Informacije

3.5: Specijalizovane eksterne strukture prokariota - biologija

3.5: Specijalizovane eksterne strukture prokariota - biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

3.5: Specijalizirane vanjske strukture prokariota

Kompletna struktura procesoma male podjedinice

Procesom male podjedinice predstavlja najraniji stabilni prekursor eukariotske male ribosomske podjedinice. Ovdje predstavljamo krio-EM strukturu Saccharomyces cerevisiae proces sa malim podjedinicama ukupne rezolucije 3,8 Å, što pruža u osnovi kompletan model sa skoro atomskim sastavom. U ovoj nukleolarnoj superstrukturi, 51 faktor sastavljanja ribosoma i dvije RNK inkapsuliraju prekursor 18S rRNA i 15 ribosomalnih proteina u stanju koje prethodi cijepanju pre-rRNA na mjestu A1. Produženi fleksibilni proteini koriste se za povezivanje udaljenih mjesta u ovoj čestici. Molekularna mimikrija i sterična smetnja, kao i remodeliranje RNK posredovano proteinima i RNK, koriste se na usklađen način kako bi se spriječilo prerano formiranje centralnog pseudočvora i njegovih okolnih elemenata unutar male ribosomalne podjedinice.


Anatomija (svi sistemi ljudskog tijela)

K-2 Svi organizmi imaju vanjske dijelove koje koriste za obavljanje svakodnevnih funkcija.
3-5 Organizmi imaju unutarnju i vanjsku makroskopsku strukturu koja omogućava rast, opstanak, ponašanje i reprodukciju.
6-8 Sva živa bića se sastoje od ćelija. U organizmima ćelije rade zajedno kako bi formirale tkiva i organe koji su specijalizirani za određene tjelesne funkcije.
9-12 Sistemi specijaliziranih ćelija unutar organizama pomažu u obavljanju osnovnih životnih funkcija. Bilo koji jedan sistem u organizmu sastoji se od brojnih dijelova. Mehanizmi povratnih informacija održavaju unutarnje stanje organizma u određenim granicama i posreduju u ponašanju.

LS1.D Obrada informacija
K-2 Životinje osjećaju i komuniciraju informacije i reagiraju na unose ponašanjima koja im pomažu da rastu i prežive.
3-5 Različiti osjetilni receptori specijalizirani su za određene vrste informacija. Životinje koriste svoju percepciju i sjećanje kako bi vodile svoje postupke.
6-8 Svaki čulni receptor odgovara na različite ulaze, prenoseći ih kao signale koji putuju duž nervnih ćelija do mozga. Signali se zatim obrađuju u mozgu, što rezultira trenutnim ponašanjem ili sjećanjima.


Ćelijski zidovi daju strukturu

Stanične stijenke u biljkama su krute, u usporedbi s drugim organizmima. Celuloza prisutna u ćelijskim zidovima formira jasno definisane pločice. U ćelijama luka pločice izgledaju vrlo slično pravokutnim ciglama položenim u ofsetnim nizovima. Kruti zidovi u kombinaciji sa pritiskom vode unutar ćelije daju snagu i krutost, dajući biljkama potrebnu strukturu da se odupru gravitaciji i pritisku. Ćelijske stijenke i pritisak vode koji se nalazi u citoplazmi, a posebno u vakuoli, daju luku čvrstu supstancu i hrskavo.


Zahvalnice

Zahvaljujemo Y. Chen i M. Chalfie (Univerzitet Columbia) na pružanju C. elegans cDNK biblioteku, Kineski nacionalni centar za nauku o proteinima (Peking) za pružanje podrške objektu i J. Cui, S. Siegelbaum, M. Zhou i Yang članove laboratorije za čitanje i komentarisanje rukopisa. Ovaj rad je podržan grantovima J.Y. iz Nacionalnog ključnog programa osnovnih istraživanja Kine (2014CB910301), Nacionalnog instituta za zdravlje (R01GM085234 i RO1NS053494), Kineske nacionalne fondacije za prirodne nauke (31370821), Programa vrhunskih talenata provincije Yunnan (2011HA012) i Visokog nivoa Prekomorski talenti provincije Yunnan do XL iz Kineskog programa za mlade sa 1000 talenata Državnog vijeća Kine, Pekinškog naprednog inovacionog centra za strukturnu biologiju, Zajedničkog centra za prirodne nauke u Tsinghua-Pekingu i Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (31570730) i S.W. iz Ključnog programa istraživanja Kineske akademije nauka (KJZD-EW-L03), Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (81302865), Fondacije West Light Kineske akademije nauka, Yunnan primijenjenih osnovnih istraživačkih projekata (2013FB074) i Udruženje za promociju inovacija mladih Kineske akademije nauka.


ODELJCI OVEZANI PROTEINOM

Karboksizomi su jedan od najpoznatijih primjera organela vezanih za proteine ​​u bakterijama (Yeates et al. 2008). Javljaju se kod svih cijanobakterija, kao i kod hemoautolitotrofa, gdje služe kao mjesto za prvi korak Calvinovog ciklusa. Glavne katalitičke komponente karboksisoma su enzimi Ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza oksigenaza (RuBisCO) i karboanhidraza. RuBisCO katalizira reakciju CO2 sa ribuloza bisfosfatom na dvije molekule 3-fosfoglicerinske kiseline (3PGA) i karboanhidraze katalizira konverziju bikarbonata u CO2. Povećanjem lokalne koncentracije RuBisCO i CO2 supstrata, karboksizomi verovatno povećavaju efikasnost produktivne reakcije fiksacije ugljenika (Yeates et al. 2008). Ovu ideju podržavaju nedavne studije elektronske kriotomografije, koje pokazuju da svaki karboksisom (veličine 80 do 150 nm) sadrži preko 200 kompleksa enzima RuBisCO raspoređenih u koncentrične slojeve (Schmid et al. 2006 Iancu et al. 2007) (slika 4B).

Hlorosomi Chlorobium tepidum pojavljuju se kao spljošteni ovali raspoređeni po obodu ćelije (A). Prikaz jednog karboksizoma na osnovu CET snimanja. Čini se da je unutrašnjost karboksisoma prepuna RuBisCO na osnovu sličnosti između poznate kristalne strukture enzima i entiteta gustih elektrona koji se vide u CET rekonstrukcijama (B). TEM slika ta cijanobakterijske ćelije otkriva da je citoplazmatski prostor ispunjen plinskim mjehurićima podijeljenim u dvije različite orijentacije (C). (A, Preštampano, uz dozvolu, od Frigaard et al. 2002 [© ASM] B, preštampano, uz dozvolu, od Iancu et al. 2007 [© Elsevier] C, preštampano, uz dozvolu, iz Walsby 1994. [© ASM].)

Samo je nekoliko gena, pronađenih u jednom ili više operona, uključeno u stvaranje karboksisoma. In Halothiobacillus neopolitans, karboksizomski geni kodiraju za velike i male RuBisCO podjedinice, tri proteina male ljuske koji dijele visoku homologiju, veliki protein ljuske, ugljičnu anhidrazu i dva nepoznata proteina za koje se čini da imaju regulatornu funkciju. Druge bakterije koje tvore karboksisome imaju nešto drugačije gene u svojim operonima, ali sve sadrže homologe gena proteina male ljuske i gena koji kodiraju za RuBisCO podjedinice. Nedavno su kristalizovani proteini male ljuske i iz cijanobakterije i iz hemolitoautotrofne bakterije, što je dalo vrijedan uvid u to kako se proteinska ljuska karboksisoma može sastaviti (Kerfeld et al. 2005 Tsai et al. 2007). Ove kristalne strukture otkrivaju da se proteini, pojedinačno pročišćeni, sami sastavljaju u heksamere koji se vežu od ruba do ruba i tvore jednoslojne ploče. Predloženo je da ovi slojevi proteina čine zidove karboksizoma. Kristalne strukture također su otkrile pozitivno nabijene pore u središtu heksamera. Ova bi pora mogla omogućiti prolaz negativno nabijenih molekula, poput bikarbonata, blokirajući ulaz O2 stvarajući još jedan način na koji bi karboksisom mogao povećati efikasnost RuBisCO-a i fiksaciju ugljika.

Definirani skup proteina koji se nalazi u ovim operonima vjerovatno će biti minimalne komponente potrebne za izgradnju karboksisoma. Međutim, nedavni rezultati pokazuju da pravilna organizacija i segregacija karboksisoma kroz stanični ciklus zahtijevaju njegovu interakciju s drugim staničnim komponentama (Savage et al. 2010). Fuzije fluorescentnih proteina ili proteina ljuske ili komponente RuBisCO otkrile su da su karboksizomi linearno raspoređeni po ćeliji. Najrelevantnija posledica ovog aranžmana je da će tokom deobe ćelije približno jednak broj karboksisoma biti podeljen na svaku ćeliju ćerku (Savage et al. 2010). Ovaj aranžman oslanja se na citoskeletne sisteme kao poremećaje bilo kojeg od njih mreB (bakterijski protein sličan aktinu) ili parA dovode do dezorganizacije karboksisoma unutar ćelije. U parA mutanti, neke ćelije kćeri ne primaju karboksise, što znači da moraju izraditi svoju mašinu za fiksiranje ugljika de novo, što zauzvrat uzrokuje značajno produljenje njihovog vremena udvostručenja (Savage et al. 2010). Ova fascinantna studija uspostavlja jasnu vezu između citoskeleta i organizacije karboksizoma. Međutim, ostaje da se razjasne specifične veze između ove organele i ParA, kao i mehanizmi pomoću kojih se postiže pravilan razmak karboksisoma.

Karboksisomi su zapravo dio veće porodice odjeljaka vezanih za proteine, koji su svi povezani homologijom između svojih proteina ljuske. Jedan od takvih organela je Odeljak za 1,2-propandiol upotrebu (Pdu) pronađeno u Salmonella enterica. Slično karboksisomima, Pdu odjeljci sadrže specifične enzime važne za njihovu staničnu funkciju. Zanimljivo je da je nedavni izvještaj pokazao da svi ovi enzimi dijele amino-terminalnu sekvencu od 20 aminokiselina koja je neophodna za njihovo pakovanje u odjeljku Pdu (Fan et al. 2010). Nadalje, ove amino-terminalne sekvence su također dovoljne da ciljaju heterologne proteine ​​kao što su GFP do Pdu odjeljaka. Takva proširenja amino-terminalne sekvence također su otkrivena u enzimima za koje se smatra da su povezani s drugim mikrokompartmentima, pa je vjerojatno da je ovaj način lokalizacije proteina univerzalan među organelama vezanim za proteine ​​(Fan et al. 2010). Osim njihove važnosti za razumijevanje stanične biologije organela, ovaj nalaz također pruža metodu za inženjering proteinskih odjeljaka u bakterijama putem specifičnog ciljanja heterolognih enzima.

