeros. A la vez que las tres proteínas están combinando en complejos y se están rompiendo hacia arriba otra vez, KaiC también se está rompiendo aparte en los monómeros y después está recombinando.

Mientras que esto ofreció un nuevo discernimiento valioso en el proceso, no explicó qué continuaba real. Para ayudar a descifrar la dinámica de este sistema, ella giró a Byrne. “La tarea que Carl me di era imaginar cómo este sistema de tres proteínas, cuando está combinado con el ATP, puede producir una oscilación de 24 horas,” dice el biomathematician. ¿“Qué nosotros? ¿VE sube con es nuestra? ¿la mejor conjetura? modelo para cómo el sistema trabaja.”

¿Según Byrne? ¿s modela, la llave al sistema? la estabilidad de s es el papel desempeñado por la cantina de monómeros por los hexamers de KaiC. “El ciclo de 24 horas es la variación en el nivel medio de la fosforilación de los hexamers. Para producir sostuvo ritmos en el sistema, usted debe tener cierta manera de sincronizar los niveles de la fosforilación de hexamers individuales,” él dice. El hecho de que los hexamers estén intercambiando los monómeros a un régimen substancialmente más rápido que el proceso de la fosforilación y de la defosforilización mantiene niveles de la fosforilación distribuidos uniformemente en la población de KaiC. ¿“Si la población hace asíncrona? ¿es decir, si el fosforilato de algunos hexamers y desfosforilata fuera de synch con los otros? entonces los hexamers comenzarán a oscilar de fase con uno a y usted perderá el ritmo.”

El modelo explica con éxito porqué una proporción específica de las tres proteínas es necesaria establecer el ritmo de 24 horas, cómo la temperatura puede reajustar el sistema y las características generales del sistema del bioclock. Sin embargo, hay mucho más a aprender.

“Este papel es nuestro primer paso hacia la visualización de qué está suceso durante el ciclo de 24 horas,” dice a Stewart. “El nivel siguiente de comprensión será cómo las proteínas trabajan juntas como nanomachine para realizar su trabajo.”

Entonces, también, los investigadores realizan que la manera que los sistemas del bioclock trabajan en células vivas es substancialmente más complejo que qué ocurre en un tubo de ensayo. Para una cosa, habrá niveles adicionales de regla, tales como mando de la síntesis de los monómeros de la proteína del bioclock, que influencian su operación.