En el popular libro The Demon in the Machine, el físico Paul Davies argumenta que lo que falta en la definición de la vida es cómo los procesos biológicos crean "información", y ese almacenamiento de información es la materia de la vida, como la capacidad de un pájaro para navegar ola habilidad de un humano para resolver problemas complejos. El "Demonio" al que Davies se refiere es el Demonio de Maxwell, como lo propuso el físico del siglo XIX James Clerk Maxwell como un experimento mental. El "demonio" hipotético de Maxwell controla una puerta entre dos cámaras de gas y sabe cuándoabra la puerta solo para permitir que las moléculas de gas se muevan más rápido que el promedio para pasar a través de ella. De esta manera, una cámara podría calentarse y crear "energía" para ponerse a trabajar. Tal demonio equivaldría a una solución alternativa de la Segunda Ley de TermodinámicaY eso, como sabemos, es imposible. También sabemos, por supuesto, que los demonios no existen.
Sin embargo, los seres vivos usan muchos dispositivos proteicos llamados enzimas que imitan a ese demonio cada vez que un músculo se contrae o cuando cualquier reacción química necesita ser conducida cuesta arriba y lejos del equilibrio termodinámico como las moléculas de gas elegidas por el demonio. Cómo estas máquinas dinámicasel trabajo ha sido desconcertante durante mucho tiempo. En los últimos 75 años, los científicos han resuelto este problema sin identificar detalles precisos de cómo cualquiera de estas máquinas enzimáticas logra el juego de manos que sostiene seres vivos, como los humanos que viven en un estado químico lejanodel equilibrio.
Por primera vez, en un artículo publicado en Proteínas: estructura, función y bioinformática por Charlie Carter, PhD, profesor del Departamento de Bioquímica y Biofísica de la Facultad de Medicina de la UNC, y con el apoyo del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, describe los detalles que permiten que una de esas máquinas funcione como el demonio de Maxwell.
La máquina en cuestión es una enzima llamada triptófano-tRNA sintetasa, o TrpRS, que puede usar la energía química almacenada en la molécula de combustible universal - trifosfato de adenosina ATP - para garantizar que siempre que la secuencia de cualquier gen especifique triptófano, el aminoácido triptófano se inserta en la secuencia de aminoácidos unidos que componen la proteína traducida. Al garantizar que se selecciona el aminoácido correcto, TrpRS traduce el código genético del triptófano cuando cualquiera de las decenas de miles de genes en las células humanasse traduce en la proteína correspondiente. La traducción del código en la secuencia de aminoácidos especificada por el gen le da a la secuencia de proteína recién creada la información que le dice cómo plegarse y ejercer control a nanoescala sobre algún aspecto de la química celular.
El trabajo previo de Carter con TrpRS condujo a una revisión fundamental de cómo comenzó la codificación genética. En este último artículo, Carter investiga cómo TrpRS imita al demonio de Maxwell. Los detalles que describe pueden representar una solución al problema más general de cómo toda la energía en la vidalas cosas se transforman de combustible a trabajo útil, como la contracción muscular, las reacciones biosintéticas que crean nuevas moléculas requeridas por la célula o la información administrada por redes de señalización impulsadas por la hidrolización de un combustible relacionado, el trifosfato de guanosina GTP, que mantiene la química celularbajo estricto control regulatorio.
TrpRS tiene varias partes móviles que identifican el triptófano y lo unen específicamente al ARN de transferencia correcto si y solo si los movimientos relativos de ciertas partes flexibles y cambiantes de la proteína llamadas "dominios" están estrechamente acoplados a la hidrólisis de ATP. Estos dominios son dinámicosLa forma en que se doblan y se mueven se conoce como "movimiento de dominio". Carter muestra cómo el movimiento de dominio en general y la hidrólisis de ATP dependen de la finalización del otro.
La hidrólisis del ATP no puede ocurrir a menos que ocurra el movimiento del dominio, pero el movimiento del dominio en sí mismo no puede ocurrir a menos que el ATP se hidrolice. Paradójicamente, las dos condiciones, o "puertas", ocurren en coordinación. Carter llama a esta dependencia bidireccional "recíprocamente-compuerta acoplada "
"Este acoplamiento apretado es como el 'mecanismo de escape' en un reloj mecánico que hace tictac ver figura", dijo Carter. "Los dos tipos de puertas funcionan como las dos placas verdes, cada una permitiendo que el engranaje principal de la" corona "se desliceun engranaje a la vez, pero solo en una dirección, a medida que el péndulo se balancea. Así es como un reloj convierte la energía de desenrollar el peso alrededor del eje del engranaje de corona, convirtiendo el péndulo en un dispositivo de cronometraje ".
Los científicos reconocen cada vez más los mecanismos de escape como fundamentales para todos los procesos celulares impulsados por la hidrólisis de moléculas de combustible como ATP y GTP. El trabajo de Carter muestra por primera vez exactamente cómo los movimientos de dominio se coordinan eficientemente con el consumo del combustible. Notablemente, la GTPasaLa superfamilia también incluye una alta proporción de oncogenes conocidos cuyas mutaciones hacen que sus mecanismos de escape funcionen mal lo suficiente como para causar cáncer.
"Es probable que la mayoría o todos los motores y dispositivos de señalización de la vida que usan ATP o GTP exhiban mecanismos de activación comparables", dijo Carter. "Los científicos han sabido durante 75 años que tales mecanismos deben existir. Es emocionante descubrirlos.un ejemplo tan completo de cómo los mecanismos de activación funcionan juntos para garantizar que desperdiciemos tan poco del combustible que consumimos "
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Materiales proporcionado por Cuidado de la salud de la Universidad de Carolina del Norte . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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