Još jedna jedinstvena organela vezana za proteine ​​u bakterijama je gas vezikula (slika 4C). Plinski mjehurići su organeli ispunjeni plinom, vezani za proteine, koji djeluju na moduliranje uzgona stanica (Walsby 1994). Nalaze se u brojnim bakterijama i arhejama, uključujući halofilne i metanogene arheje te fototrofne i heterotrofne bakterije. Većina bakterija i arheja za koje se pokazalo da formiraju plinovite vezikule nalaze se u vodenom okruženju i nisu pokretne. Proteinski zidovi gasnih vezikula su slobodno propusni za molekule gasa. Voda također može ući u mjehuriće plina, ali ne može stvarati kapljice na unutrašnjoj površini zbog svoje izrazito hidrofobne prirode. Stoga, svaka voda koja uđe u plinske vezikule ispari (Walsby 1994), a mjehurići ispunjeni plinom smanjuju ukupnu gustinu ćelija, omogućavajući im da plutaju prema gore. Kontrolirajući stvaranje plinskih mjehurića, ovi organizmi mogu odrediti svoj položaj u vodenom stupcu kako bi regulirali svoju izloženost svjetlu, soli, hranjivim tvarima i drugim podražajima iz okoliša. Plinske vezikule su cilindrične ili vretenaste, a veličina plinskih vezikula varira između vrsta. Ćelije koje rastu na većim dubinama imaju gasne vezikule koje su uže po širini i sposobne su da izdrže veći hidrostatički pritisak.

Deset do četrnaest proteina gasovitih vezikula (gvp) geni, u zavisnosti od vrste, identifikovani su kao uključeni u formiranje gasnih vezikula. In Halobacterium halobium, najmanje deset gvp Utvrđeno je da su geni potrebni za stvaranje plinskih vezikula (DasSarma et al. 1994) i osam gvp geni u halofilnom arheonu Halobacterium salinarum su neophodni i dovoljni za stvaranje mjehurića plina (Offner et al. 2000). Jedan od esencijalnih gena kodira GvpA, glavnu komponentu stjenke vezikule i jedan od najhidrofobnijih poznatih proteina. Kristalna struktura GvpA nije riješena, uglavnom zbog toga što se GvpA agregira i ne može se otopiti bez denaturacije. Ipak, struktura plinskih mjehurića ispitana je rendgenskom analizom i mikroskopijom atomske sile (Blaurock i Walsby 1976. Blaurock i Wober 1976. McMaster i sur. 1996.), koji su otkrili da proteini tvore vrlo uređena rebra i da se proteinske podjedinice poravnavaju pod uglom od 54 ° prema osi rebra. Zanimljivo je da je 54 ° blizu kuta pod kojim su poprečna i uzdužna naprezanja jednaka u stijenci cilindrične konstrukcije (Walsby 1994).

Mnogo je učinjeno na razumijevanju fizičkih svojstava plinskih mjehurića, uključujući njihovu strukturu, njihovu sposobnost da izdrže hidrostatički pritisak, njihovu sposobnost da isključe vodu i njihovu propusnost za plin. Međutim, kako proteini gasnih vezikula interaguju da bi formirali gasne vezikule, i kako je formiranje gasnih vezikula regulisano kao odgovor na signale iz okoline ostaje uglavnom nepoznato. Konačno, moguće je da se strukture nalik na plinske vezikule nalaze u drugim bakterijama koje postoje u nevodenim sredinama. Homolozi gena gasnih vezikula takođe su pronađeni u aktinomicetama koji žive u tlu, ali nije uočen nikakav fenotip uzgona (van Keulen et al. 2005).


DNK polimeraze

Enzimi koji kataliziraju sintezu DNK na šablonu DNK su DNK polimeraze. Oni obavljaju dvije primarne funkcije u ćeliji: sintezu DNK tijekom replikacije genoma i ponovnu sintezu nedostajuće DNK nakon oštećenja rekombinacije, te nakon izrezivanja prajmera iz zaostajućeg lanca.

I kod prokariota i kod eukariota, specijalizirane DNK polimeraze posvećene su replikaciji i popravci, a prve se ponekad nazivaju DNK replike. Sve DNK polimeraze posjeduju a 5 ′- & gt3 ′ polimeraza aktivnost. i pirofosforoliza aktivnost, koja zajedno olakšava sintezu DNK.


Nukleus

Naši urednici će pregledati ono što ste poslali i odlučiti da li da revidiraju članak.

Nukleus, u biologiji, specijalizirana struktura koja se javlja u većini stanica (osim bakterija i plavo-zelenih algi) i odvojena od ostatka ćelije dvostrukim slojem, nuklearnom membranom. Čini se da je ova membrana kontinuirana s endoplazmatskim retikulumom (membranska mreža) ćelije i ima pore, koje vjerovatno dozvoljavaju ulazak velikih molekula. Jezgro kontrolira i regulira aktivnosti stanice (npr. Rast i metabolizam) i nosi gene, strukture koje sadrže nasljedne informacije. Nukleoli su mala tijela koja se često mogu vidjeti u jezgri. Matrica nalik gelu u kojoj se nalaze nuklearne komponente je nukleoplazma.

Budući da se u jezgri nalazi genetski kod organizma, koji određuje aminokiselinsku sekvencu proteina kritičnih za svakodnevnu funkciju, prvenstveno služi kao informacijski centar stanice. Informacije u DNK se transkribiraju ili kopiraju u niz molekula ribonukleinske kiseline (mRNA), od kojih svaka kodira informaciju za jedan protein (u nekim slučajevima više od jednog proteina, kao što su bakterije). Molekule mRNA se zatim transportiraju kroz nuklearnu ovojnicu u citoplazmu, gdje se prevode, služeći kao predlošci za sintezu specifičnih proteina. Za više informacija o ovim procesima, vidi transkripcijski prijevod.

Ćelija normalno sadrži samo jedno jezgro. Pod nekim uvjetima, međutim, jezgra se dijeli, ali citoplazma ne. Ovo proizvodi multinukleaturnu ćeliju (sincicij) kakva se javlja u vlaknima skeletnih mišića. Neke ćelije - na primjer, ljudska crvena krvna zrnca - gube svoje jezgro nakon sazrijevanja. Vidi takođe ćelija.

Urednici Encyclopaedia Britannica Ovaj članak je nedavno revidirala i ažurirala Kara Rogers, viši urednik.


3.5: Specijalizovane eksterne strukture prokariota - biologija

SAŽETAK. Naša teorija je sramotno jednostavna. Ono što je današnje prokariote i moderne cijanobakterije učinilo tako robusnim je činjenica da u njihovom nastanku, još u Arheju (prije 3 milijarde godina), selekcija nije igrala centralnu ulogu u evoluciji, imala je samo prolaznu ulogu. Aseksualna reprodukcija, mutacija, drift i varijacija uzorka kod lokalnih dema bili su važniji, posebno kada su bili praćeni populacijskim katastrofama, u kojima su stradali milioni. Metazoa su općenito makroskopski, seksualno razmnožavajući, ekološki specijalizirani organizmi čija je povijest puna izumiranja i zračenja što dovodi do morfoloških promjena. S druge strane, prokarioti, zahvaljujući svom porijeklu, izbjegavaju izumiranje jer su se kao grupa polako razvijali kao generalisti. Čini se da je specijalizacija manje važna od ekološke svestranosti i metaboličke nespecijalizacije. Moderne cijanobakterije nastavljaju koristiti tu strategiju.

Ključne reči: Prokarioti, evolucija, darvinistička evolucija, očuvanje stanične biologije

Najstariji poznati prokarioti pronađeni su kao mikrofosili iz Arheana u naslagama starim 3,5 milijardi godina (Schopf, 1992). Oni su bili nitasti organizmi slični modernim fotosintetskim cijanobakterijama! To je zaista nevjerovatna evolucijska avantura života, koja je uključivala razradu složene hemijske automatske mašinerije. Sjetimo se čega, radi uspostave uporedne priče s drugim jednostaničnim mikrobom E. coli je (naravno, mnogo složeniji organski preživjeli od organizma koji se fosilizirao prije 3,5 milijardi godina). Govorimo o organizmu sa 64 moguće “riječi” (DNK kodovi), od kojih svaka odgovara slovu u proteinskom jeziku (ili znaku stop), gdje neke “letters” odgovaraju istoj aminokiselini, sa jednolančana RNK koja funkcioniše kao adapteri duge oko 80 jedinica uvijenih oko sebe na specifičan način. Obrazac uvijanja određen je redoslijedom slova, od kojih se mnoga uparuju jedno s drugim. Ovaj uredan komad mašinerije ima otkriveni, neupareni, triplet RNK slova. Različiti dijelovi adaptera imaju slične oblike, ali s različitim izloženim trojkama, jer je ideja da se “plug” u različite komplementarne trojke. Sve u svemu, ovo funkcionira kako bi zadovoljilo mehanizam kodiranja koji je DNK uspostavila u prvim danima, kako bi svoj kôd poslala u budućnost kao adaptivnu poruku za organizam. Iako, oni rani arhejski, ili nama bliži, proterozojski bakterijski naslage u vrijeme prevlasti prokariota nisu mogli imati pojedince sa svim elementima za opstanak danas, poput sinteze proteina, složene membranske signalizacije, složenijih ribosoma poslušnih DNK komande i modifikatori sukoba za višećelijsko postojanje eukariota, morali su imati dovoljno hemijske mašinerije da iskoriste energiju iz bilo kog izvora i pretvore je u organsku hranu za različite metaboličke procese ćelijske biologije.

One jednostanične jedinke za koje mikrofosili otkrivaju da su analogni fotosintetskim cijanobakterijama morale su imati barem automatsku hemijsku mašineriju sličnu drevnim proterozojskim (prije 2500-550 miliona godina) mikrobiološkim agregacijama.Paleomikrobiološke agregacije formirale su debele prostirke ili stromatolite slične današnjim zajednicama cijanobakterija u međuplimnim zonama, slanim močvarama i lagunama, poput onih prijavljenih u Shark Bayu, Australija (Berry et al., 1990.). Za različite stope i različite sudbine vidi Schopf (1994).

