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研究证实细胞能产生精确数量的酶和数量比例


       为了生长和分裂,细胞依赖于独特的酶混合物。这些酶每秒执行数百万次化学反应。许多接力发挥作用的酶执行一系列相关联在一起的化学反应,即“途径(pathway)”,即在一种途径中,一种化学反应的产物是下一种化学反应的起始物质。
       通过对参与化学反应的分子进行许多渐进式改变,一种途径中的酶发挥至关重要的作用,比如将营养物转化为能量或复制DNA。数十年来,科学家们想知道一种途径中的酶的相对数量是否受到严格控制以便更好地协调它们催化的化学反应。

       如今,在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院的研究人员证实细胞不仅产生精确数量的酶,而且进化压力筛选出一种优选的酶比例。通过这种方式,酶的行为就像蛋糕中的成分,在蛋糕中,这些成分必须以正确的比例组合在一起,而且所有的生命可能都具有相同的酶配方。

       100多年来,生物学家们通过观察酶在试管中催化化学反应来研究它们,近期利用X射线观察这些酶的分子结构来研究它们。
       然而,尽管科学家们多年来详细描地述单个蛋白,但是仍然不了解细胞内的许多酶的基本特性。比如,迄今为止,人们还不可能预测细胞为了让它自己的存活机会最大化所应产生的最佳酶量。
       对物质(包括蛋白)的相对含量的研究被称为“化学计量(stoichiometry)”。为了研究不同类型细胞中的酶化学计量,Li和他的同事们分析了三种不同的细菌物种---大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和需钠弧菌(Vibrio natriegens)---以及酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。
       在这些细胞中,研究人员比较了21种负责各种任务(包括修复DNA、制造脂肪酸和将糖转化为能量)的途径中的酶数量。鉴于这些酵母和细菌物种经过进化能够生活在不同的环境中,并且具有不同的细胞结构,比如是否存在细胞核,他们吃惊地发现所有的这四种细胞类型在所有研究的途径中具有几乎相同的酶化学计量。
       研究团队随后详细描述细菌如何实现一致的酶化学计量。细胞通过调节两个过程来控制酶的产生。第一个过程为转录,即将包括在DNA链中的信息转换成信使RNA(mRNA)的许多拷贝。第二个过程为翻译,即核糖体通过对这些mRNA进行解码而产生蛋白。通过分析所有三种细菌物种中的转录,发现这些不同的细菌产生了不同数量的mRNA,这些mRNA编码通路中的酶。
       不同量的mRNA在理论上会导致蛋白产量差异,但是这些研究人员却发现这些细胞调节它们的翻译速率来弥补转录上的变化。产生更多mRNA的细胞减缓了它们的蛋白合成速度,而产生更少mRNA的细胞增加它们的蛋白合成速度。由于这种补偿,酶化学计量在不同的细菌中保持不变。
       在未来,研究人员将测试他们在细菌和酵母中的发现是否能够延伸到人类身上。鉴于单细胞生物(如前面提及的三种细菌和酿酒酵母)和多细胞生物(如人类)不同地调节能量和营养物,并且经历不同的选择压力,因此这些研究人员并不确定会发现什么。
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