Glavni organizam u stromatolitima, Entophysalis major, da bi preživjeli usred prirodne selekcije, nužno je morao imati, kako pretpostavljamo, već sofisticirani receptorski i efektorski mehanizam na staničnoj površini kako bi se izbjegle nepoželjne namirnice, početna tehnika koju treba naučiti sjećanjem iz neugodnih susreta načine da ostanemo zdravi suočeni s vanjskim osmotskim pritiskom, i dovoljno genetske varijabilnosti da se suočimo s fiziološki mudrim, visoko konkurentnim pojedincima, spremnim promovirati vlastite poruke u budućnost. Izvan radne citoplazmatske suspenzije i centralizirane biblioteke (napravljene od DNK), postoji ogroman ribosom izgrađen od RNK i proteinskih molekula. Je li razumno očekivati ​​da se među australijskim stromatolitima nađu organizmi s ribosomima E. coli, koji ima složenu mašinu, jaku 270.000 atoma i oko 30.000 njih u svakom od njih (Cairns-Smith, 2000)? Naravno da ne, ali imamo posla sa vrlo složenim automatskim strojem koji je već u akciji i u relativno dobrom stanju. Hemijska laboratorija u tim ranim prokariotima morala je biti spremna za prirodnu selekciju za “improve ” (možete li zaista poboljšati sistem koji mora biti s najvećom efikasnošću za tada vladajuće uslove? Odgovor je da!) U tim genetski varijabilnim DNK -preci na osnovu Entophysalis major. Čak i da prirodna selekcija nije usavršila mašinu unutar DNK niti za odabir � ” mutanata, katastrofalna eliminacija neprilagođenih mutacija (većina) potpomognuta je selekcijom, ili bi “perfected ” mašina otišla kaput, sa ogromno mutacijsko opterećenje u neprijateljskom okruženju. Budući da se radi o haploidnim i aseksualnim organizmima, mutacije su morale biti jedini izvor varijabilnosti. U tim prvim danima prokariota, mutacije nisu bile pozitivan element selekcije, već su bile najvažniji instrument evolutivnih promjena kroz masovna izumiranja. Novi osnivači su se pojavili od nekoliko preživjelih od milijardi osoba koje su umrle. Oni malobrojni profitirali su zahtjevima prirodne selekcije za �tter ” karakteristike, a neposredna budućnost je ponovo osigurana, i to se nastavljalo. Dakle, ono što smo imali bila je selekcija, s vremena na vrijeme, kad god je to bilo moguće, i mutacije i izumiranja većinu vremena! Ovaj teški evolucijski proces nužno je bio katastrofalan i konzervativan.

Centralizirana mašinerija drevnih ćelija porijeklom iz nukleinske kiseline morala je sadržavati suštinsku složenost karakterističnu za primitivne prokariote. Drugim riječima, najnaprednije loze uzdizanja prokariota u kasnom arheju i proterozoiku vjerojatno su bile fotosintetičke, s porukama DNK u samom središtu, jer su samo one mogle preživjeti generacijama, primjenjujući sve što je povoljno za očuvanje istrošenih dijelova automatske mašine ćelijske biologije. Što u nekoliko riječi znači, DNK koja stvara DNK, dati nukleotide DNK i enzime DNK koja stvara RNA, također dati pripremljene RNA nukleotide i više enzima RNA - RNA poruke, RNA adaptore, proteine ​​koji stvaraju RNK zahvaljujući aminokiselinama i više enzima. Proteini (tj. enzimi) rade sve ostalo. Za prokariot star kao arhej ili čak za paleomikrobiološku agregaciju iz australskih stromatolita, ili iz Lyngbya (Oscillatoriaceae) ili Paleolyngbya u Sibiru (950 miliona godina staro ležište u Sibiru), ili iz Spiruline (Oscillatoriaceaeae) 850 miliona godina staro ležište u Sibiru) ili Gloeocapsa (Chrococcaceae) ili čak starije naslage kao što je Gloeodiniopsis (1,55 milijardi godina staro ležište u južnoj Rusiji (za pregled, vidi Schopf, 1992), moramo očekivati ​​stanje tako-tako metabolička sposobnost vrlo rano, iako se morfološki vrlo sporo razvija nakon toga.

Činjenica da su arhejski prokarioti (prije 3,5 milijardi godina) preživjeli do sličnih današnjih cijanobakterija ukazuje na to da su ove vrste postigle nevjerovatan hemijski podvig u samo 300 miliona godina (računajući da se Zemlja koja je nastala prije oko 4,6 milijardi godina vjerojatno samo dovoljno ohladila da bi održala život prije otprilike 3,8 milijardi godina) bez podvrgavanja morfološkoj evoluciji do današnjih oblika! Na fotografijama u knjizi koju je uredio Schopf (1992) jasno se vidi da su stari i novi oblici vrlo slični, nakon najmanje 1,5 milijardi godina.

Šta se desilo? Jesu li postigli svoju optimalnu vanjsku anatomiju nakon tih ranih brzih eksperimenata? Kao što smo već vidjeli, prirodna selekcija nije imala mnogo pomoći. Sporadične intervencije selekcije bile su dovoljne i efikasne primjenjujući se u svijetu sa obiljem konkurentnih mutanata koji su preživjeli masovna izumiranja? Je li to dovoljno? Ovo je zakon velikih brojeva, koji je ekvivalentan tome da kaže da je matematika koja djeluje na kristal nukleinske kiseline to činila većinu vremena, a selekcija s vremena na vrijeme!

Ovi rani prokarioti su vjerovatno bili generalisti, bez pravog ćelijskog jezgra i membranom ograničenih organela, baš kao i današnji prokarioti. Prokarioti imaju svoje genetske informacije u obliku jedne kružne molekule DNK, koja leži u citoplazmi jer nemaju nuklearnu membranu, transkripcija i translacija se odvijaju istovremeno, a nema ni obrade transkripata RNK glasnika. Geni su u kontinuiranom nizu, neprekinut intronskim nizovima u eubakterijama, iako su introni prisutni u arhebakterijama.

Postepeno se razvijaju generalisti?

Da li nedostatak morfološke evolucije znači da su mutacije na kodovima za vanjski fenotip bile neutralne? Ili je selekcija od početka favorizirala očuvanje? Ili je vanjski fenotipski optimum postignut od početka?

Razlozi očitog sporog tempa morfološke evolucije tih dana nisu poznati, niti znamo koliko je genetska varijabilnost postojala zbog njihove robusne fiziologije i biokemije. Bili su to čvrsti organizmi, slični cijanobakterijama. Staza koja se pojavljuje u fosilnim zapisima može se pripisati odsustvu seksualnog ciklusa ili paraseksualnog procesa ili drugih mehanizama koji općenito promiču heterozigotnost. Malo je vjerovatno da su svi bili homozigotni klonovi, zbog činjenice da su prolazili kroz klimatske promjene, stalne osmotske promjene i međuplimne utjecaje koji su zahtijevali varijabilnost. Izvori naleta genetskih promjena bili bi drift i varijacija uzorka, plus pojedinačne mutacije unutar velikih populacija, pasivno i široko rasprostranjene. Istrebljenje se također može spriječiti pod takvim uvjetima. U ovom okruženju evolucijske promjene su bile spore. Stoga, ako su prošli kroz katastrofalna uklanjanja koja su u velikoj mjeri smanjila broj ljudi, stvarajući izolirane populacije, genetski drift treba uključiti u instrumente evolucijske promjene, s mutacijama, kada se pojave uska grla.

Strategije preživljavanja tih ranih stanovnika stromatolita mogle su se razlikovati od onoga što se dogodilo kod bakterijskih i metazoanskih vrsta. Dok su cijanobakterije opstale oko 2 milijarde godina, metazojske vrste u prosjeku opstaju, prema nekim prihvaćenim procjenama, samo 4 miliona godina. Ako su prokarioti polako evoluirali generalisti, kako se čini, morali su imati eventualni selektivni mehanizam koji je radio sporadično na usavršavanju svakog od elemenata unutrašnje hemijske mašinerije. Stagnacija u morfološkim karakteristikama evolucije prokariota mogla je biti važno postignuće za “koncentriranje ” na genetske kodove za polako razvijajući se unutrašnji fiziološki optimum (fiziološka robusnost). Da bi se osigurao opstanak, specijalizacija je možda bila manje važna od ekološke svestranosti i biohemijske nespecijalizacije. Zaista, moderne cijanobakterije pokazuju te općenite osobine. Jake su vrste za koje se zna da fotosintezuju pri vrlo niskim nivoima osvjetljenja, a ipak mogu preživjeti klimatske i druge ekstremne uvjete, kao što su visoke temperature ili smrzavanje, druge vrste mogu živjeti u anoksičnim jezerima ili drugim ekstremnim uvjetima, pogoršanim naglim promjenama.

Psihološka stabilnost, a ne evolucija?

Nekoliko polimorfnih lokusa kod eukariota dovoljno je da objasni veliku plastičnost. Cijeli niz okolišnih uvjeta, čak i ekstremnih, može se riješiti s nekoliko polimorfnih lokusa koji imaju pleiotropne učinke. Teoretski se može tvrditi da se vrlo složena mašina koja je rezultat interne genetske selekcije koja milionima godina djeluje na nekoliko polimorfnih lokusa, ovakve koje ovdje predlažemo, ne može promijeniti ako ti lokusi utječu na važne dijelove u mašini na drugom mjestu. U geometriji evolucije (Conrad, 1990) čitamo da postoje karakteristike koje omogućuju organizmima da se brzo razvijaju i da i dalje održavaju kondiciju. Smisao članka je da sistem može zadovoljiti dva naizgled suprotstavljena uslova - da bude fiziološki stabilan i da se lako mijenja u evoluciji. Mnogi autori populacijske genetike tvrdili su da promjene u uvjetima okoline nužno znače promjenu fiziologije. Štaviše, nastavljaju da kažu da genetska stabilnost i evolucija ne mogu ići ruku pod ruku, u stvari tvrde da je prava suština darvinističke selekcije da genetska stabilnost znači život u stabilnom okruženju. Ipak, norma reakcije genotipa dopušta kontrolu fenotipa bez promjene specifičnih genskih lokusa. Drugim riječima, fiziološka stabilnost ne podrazumijeva genetsku stabilnost. Organizmi mogu pretrpjeti genetske promjene (čak i kromosomske aberacije u životinjskim i biljnim sistemima) bez uočljivih fenotipskih promjena u normalnim uvjetima.

Postoji mnogo vrsta ili stupnjeva kondicije: 1) optimalna kondicija, u fitnes krajoliku, znači da se kroz specijalizirani visoko prilagodljiv i fiziološki stabilan fenotip organizam, ili njegova rodna grupa, ne mijenja jer promjena znači udaljavanje od optimalnog , a to opet znači da će niža stopa reprodukcije i preživljavanja učiniti lozu manje konkurentnom. U tom slučaju organizam opstaje i uspješno se natječe sve dok je okolina fiksna. 2) Kada organizam dosegne ne tako visok optimum u pejzažu fitnesa, to znači da je loza stekla nekoliko genotipova (polimorfnih), a u slučaju metazoa nekoliko alternativnih embrioloških pejzaža za suočavanje s nekoliko okruženja, bez specijalizacije za najbolje u darvinističkom smislu. Takav je slučaj mnogih koji nisu napustili svoju evolutivnost. 3) Kada organizam stekne biokemijsku stabilnost (ili razvojnu stabilnost u slučaju metazoa), to dopušta (kao što je bio slučaj s arhejskim prokariotima, koji su bili uspješni mnogo milijardi godina s istim vanjskim fenotipom, čak i u vrlo promjenjivim uvjetima) oni optimizuju svoje opšte karakteristike radi sporog razvoja. Teoretski je moguće da općeniti studenti imaju fiziološku adaptaciju kada premještaju svoje proteine ​​u treću dimenziju suočeni s ekstremnim uvjetima. Moguće je da su na početku života, kada seksualnost nije bila razvijena u arhejskih prokariota, loze homozigotnih genoma (klonova) bile fiziološki nestabilne ili da je njihova fiziologija reagirala u skladu s unutarnjim mandatima stabilnosti i spore evolucije.

Može li sposobnost proteina da inkorporira varijabilnost sekvence u stabilne očuvane trodimenzionalne strukture biti izvor konzervirane filotipske faze razvoja tjelesnog plana?

Pretpostavljam da bismo trebali započeti ovaj odjeljak prokariotskim očuvanjem koje fosilni zapisi tako obilno reklamiraju (Schopf, 1992). Vrlo konzervirani prokariot vjerovatno je inicirao trend, sačuvan kao mikrofosili cijanobakterija (za zapanjujuće fotografije vidi Schopf, 1992).

Eukarioti su vjerojatno nastali iz prokariotskog porijekla prije otprilike 1,6-2,1 milijardi godina (Knoll, 1992). Evolucijska diverzifikacija prokariota ili preeukariota uključivala je duboku kompartmentalizaciju, sa izumima kao što su organele i mnoge složenije strukture suspendovane u koloidnoj citoplazmi. Sada se oko 60 vrsta eukariota može razlikovati na osnovu njihove stanične organizacije (Patterson i Sogin, 1992 Patterson, 1994, 1999). Jedna od ovih linija (opisthokonts) ima oko milion vrsta životinja i gljiva, druga (Viridaeplantae) sastavljena je od zelenih algi i kopnenih biljaka. Većina linija eukariota smatra se svojom grupom, parafiletskim, uglavnom jednoćelijskih organizama, koji se nazivaju protisti. Nevjerojatno je pitanje kako je nastao mikrobni život, koji je započeo s relativno jednostavnim jednostaničnim prokariotom sa samo naizgled “simple ” kemijskom mašinom suspendiranom u neorganiziranom unutrašnjem miljeu sa samo kružnom niti nukleinske kiseline koja je kodirala proteine ​​u fiziološkoj stabilnosti funkcije, odlučiti se za generalizirani oblik života koji se polako razvija i uspjeti preživjeti nasilne plimne pokrete, ekstremne temperaturne fluktuacije i još ekstremnije promjene osmotskog pritiska?

Prije smo nudili da su u ovom ranom početku organizmi prošli kroz nevjerojatnu ne-darvinovsku evoluciju, s naletima promjena uzrokovanim katastrofalnim eliminacijama, mutacijama, driftom i varijacijom uzoraka, zajedno s vrlo velikim brojem i uskim grlima. Ako imamo “punktuiranu ravnotežu ” (Gould i Eldredge, 1977) sa evolucijom koja se ne odvija postepeno, već naglo, onda “punk-eq” značajno odstupa od darvinističkog nadmetanja među organizmima, 2002).

Skok na eukariotsku organizaciju bio je ogroman, šta god da ga je izazvalo u neprekidnom periodu od milion godina, moralo je početi sa već dobro izgrađenom, hemijski složenom mašinom. Sažmimo samo što je eukariot: eukarioti se od prokariota razlikuju po strukturnoj složenosti stanica koje imaju mnoge funkcije odvojene u autonomne odjeljke stanica, organele i citoskelet. Najočitija organela u većini ćelija je jezgro, a od njega je došlo i ime eukariota. Većina stanica ima jedno jezgro, ali neke imaju tisuće, a druge poput naših crvenih krvnih zrnaca nemaju niti jedno, iako potječu od stanica s jezgrama. Jezgre sadrže središnju vlast ćelije sa svojim genetskim materijalom, ali drugi kodovi genoma nalaze se u mitohondrijima i plastidama (ako su prisutni). Jezgro je omeđeno membranskom ovojnicom, a nuklearni omotač je dio endomembranskog sistema, koji se proteže i uključuje endoplazmatski retikulum, diktiosome (Golgijev aparat) i ćeliju ili plazma membranu koja pokriva cijelu ćeliju. Nuklearni omotač perforiran je nuklearnim porama koje omogućuju spojevima prolaz u okolnu citoplazmu. Neki su protisti toliko specijalizirani da imaju više od jedne vrste jezgre, od kojih se jedna koristi za čuvanje kopije središnjeg genoma za reprodukciju, a druga se koristi za pojačavanje nekih gena za regulaciju određenih aktivnosti.

Citoskelet eukariota sastoji se od mnogih proteina. Najvažniji su tubulin (u mikrotubulama) i aktin (u mikrofilamentima) i stotine međusobno povezanih proteina koji učestvuju u transportu i u skeletnoj arhitekturi ćelija. Citoskelet podržava membranske organele. Citoskeletna arhitektura igra važnu ulogu u podržavanju metafaznih kromosoma i drugih elemenata stanične diobe u mitozi i mejozi.

Budući da se mnoge funkcije metabolizma odvijaju unutar organela vezanih za membranu, važno je za ćelijski opći okvir da organele uključuju endoplazmatski retikulum, diktiosome (Golgijev aparat), lizosome i peroksizome. Ostali organeli vezani za membranu uključuju kloroplaste (u biljkama, algama i organizmima koji su razvili simbiotske asocijacije s plastidama), mitohondrije i hidrogenosome. Protisti (uglavnom mikrobiološki eukarioti) imaju organele ograničene membranom koje se ne nalaze u većini drugih eukariota, kao što su kontraktilne vakuole i ekstruzomi. Organeli koji nisu vezani za membranu uključuju citoskeletne elemente (one koji se sastoje od tubulina ili nitastih struktura koje ponekad sadrže aktin), kontraktilne sisteme (sistemi aktin-miozin i spazmin/centrinske organizacije različitih veličina) ili druge pokretne uređaje (mitotička vretena, mionemi , cilije, flagele).

Iako su protisti eukarioti, oni predstavljaju parafiletsku skupinu koja nije životinja, gljiva ili zelenih biljaka. Oni koji su klasificirali protiste mogu identificirati oko 60 tipova, ali odnosi među tim lozama nisu jasni (Doolittle, 1995). Procjenjuje se da postoji oko 200.000 imenovanih vrsta protista. Neke od prihvaćenih grupa sadrže samo jedan ili nekoliko rodova ili vrsta, međutim, druge uključuju ogromnu raznolikost različitih organizacijskih tipova (uključujući višećelijske). Dobar primjer protista su stramenopili, koji obuhvaćaju količinu fotosintetske aktivnosti koja je gotovo jednako velika kao i biljka, a uključuje gljivične organizme (Oomycetes), parazitske protozoe (Opalines i Blastocystis), protozoe koje slobodno žive (heliozoe i flagelate) ) i razne jednoćelijske (Chysophytes) i višećelijske alge (kelp i druge smeđe alge). Tradicionalno najpoznatiji protisti su sljedeće nemonofiletske adaptivne grupe: bičevi, amebe, alge i parazitski protisti.

Evoluciju čine selektivni i neselektivni mehanizmi

Evolucija višećelijskih oblika rezultat je promjena u razvoju. Općenito je prihvaćeno da su prokarioti da bi došli do višećelijskih oblika prvo evoluirali do faze eukariota, gdje su stečene određene stanične karakteristike, poput nuklearne membrane, složenije stanične membrane s mnogo različitih vrsta molekularnih signala, nekoliko pumpi za uravnoteženje osmotskog tlaka i nekoliko unutrašnjih organela za nastavak transkripcije i translacije RNA poruka namijenjenih okupljanju polipeptida. Većina ovih funkcionalnih odjeljaka učinkovito je izolirana zahvaljujući lipidnim membranama preko kojih se većina materijala selektivno kreće.Vrlo je vjerojatno da su ova podjela unutarnje stanice, zajedno s ostalim popratnim biofizičkim i genetskim fenomenima koji funkcioniraju u citoplazmi, u prvim danima vendskih, pretkambrijskih ili proterozojskih dana prije nekih 1000-550 miliona godina bili preduvjeti za razvoj složena višestaničnost, koja je potekla iz razvojnih obrazaca iz kojih se 32 Phyla diversificirala (Brusca i Brusca, 1990). Postoji molekularna filogenija metazoa koja svedoči o monofiletskom poreklu (Muller, 1995). Štaviše, genotipovi koji sadrže homeobox kod najprimitivnijih metazoa (Seimiya et al., 1994.) ukazuju na jedno eukariotsko porijeklo koje se kasnije diverzificiralo u različite razvojne filetske obrasce (Wolpert, 2002.), ili možda Vendobionta sestru Eumetazoa (Buss i Seilacher). , 1994.). Eksperimenti u kloniranju Giardia lamblia ukazuju na podrijetlo eukariotskih stanica i endoplazmatskog retikuluma (Gupta et al., 1994), te proteinske filogenije istih Giardia lamblia, protozoa bez mitohondrija, daje robusnu procjenu ranih divergencija eukariota (Hashimoto et al., 1994). Iz onoga što smo vidjeli u ovom radu možemo reći da je očuvanje, od prokariota pa do staničnih procesa i staničnog ponašanja u razvoju metazoa, opći princip u staničnoj biologiji.

Treba li objašnjenje za očuvanu funkciju proteina biti ono što Gerhart i Kirschner (1997) smatraju: 𠇁) očuvanje kao odraz optimalnosti 2) očuvanje kao odraz višestrukih funkcija koje proizvode opsežne pleiotropske efekte ako se mijenjaju ili 3) očuvanje kao odraz tolerancije proteinske funkcije na promjene u strukturi ”. Postoje operativni plafoni kodova proteina i nukleinskih kiselina koji se odnose na biofizičko ili hemijsko područje u koje prirodna selekcija ne može doći. Psihološka stabilnost nije ništa drugo do tačka bez povratka za optimum. Određeni aspekti očuvanja udaljeni su nekoliko koraka od selekcije, ili još bolje, do mjesta na koja selekcija ne može doseći osim ako erozija optimalnih adaptivnih vrhova prethodno postignutih selekcijom ne izazove nedostatke i eventualnu smrt. Očuvanje funkcije proteina ne mora biti popraćeno zamjenom aminokiselina. Očuvanje trodimenzionalne strukture hemoglobina omogućava široku lepezu sekvenci i modulacija mesta vezivanja kiseonika na različitim nadmorskim visinama u populacijama koje žive u visokim planinama (poput Bogote, Himalaja, La Paza, itd.). Goldberg (1995) podsjeća da parazitska nematoda Ascaris proizvodi hemoglobin koji veže kisik sa 200 puta većim afinitetom od mioglobina sisara. Mala količina kisika izdvojena u crijevima služi za epoksidaciju skvalena u biosintezi sterola. Ascaris globin dijeli samo 10-15% homologije sekvence s globinima kralježnjaka, iako ima istu trodimenzionalnu strukturu (Gerhart i Kirschner, 1997). Nema ništa čudno u vezi globina u školjci Lucinia pectinata, koja u potpunosti živi od simbiotske bakterije u svojim škrgama. Kristalografska analiza pri rezoluciji 1,5 i Aring (Rizzi et al., 1994, koju citiraju Gerhart i Kirschner, 1997) pokazuje da trodimenzionalna struktura polipeptidne okosnice sulfidno reaktivnog hemoglobina školjke (bakterija koristi oksidaciju sumporovodika kao energija) može se postaviti gotovo točno na onu mioglobina kitova sperme. Međutim, hemoglobin školjke koji reagira sa sulfidom ima samo 18% homologije s globinima kralježnjaka.

Komparativna biohemija globina pokazuje da postoji velika razlika u sekvenci među njima u životinjskom carstvu koja ne utiče na njihovu fiziologiju u različitim nepovezanim taksonima. Ipak, na određenim pozicijama čak i male promjene u aminokiselinskoj sekvenci mogu imati značajne učinke na fiziologiju. Da bi se mogao prilagoditi ekstremnom mišićnom naporu pri vrlo niskoj koncentraciji kisika iznad Mount Everesta na visinama od 9000 m, guska s šipkom (Anser indicus) je zamijenio prolin alaninom na alfa lancu. Njegova bratska vrsta na manjoj nadmorskoj visini (Anser anser) ne mora to učiniti sa svojom globinskom strukturom. Postoje važni radovi (Clementi et al., 1994) o funkcijama hemoglobina koji pokazuju da u ekstremnim životnim uslovima očuvane proteinske strukture rade sasvim dobro. U drugim radovima o adaptaciji ptičjih hemoglobina na niski tlak kisika (Gillespie, 1991 Jessen et al., 1991), prijavljene su mutacije prolina do alanina koje uzrokuju, čak i kod ljudi, povećanje afiniteta kisika. Gotovo beznačajne zamjene u ukupnoj sekvenci i strukturi proteina dovoljne su za stvaranje adaptivnih promjena. Stoga se sve genetske promjene u varijabilnosti genoma ne mogu koristiti za primjer evolucije. Čini se da je evolucija molekule hemoglobina odgovorila i na neutralne i na selektivne specifične fiziološke modifikacije koje su omogućile reverzibilno vezivanje kisika za hem, bez poništavanja očuvane strukture proteina.

U ovom eseju mi ​​tvrdimo da postoje genetski i kemijski optimi koji ograničavaju odabir u njegovoj kreativnoj ulozi. Odabir ne može ići dalje! Mora prestati ili će automatska hemijska mašina postati štetna za biologiju ćelije. Štoviše, raspravljali smo o tome da je darvinistička evolucija prethodila darvinističkom dijelu evolucijske promjene i da se još mnogo toga može naučiti iz tih katastrofalnih masivnih razaranja ranog arhejskog života (uključujući stijenu široku deset kilometara koja nas je pogodila u kredi) ) koji predstavlja izazov prirodnoj selekciji kao jedinoj vodičkoj sili organske evolucije.

Berry, P.F., Bradshaw, S.D. i Wilson, B.R. (1990). Istraživanje u Shark Bayu - Izvještaj Odbora za dvjestogodišnju ekspediciju France-Australe. Muzej Zapadne Australije, Perth, Australija.

Brusca, R.C. i Brusca, G.J. (1990). Beskičmenjaci. Sinauer, Sunderland, MA, SAD.

Buss, L.W. i Seilacher, A. (1994). Phylum Vendobionta - sestrinska grupa Eumetazoe? Paleobiologija 20: 1-4.

Cairns-Smith, A.G. (2000). Sedam tragova o poreklu života. University Press, Cambridge, UK.

Clementi, M.E., Cond & ograve, S.G., Castagnola, M. i Giardina, B. (1994). Funkcija hemoglobina u ekstremnim životnim uslovima. EUR. J. Biochem. 223: 309-317.

Conrad, M. (1990). Geometrija evolucije. Biosistemi 24: 61-81.

Doolittle, R.F. (1995). Podrijetlo i evolucija eukariotskih proteina. Philos. Trans. R. Soc. London. B. Biol. Sci. 349: 235-240.

Gerhart, J. i Kirschner, M. (1997). Stanice, embriji i evolucija. Blackwell Scientific, Inc., MA, SAD.

Gillespie, J.H. (1991). Uzroci molekularne evolucije. Vol. 2. Oxford Series in Ecology and Evolution. Oxford University Press, New York, NY, SAD.

Goldberg, D.E. (1995). Zagonetni Ascaris-ov hemoglobin koji voli kisik. BioEssays 17: 177-182.

Gould, S.J. i Eldredge, N. (1977). Punktuirane ravnoteže: Tempo i način evolucije ponovo razmatrani. Paleobiologija 3: 115-151.

Gupta, R.S., Aitken, K., Falah, M. i Singh, B. (1994). Kloniranje Giardia lamblia Homolozi proteina toplotnog šoka HSP70: implikacije u pogledu porijekla eukariotskih ćelija i endoplazmatskog retikuluma. Proc. Nat. Akad. Sci. SAD 91: 2895-2899.

Hashimoto, T., Nakamura, Y., Nakamura, F., Shirakura, T., Adachi, J., Goto, N., Okamoto, K. i Hasegawa, M. (1994). Proteinska filogenija daje robusnu procjenu ranih divergencija eukariota: filogenetsko mjesto protozoa bez mitohondrija, Giardia lamblia. Mol. Biol. Evol. 11: 65-71.

Hoenigsberg, H.F. (2002). Izvan darvinizma. In memoriam Stephen J. Gould. Genet. Mol. Res. 1: 372-375.

Jessen, T.H., Weber, R.E., Fermi, G., Tame, J. i Braunitzer, G. (1991). Prilagođavanje hemoglobina ptica na velikim nadmorskim visinama: demonstracija molekularnog mehanizma proteinskim inženjeringom. Proc. Nat. Akad. Sci. SAD 88: 6519-6522.

Knoll, A.H. (1992). Rana evolucija eukariota: geološka perspektiva. Nauka 256: 622-627.

Muller, W.E. (1995). Molekularna filogenija metazoa (životinje): monofiletskog podrijetla. Naturwissenschaften 82: 321-329.

Patterson, D.J. (1994). Protozoe: Evolucija i sistematika. u: Napredak u protozoologiji (Hausmann, K. i Hülsmann, N., ur.). Zbornik radova IX Međunarodnog kongresa protozoologije, Berlin 1993. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, Jena, New York, str. 1-14.

Patterson, D.J. (1999). Raznolikost eukariota. Am. Nat. 154 (Suppl): S96-S124.

Patterson, D.J. i Sogin, M.L. (1992). Porijeklo eukariota i raznolikost protistana. u: Poreklo i evolucija prokariotskih i eukariotskih ćelija (Hartman, H. i Matsuno, K., ur.). World Scientific Pub. Co., NJ, SAD, str. 13-46.

Rizzi, M., Wittenberg, J.B., Coda, A., Fasano, M., Ascenzi, B. i Bolognesi, M. (1994). Struktura sulfidno reaktivnog hemoglobina iz školjke Lucina pectinata. J. Mol. Biol. 244: 86-99.

Seimiya, M., Ishiguro, H., Miura, K., Watanabe, Y. i Kurosawa, Y. (1994). Homeobox sadrži gene u najprimitivnijim metazoama, spužvama. EUR. J. Biochem. 221: 219-225.

Schopf, J.W. (1992). Najstariji fosili i šta oni znače. u: Glavni događaji u istoriji života (Schopf, J. W., ur.). Jones i Bartlett, Boston, MA, SAD, str. 29-63.

Schopf, J.W. (1994). Različite stope, različite sudbine: tempo i način evolucije promijenili su se iz pretkambrijskog u fanerozoik. Proc. Nat. Akad. Sci. SAD 91: 6735-6742.

Wolpert, L. (2002). Principi razvoja. Oxford University Press, Oxford, SAD.


DnaC je monomer, veže se za Dna-B na jedan na jedan način (1: 1). 5 Pomaže ili olakšava da se helikaza učita na ssDNK pri replikacijskoj vilici na ATP ovisan način. DnaC-ATP se vezuje za helikazni heksamer i indukuje otvaranje heksamernog prstena helikaze tako da se može opteretiti na jednu lancu i zaokružiti lan na spoju viljuške. Nakon što se helikaza učita, Dna-C se disocira od podjedinica helikaze, a heksamer helikaze u suradnji s ATP-om djeluje poput motornog proteina koji se pomiče u vilicu i odmotava DNK ispred vilice.

Replikacija eukariotskih i prokariotskih hromozoma, virusa i bakterijskih plazmida uključuje nekoliko analognih događaja i sličnosti u arhitekturi replizoma. Za mnoge sisteme, pokazano je da specifični inicijacijski proteini, uključujući bakterijski DnaA protein, fag λ O protein, SV40 T antigen, proteine ​​inicijacije plazmida (općenito nazvani Rep) i kompleks za prepoznavanje eukariotskog porijekla (ORC), formiraju komplekse na početku koji služe kao platforme za naknadne događaje inicijacije replikacije DNK. Uprkos određenim sličnostima, specifični mehanizam za iniciranje replikacije datog replikona zavisi i od strukture porekla replikacije i od prirode proteina inicijacije replikacije. Replikacija ekstrahromozomskih replikona, kao što su plazmidi, fagi i virusi, općenito je ograničena na jednog domaćina ili nekoliko blisko povezanih domaćina (uski raspon domaćina). Međutim, promiskuitetni plazmidi bakterija mogu se replicirati i održavati u mnogim udaljenim vrstama bakterija (širok raspon domaćina). Shodno tome, svestrane interakcije proteina kodiranih plazmidima i porijeklo replikacije sa faktorima replikacije specifičnim za domaćina mogu odrediti način pokretanja replikona širokog raspona domaćina.

Izvorna struktura i otvor

Podrijetlo prokariotskih i nekih eukariotskih replika, poput DNK virusa i Saccharomyces cerevisiae posjeduju karakteristične funkcionalne elemente, uključujući specifična mjesta vezivanja za odgovarajući inicijalni protein i an AT-bogata regija u kojoj dolazi do destabilizacije DNK dupleksa. Poreklo plazmida obično sadrži više vezivnih mesta (iterona) za plazmid-specifični protein inicijacije replikacije, kao i jedno ili više mesta vezivanja za protein inicijacije replikacije domaćina, DnaA (DnaA kutije, slika 1).
Slika 1
Strukturna organizacija nekog prokariotskog podrijetla. Prikazane su višestruke ponavljajuće sekvence (iteroni), regije bogate AT-om i GC-om i DnaA box sekvence. (Mape se ne crtaju u mjerilu.)
Nekoliko dokaza dokazuje da se ovi strukturni elementi podrijetla koriste za replikaciju i održavanje plazmida širokog raspona domaćina u različitim vrstama bakterija domaćina. Na primjer, minimalno porijeklo plazmida širokog raspona domaćina RK2 (oriV Slika 1) posjeduje pet iterona i funkcionalan jeEscherichia coli. Međutim, prisutnost tri dodatna iterona stabilizira održavanje RK2 plazmida u Pseudomonas putida (Schmidhauser et al., 1983). Osim toga, regija sa četiri DnaA kutije je neophodna za replikaciju RK2 E. coli, ali je neophodan za replikaciju plazmida u Pseudomonas aeruginosa(Shah et al., 1995. Doran et al, 1999.). U E. coli hromozom, porijeklo replikacije (oriC) sadrži pet sekvenci okvira DnaA (slika 1).




Strukturna organizacija nekog prokariotskog porijekla. Prikazane su višestruke ponavljajuće sekvence (iteroni), regije bogate AT-om i GC-om i DnaA box sekvence.

Vezivanje više molekula DnaA u prisutnosti histono sličnog HU proteina i specifičnog DNA vezujućeg proteina IHF (faktor domaćina integracije) rezultira destabilizacijom dupleksne DNA unutar obližnjih AT-bogatih sekvenci oriC of E. coli (Messer et al., 2001). Polazno otvaranje plazmida uskog raspona domaćina P1, F, R6K i pSC101 zahtijeva, pored E. coli DnaA, HU i/ili IHF proteini, vezivanje proteina iniciranja replikacije kodiranih plazmidom (Mukhopadhyay et al., 1993. Kawasaki et al., 1996. Lu et al., 1998. Park et al., 1998. Kruger et al., 2001 Sharma et al., 2001). Slično, formiranje otvorenog kompleksa na podrijetlu replikacije plazmida širokog raspona domaćina RK2 od plazmid-kodiranog proteina inicijacije TrfA zahtijeva E. coli HU, a stabilizira ga E. coli DnaA (Konieczny et al., 1997).
Za razliku od kromosomskih oriC, ali slično bakteriofagu λ, porijeklu plazmida nije potreban ATP za formiranje otvorenog kompleksa (Schnos et al., 1988 Mukhopadhyay et al., 1993 Kawasaki et al., 1996. Lu et al., 1998. Park et al, 1998). Osnova za ovaj nedostatak ovisnosti o ATP-u mogla bi biti unutrašnja zakrivljenost DNK ovih podrijetla, kao i savijanje podrijetla, inducirano na način nezavisan od ATP-a, kompleksom Rep proteina kodiranog plazmidom i HU ili IHF domaćina (Stenzel et al., 1991 Doran et al., 1998. Lu et al., 1998 Komori et al., 1999 Sharma et al., 2001).

DnaB i druge replikativne helikaze

DnaB protein, glavna replikativna DNK helikaza u E. coli (LeBowitz & McMacken, 1986), član je porodice heksamernih DNK helikaza, koja uključuje T4 i T7 DNK helikaze i repA kodiran plazmid RSF1010, kao i SV40 T antigen i humani MCM (održavanje minihromozoma) protein ( Patel & amp Picha, 2000). Iako još nije definiran identitet sekvence, ove helikaze tvore strukturu prstena sa središnjim otvorom i povezane su s kompleksima replikacije DNA. MCM helikaza sisavaca je kompleks nekoliko različitih, ali srodnih peptida. Zanimljivo, nedavno se pokazalo da je Methanobacterium thermoautotrophicum MCM protein može formirati heptamerne prstenove (Yu et al, 2002.). Nekoliko dokaza dokazuje da DNK prolazi kroz središnji otvor helikaznog prstena, iako je također predložen alternativni model DNK koji se omotava oko vanjske strane helikaznog prstena (Patel & amp Picha, 2000).
E. coli DnaB je multifunkcionalni enzim sa brojnim različitim aktivnostima, uključujući vezivanje DNK, hidrolizu ATP -a, odmotavanje DNK i stimulaciju DnaG primaze za sintezu prajmera, koja je potrebna za početak reakcije polimerizacije pomoću DNK polimeraze holoenzima. DnaB stupa u interakciju s brojnim proteinima, uključujući E. coli DnaA (Marszalek & amp Kaguni, 1994), DnaC (Wickner & amp Hurwitz, 1975), DnaG primase (Lu et al., 1996 Tougu & amp Marians, 1996) i τ podjedinica DNK polimeraze (Kim et al., 1996), kao i plazmidno kodirani protein inicijacije replikacije RepA pSC101 (Datta et al., 1999), π od R6K (Ratnakar et al., 1996.) i TrfA iz RK2 (Pacek et al., 2001). The E. coli DnaB heksamer je prisutan in vivo u kompleksu proteina sa šest monomera proteina DnaC i šest molekula ATP (Wickner & amp Hurwitz, 1975. Lanka & amp Schuster, 1983. Slika 2).
Slika 2




Modeli za regrutiranje i učitavanje helikaze na porijeklu plazmida, faga i bakterijskih kromosoma. Prikazani su zahtjevi za proteinima i interakcije potrebne za regrutaciju i učitavanje helikaze. Debele strelice označavaju ključne interakcije, isprekidane strelice pokazuju smjer replikacije.
(A) Fizička interakcija između E. coli DnaA i DnaB helikaze, kao i aktivnost dodatne DnaC ATPaze su bitne za isporuku helikaze u E. coli oriC.
(B) Tokom replikacije bakteriofaga λ, ulogu DnaC -a ima protein λP, koji veže E. coli DnaB helikazu i dostavlja ga u izvor putem interakcije s proteinom λO.
(C) Pored E. coli DnaA i DnaC proteina, regrutovanje helikaze na plazmidnom porijeklu uskog raspona domaćina zahtijeva proteine ​​inicijacije replikacije specifične za plazmid (Rep).
(D) Alternativni mehanizmi za regrutovanje i punjenje helikaze na poreklu plazmida širokog spektra domaćina RK2. Interakcija DnaA-DnaB specifična za domaćina koja se koristi za regrutaciju helikaze u DnaA kutijama RK2 plazmidnog porijekla je primjenjiva na replikaciju plazmida u E. coli. U P. aeruginosa, helikaza se regrutuje i učitava u RK2 porijeklo u DnaA- i DnaC-nezavisnom načinu, kroz specifičnu interakciju sa plazmidom TrfA-44 inicijacijskim proteinom replikacije.

Modeli za regrutiranje i učitavanje helikaze na porijeklu plazmida, faga i bakterijskih kromosoma. Prikazani su zahtjevi za proteinima i interakcije potrebne za regrutaciju i učitavanje helikaze. Debele strelice označavaju strelice sa ključnim interakcijama .

E. coli Zapošljavanje i učitavanje DnaB helikaze

The E. coli DnaB helikaza se veže za jednolančanu DNK (ssDNA) na način zavisan od ATP-a. Kako god, ova aktivnost sama po sebi nije dovoljna za punjenje helikaze na početku replikacije jer DnaB heksamer sam po sebi nema afinitet za ssDNK vezanu SSB (jednolančani vezujući protein). Dakle, ulazak kompleksa DnaB helikaze u odmotan oriC zavisi od dodatnih proteinskih faktora, a mehanizam koji stoji iza ovog događaja nije u potpunosti shvaćen. Kemijsko umrežavanje, enzimski imunosorbentni testovi i studije o smetnjama s monoklonskim antitijelima pokazale su da fizička interakcija između E. coli DnaA i DnaB su neophodni za isporuku helikaze oriC (Marszalek & Kaguni, 1994). Učitavanje DnaB vjerovatno ne ovisi samo o vezivanju DnaA za kutije DnaA prisutne u E. coli oriC sekvence (slika 2A), ali i na vezivanje DnaA za otvoreni region porekla, koji se zatim stabilizuje za naknadno punjenje helikaze (Speck & amp Messer, 2001). Pokazalo se da je i specifična fizička interakcija između DnaA i DnaB ključna tokom iniciranja replikacije plazmida RK2 u E. coli (Konieczny & Helinski, 1997. sl. 2D). Ovaj DnaA-DnaB kompleks pronađen je u DnaA kutiji oriV, koji je odvojen s više od 200 parova baza (bp) od početnog otvora RK2 i ima stroge zahtjeve za sekvencom DnaA kutije za stabilno formiranje (Pacek et al., 2001).
Osim interakcije između DnaB -a i DnaA -e, pomoćni protein za helikazu, protein ATPase, DnaC, također je potreban za formiranje kompleksa helikaze i učitavanje helikaze pri E. coli oriC, kao i na nekoliko izvora plazmida uključujući RK2 (Konieczny & Helinski, 1997), R6K (Lu et al., 1998) i pSC101 (Podaci et al, 1999.). T4 gp59 i B. subtilis DnaI proteini imaju ulogu sličnu onoj DnaC, služeći kao faktori punjenja helikaze tokom bakteriofaga T4 i B. subtilisInicijacija replikacije DNK, respektivno (Kreuzer & amp Morrical, 1994 Imai et al., 2000). Dva eukariotska proteina, Cdc6 i Cdt1, koji je nedavno identificiran kao nova komponenta kompleksa prije replikacije, predložena su za regrutiranje MCM kompleksa u Xenopus i Saccharomyces (Baker & Bell, 1998 Bell & Dutta, 2002). Tokom replikacije bakteriofaga λ, ulogu DnaC obavlja λP protein, koji je takođe ATPaza, ali nema sličnost sekvence sa DnaC. λP protein veže E. coli DnaB helikaza i isporučuje je do λ porijekla (oriλ) putem interakcije sa λO proteinom (Dodson et al., 1985 sl. 2B). Nakon formiranja kompleksa helikaze u oriλ, mora se preurediti usklađenim akcijama E. coli pratioci DnaK, DnaJ i GrpE (Konieczny & Zylicz, 1999). U ovom koraku, DnaB se oslobađa uske interakcije s λP. Potreba za molekularnim pratiocima smanjuje se mutacijom u λP gen, koji slabi interakciju između proteina λP i DnaB helikaze (Konieczny & amp Marszalek, 1995).
Detaljan molekularni mehanizam učitavanja helikaze na ssDNA nije u potpunosti shvaćen. Pokazano je da je aktivnost vezivanja ssDNA λP i DnaC uključena u učitavanje DnaB (Saznajte et al., 1997), kao i da se DnaC oslobađa uz istovremenu hidrolizu ATP-a tokom punjenja helikaze na oriC (Funnell et al., 1987. Allen & amp Kornberg, 1991.). Nedavno je to predloženo DnaC je dvostruki prekidač proteina ATP/ADP, sa DnaB i ssDNA koji aktiviraju hidrolizu ATP pomoću DnaC (Davey et al, 2002.). Iznenađujuće, ATP nije potreban za učitavanje DnaB -a pomoću DnaC -a na ssDNA, a model predlaže da DnaC -ATP učita helikazu na oriC, ali ta konverzija u DnaC–ADP je potrebna prije nego što helikaza bude aktivna (Davey et al., 2002).
Tokom inicijacije replikacije plazmida RK2 in E. coli, DnaA protein usmjerava DnaB, u kompleksu sa DnaC, u DnaA kutije u oriV od RK2. Međutim, kompleks helikaze ne uspijeva odmotati šablon osim ako je prisutan i inicirajući protein plazmida TrfA (Konieczny & amp Helinski, 1997). Predloženo je da se helikaza ponovo pozicionira iz DnaA kutija u regiju bogatu AT putem direktnog kontakta sa TrfA (Pacek et al., 2001). Učitavanje DnaB -a na ssDNA ovisi o preciznom pozicioniranju DnaA kutija na oriV, kao što je pokazano prekidom punjenja helikaze umetanjem 6 bp između DnaA kutija i iterona na oriV, iako je otvaranje bilo normalno (Doran et al, 1998). Interakcije između E. coli DnaB i plazmid Rep proteini su takođe prijavljeni za plazmide R6K (Ratnakar et al., 1996.) i pSC101 (Datta et al., 1999), a pokazalo se da su oni ključni za formiranje početnog kompleksa helikaze na ovim plazmidnim izvorima. Mutantni oblik proteina DnaB koji ne stupa u interakciju s pSC101 RepA ne uspijeva aktivirati inicijaciju replikacije na ovom podrijetlu. Međutim, mutant zadržava svoju sposobnost da podržava inicijaciju replikacije pri oriC (Datta et al, 1999.). Pokazalo se da plazmid R6K π protein i pSC101 RepA imaju interakciju sa E. coli Inicijator DnaA (Lu et al., 1998 Sharma et al., 2001), koji sugerira složenu interakciju koja uključuje plazmidni protein Rep u stvaranju kompleksa za prethodno nanošenje, učitavanje helikaze i aktivaciju.

Regrutovanje i punjenje helikaze specifičnih za vrstu?

Intrigantno pitanje koje se odnosi na replikaciju DNK je da li je mehanizam za regrutaciju i punjenje helikaze opisan za E. coli oriC Također je odgovoran za početak replikacije kromosomskog i plazmidnog porijekla u drugim vrstama bakterija. E. coli se tradicionalno koristio kao model organizma, ali nije jasno da li ove studije zaista pružaju univerzalna pravila za sve prokariote. Ovo ograničenje se može prevladati proučavanjem promiskuitetnih plazmida, koji pružaju jedinstvene sisteme za istraživanje mehanizama replikacije zavisnih od vrste. Genetske i biokemijske studije sugeriraju da su ti replikoni razvili dvije glavne strategije za olakšavanje replikacije DNK u različitim genetskim pozadinama: (1) inicijacija neovisna o faktorima inicijacije replikacije DNK domaćina i (2) inicijacija ovisna o svestranoj komunikaciji između plazmida i domaćina- Faktori inicijacije replikacije DNK. Plazmidi širokog raspona domaćina koji pripadaju grupi inkompatibilnosti IncQ (na primjer RSF1010) koriste prvu strategiju kodiranjem tri proteina replikacije koji otklanjaju potrebu za određenim proteinima domaćinom. Proizvod repAUtvrđeno je da gen RSF1010 ima ssDNA-ovisnu ATPazu i aktivnost DNA helikaze (Scherzinger et al, 1997.), repC proizvod se veže za itrone i otvara izvornu regiju, stvarajući mjesto ulaska za RepA helikazu (Scherzinger et al., 1991), i repB proizvod kodira primazu.
Plazmidi širokog raspona domaćina koji pripadaju IncP grupi (npr. RK2) oslanjaju se na replikacijske proteine ​​iz ćelije domaćina, pa bi stoga mogli koristiti mehanizam učitavanja helikaze prilagođen genetskoj pozadini specifične bakterije domaćina. Nedavni rezultati pokazuju da je to tako (Caspi et al., 2001). In vitroeksperimenti sa pročišćenom helikazom iz E. coli, P. putida i P. aeruginosaotkrio da, za razliku od E. coli DnaB helikaza, oboje Pseudomonas helikaze se mogu isporučiti i aktivirati na RK2 oriV u nedostatku pomoćnog proteina sličnog DnaC-u ATPaze (slika 2D). Daljnju svestranost osiguravaju dva oblika iniciranog proteina RK2 (TrfA 44 i 33 kDa), koji se generiraju alternativnim početnim translacijskim početnim mjestima u okviru (Kornački et al., 1984 Shingler & Thomas, 1984). Zahtev za svaki od ovih oblika je specifičan za domaćina. Bilo koji oblik proteina TrfA vezuje se za iterone koji se nalaze na oriV (Perri et al., 1991.) i otvara porijeklo iz regije bogate AT-om (Caspi et al., 2001). Obje su također funkcionalne u E. colii P. putida, ali je aktivan samo protein od 44 kDa P. aeruginosa (Durland & amp Helinski, 1987 Fang & amp Helinski, 1991). U skladu s ovim zapažanjima su in vitro eksperimenti koji to pokazuju E. coli ili P. putida DnaB je aktivan sa TrfA-33 ili TrfA-44, dok je P. aeruginosa DnaB posebno zahtijeva TrfA-44 za stvaranje kompleksa helikaze i odmotavanje šablona (Caspi et al., 2001). Molekularna osnova ove razlike nedavno je rasvijetljena (Y. Jiang, M. Pacek, D.R. Helinski, I.K. i A. Toukdarian, neobjavljena zapažanja). Kromatografija sa isključenjem po veličini i testovi aktivnosti helikaze s promijenjenim oriVpredlošci su pokazali da ni DnaA niti sekvence kutije DnaA nisu potrebne za formiranje i aktivnost Pseudomonas kompleks helikaze na RK2 oriV. Nadalje, analiza biospecifične interakcije s BIAcore -om otkrila je toPseudomonas helikaze formiraju komplekse sa TrfA-44, ali ne i sa TrfA-33 vezan za oriV iterons. Brisanje navodno spiralne regije na amino završetku TrfA-44 potpuno je ukinuto Pseudomonas formiranje kompleksa helikaze na iteronima (Z. Zhong, D. Helinski i A. Toukdarian, neobjavljena zapažanja).
Ovi rezultati sugeriraju da, ovisno o bakterijskom domaćinu, RK2 koristi ili DnaA-ovisni ili DnaA-neovisni put za regrutiranje i aktivaciju helikaze (slika 2D). Put ovisan o DnaA specifičan je za inicijaciju replikacije RK2 u E. coli. Drugi put, zaposlen u P. putida i P. aeruginosa, uključuje regrutaciju helikaze kroz njenu interakciju sa TrfA-44 vezanim za iterone. Štaviše, za Pseudomonas sp. helikaze, protein domaćina DnaA nije neophodan za formiranje i aktivnost kompleksa helikaze oriV.

Struktura kompleksa utovarivača helikaza – helikaza otkriva uvide u mehanizam sastavljanja primosoma bakterija 1

Tokom sastavljanja primosoma zavisnog od bakterijskog punjača, proteini punjača helikaze se vežu za heksamerni prsten helikaze i isporučuju ga na oriC DNA, a zatim se odvaja od kompleksa. Ovdje, kako bismo bolje razumjeli ovaj ključni proces, izvještavamo o kristalnoj strukturi

570-kDa kompleks za pretpremaz između Bacillus subtilis loader protein i Bacillus stearothermophilus helikaza, kao i helikaza-vezujući domen primaze s molarnim omjerom 6: 6: 3 pri rezoluciji 7,5 Å. Ukupna arhitektura kompleksa pokazuje troslojnu prstenastu konformaciju. Štaviše, struktura kombinovana sa predloženim modelom sugeriše da prelazak sa 'otvorenog prstena' na 'otvorenu spiralu', a zatim u 'zatvoreno-spiralno' stanje prstena helikaze usled vezivanja jednolančane DNK može biti uzrok otpuštanja utovarivača.

Replikacija bakterijskog kromosoma započinje u oriC, gdje se inicijatorski protein DnaA veže za početak sastavljanja enzimske replimomske mašine 1. Rane faze ovog procesa uključuju sklapanje primosoma i formiranje funkcionalnog primosoma 2, 3. Nakon remodeliranja izvora replikacije izazvanog DnaA, skup primosoma ovisnog o bakterijskom učitavaču odvija se u diskretnim koracima i uključuje najmanje četiri različita proteina (DnaA, helikaza, punjač helikaze i primaza) koji djeluju koordinirano i uzastopno.
U Escherichia coli u sistemu, protein-učitavač helikaze, DnaC, kompleksiran s ATP-om, veže se za heksamernu helikazu DnaB i tvori kompleks DnaB6-DnaC6, što je potvrđeno studijama krio-elektronskog mikroskopa (krio-EM) 4, 5. Protein učitavač isporučuje helikazu na rastopljenu DNK pojedinačne niti DnaA-oriC nukleoproteinski kompleks na početku replikacije 2,6.

Bakterijski DnaC Helicase Loader je DnaB Ring Breader 4


DnaB-DnaC kompleks formira topološki otvoren, troslojni toroid. ► DnaC preoblikuje DnaB kako bi proizveo rascjep u helikaznom prstenu pogodan za prolaz DNK. ► DnaC-ov AAA+ preklop je neophodan za učitavanje i aktivaciju DnaB-a. ► DnaB posjeduje autoregulacijske elemente koji kontroliraju punjenje i odmotavanje helikaze


Ono što ovdje vidimo su visoko koordinirani zadaci usmjereni na ciljeve sa specifičnim pokretima osmišljenim da pruže određeni ishod. Čini se da je potrebna automatska regulacija i kontrola pored konstantnog snabdijevanja energijom preko ATP-a povećava poteškoće da cijeli mehanizam radi na pravi način. Sve ovo izaziva strahopoštovanje i dokazuje mudro vodstvo i inteligenciju potrebne da bi se sve ovo dogodilo na pravi način.


Slika 5.
DnaC preoblikuje ogrlicu domene N-terminala DnaB
(A) N-terminalni homodimeri DnaB u odsustvu nukleotida formiraju široki, zatvoreni trouglasti okovratnik (PDB 2R6A Bailey et al., 2007b). DnaB RecA domeni su prikazani kao površine, dok su N-terminalni domeni i spirale linkera prikazani kao svijetloplavi/narandžasti cilindri.
(B) N-terminalni domeni DnaB unutar DnaBC kompleksa podliježu značajnom pozicionom pomaku iz stanja zatvorenog prstena, formirajući nove aranžmane pakiranja između dimera. DnaB RecA domene tvore ispucalu spiralu (okvir sa umetkom) DnaC je izostavljen radi jasnoće. Shema rasporeda za dimer domene N-terminala prikazana je u gornjem lijevom kutu svake ploče.
Strelice u (A) pokazuju kretanje DnaB NTD u stanje prikazano na (B). Pogledajte slike S5, S6 i filmove S2 i S3.


Slika S6.
Usporedba konformacijskih stanja DnaB vezanih za jednolančanu DNK i unutar kompleksa DnaBC, povezano sa slikom 5
(A) Visina domena DnaB RecA ATPase značajno se razlikuje između DnaBC (gornje) i kada je vezan za DNK i nukleotid (donji) (PDB ID 4ESV (Itsathitphaisarn et al., 2012)). Svaka podjedinica prikazana je kao površinski prikaz i različito obojena. DNK nije prikazana radi jasnoće.
(B) Konformacijske razlike između DnaB heksamera vezanih ili za DnaC (gore) ili jednolančanu DNK i nukleotid (dolje, (Itsathitphaisarn et al., 2012)). Prikazani su pogledi odozgo prema dolje (lijevo) i bočni pogledi (desno). Svaka podjedinica prikazana je kao prikaz površine i različito obojena, pri čemu su N-terminalne domene (cilindri) prikazane kao svjetlije nijanse od njihovih pridruženih RecA domena (površina). Položaji heliksa linkera koji povezuje svaki N-terminalni i C-terminalni domen unutar podjedinice su također prikazani i označeni. Spiralna spojnica vidljiva je u svim kristalnim strukturama DnaB i služi za sidrenje RecA domene svake podjedinice u RecA domenu susjednog protomera (Bailey et al., 2007b Itsathitphaisarn et al., 2012 Lo et al., 2009 Wang et al. ., 2008) u EM modelu, njegov položaj se zaključuje na osnovu poznatih kristalografskih aranžmana. U kompleksu DnaB⋅ssDNA, N-terminalni ovratnik helikaze je napuknut na jednom sučelju podjedinice, ali pakovanje između homodimera na drugim mjestima koristi iste površine kao što je primijećeno u stanjima zatvorenog prstena (lijevo, vidi i sliku 5), i stoga se razlikuje od onog što se vidi u DnaBC -u. RecA domene u kompleksu DnaB⋅ssDNA također su se razdvojile u jednom trenutku, ali do podjele dolazi između različitog para podjedinica (obojen narančastom i crvenom bojom) nego u DnaBC (obojen žutom i narančastom). Ova razlika je zbog topoloških veza između N-terminalnih homodimera (koji se povinuju dijadičkoj simetriji) i njihovih odgovarajućih C-terminalnih domena (koje prate cikličku simetriju), te sposobnosti N-terminalnih domena da se pomjeraju između dva stanja – sede na sopstvenim RecA naborima (kao u DnaBC -u) ili na RecA domeni susedne podjedinice (DnaB⋅ssDNA). Zbog pozicijskog pomaka u kompleksu DnaB⋅ssDNA i relativno plitkog koraka stanja otvorenog prstena ove čestice, spirala povezivanja između svake N-terminalne i C-terminalne domene može se upariti s partnerskom podjedinicom, premošćujući jedan jaz u prsten koji će topološki zatvoriti sistem (narandžasti/crveni par podjedinica). Nasuprot tome, konfiguracija domene N-terminala koja se vidi u DnaBC-u, zajedno s velikim porastom podjedinica-podjedinica, evidentnim u kompleksu, stvara jaz koji je prevelik da bi ga mogla obuhvatiti spirala povezivanja jedne podjedinice (prikazano žutom bojom). Kao posljedica toga, helikazni prsten u kompleksu DnaBC je topološki probijen.


Slika 7.
Mehanizam djelovanja DnaC-a
(A) DnaC otvara i preoblikuje DnaB kako bi olakšao punjenje i odmotavanje DNK. DnaB sa zatvorenim prstenom ne može zahvatiti topološki zatvorenu DNK podlogu. DnaC se povezuje sa helikazom, remodelira N-terminalnu ogrlicu i pokreće otvaranje helikaze. U prisutnosti ATP-a, domene DnaC AAA+ dalje se okupljaju u spiralnu konformaciju koja stabilizira kompleks otvorenog prstena i pomaže u vezivanju DNA. Hidroliza ATP-a pomoću DnaC-a i/ili DnaG-a pomaže u oslobađanju utovarivača (Davey et al., 2002 Makowska-Grzyska i Kaguni, 2010), ostavljajući aktivnu helikazu zaokruženu oko DNK.
(B) Hipotetički model koji pokazuje kako se DnaC može slobodno povezati sa DnaA filamentom čak i kada je vezan za DnaB (kako je predloženo u Mott et al., 2008). Model je generiran poravnavanjem filamenta DnaA vezanog za ssDNK (PDB 3R8F Duderstadt et al., 2011.)—koji nosi izloženi argininski prst na 5′ kraju kompleksa—sa otapalom pristupačnim nukleotid-vezujućim licem terminala DnaC protomer u DnaBC na način u skladu sa tipičnim AAA+/AAA+ interakcijama. Superpozicija spaja pore sva tri proteina, pozicionirajući DNK vezanu centralnim kanalom DnaA da uđe u kompleks helikaze/punjača.

In vivo, ova isporuka povezana je s inicijatorskim proteinom DnaA 2, 7, za koji se smatra da njegova amino-terminalna domena (NTD) ima ulogu u utovaru kompleksa helikaze i helikaznog utovarivača na oriC interakcijom sa helikazom DnaB 8. Nakon što se protein učitavač odvoji od helikaznog prstena, NTD helikaze stupa u interakciju s karboksi-terminalnom domenom (CTD) primase i tvori funkcionalni primosom koji sintetizira prajmere RNA 9. Sastavljanje primosoma u Gram-pozitivnim bakterijama razlikuje se u detaljima, uključujući i to da se odgovarajuća helikaza naziva DnaC u nekim bakterijama kao što su Bacillus subtilis, a protein učitavač je DnaI. Sklapanje kompleksa proteina helikaze i učitavača na podrijetlo replikacije pomaže par ko-utovarivača proteina DnaB i DnaD u B. subtilis 10, 11, 12, 13 .


Mehanizam opterećenja helikaze u bakterijama 2

( a ) Inicijator DnaA se veže za oriC, što dovodi do topljenja DNK.
( b ) DnaB se sastaje sa DnaC -om, što dovodi do otvaranja DnaB prstena.
( c ) DnaA regrutuje DnaB-DnaC kompleks do porekla, gde se sklapa oko ssDNK.
( d ) Hidroliza ATP-a izazvana DNK pospješuje demontažu DnaC, ostavljajući tako DnaB da okružuje DNK. P i, neorganski fosfat.

Nakon vezanja ATP-a, stezni utovarivač prelazi iz ravninske konformacije u desnu spiralnu konformaciju.
( a ) Stezni utovarivač se veže za ATP i mijenja konformaciju.
( b ) ATP vezan oblik utovarivača stezaljke stupa u interakciju sa stegom i prisiljava je da otvori.
( c ) Kompleks stezaljki i utovarivača stezaljki veže se za predložak prajmera.
( d ) Nakon što se veže za DNK, učitač stezaljki podvrgava se hidrolizi ATP -a, što dovodi do disocijacije iz stezaljke i ostavljanja stezaljke koja okružuje DNK.

( a , b ) ORC se veže za DNK ( a ) i regrutuje Cdc6
( b ). ( ch ) Dva mehanizma za regrutiranje MCM2–7. Desno, ako je MCM2–7 – Cdt1 u zatvorenoj konformaciji, mora uspostaviti djelomični kontakt s ORC – Cdc6 da bi otvorio prsten MCM2–7
( c ) tako da DNK može ući u MCM2-7 prsten, omogućavajući tako MCM2-7 da se slaže koaksijalno sa ORC-Cdc6 kompleksom za formiranje OCCM
( d ). Lijevo, ako je MCM2–7 – Cdt1 normalno otvoren, mogao bi smjestiti DNK u svoj središnji kanal
( e ), a zatim klizite prema ORC -Cdc6 za stvaranje OCCM -a
( f ).
( g ) Hidroliza ATP potiče disocijaciju Cdt1 i pretvaranje OCCM u OCM.
( h ) Drugi kompleks MCM2–7 povezan je s OCM-om za stvaranje dvostrukog heksamera MCM2–7, čiji su detalji opisani na slici 4.

( ae ) Pet mogućih modela za stvaranje dvostrukog heksamera. Prvi model
( a ), u kojem su dva MCM2-7 kompleksa istovremeno učitana, ne uključuje OCM intermedijer. Ostala četiri modela
( be ) uključuju pretvaranje OCM -a u dvostruki heksamer. Kompleksi su prikazani kao na slici 3. Za detalje pogledajte glavni tekst.

1) http://www.nature.com/ncomms/2013/130919/ncomms3495/full/ncomms3495.html
2) http://www.nature.com/nsmb/journal/v21/n1/fig_tab/nsmb.2738_F1.html
3) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1315803/
4) http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867413002924
5) http://mol-biol4masters.masters.grkraj.org/html/Prokaryotic_DNA_Replication3-E_coli_DNA_Replication.htm

Posljednji put uredio Admin dana 23. studenog 2015. u 7:30 ujutro i ukupno 3 puta uređeno


Pogledajte video: Biologija 3. SŠ - Eukariotska stanica, 1. dio (Oktobar 2022).