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上海源葉生物科技有限公司
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生物鐘是怎樣設(shè)定的
2015-6-27 閱讀(393)
*，為了適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)引起的晝夜改變（尤其是光強和溫度），地球生物會通過生物鐘調(diào)控自己的活動。生物鐘周期與地球自轉(zhuǎn)周期相符，大約是24小時。那么，這個周期到底是怎樣決定并執(zhí)行下來的呢？
日本分子科學(xué)研究所 (IMS)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，地球的自轉(zhuǎn)周期（24小時）銘刻在生物鐘蛋白KaiC的原子結(jié)構(gòu)上。這種蛋白在藍藻中表達，是直徑10 nm的小分子。這項研究于六月二十五日發(fā)表在Science雜志上，不僅有助于深入理解生物鐘的基礎(chǔ)機制，還可以幫助人們治療與異常晝夜節(jié)律有關(guān)的疾病。
生物鐘一直是生物學(xué)研究的熱點領(lǐng)域，人們已經(jīng)在許多生物（從細菌到哺乳動物）中闡明了生物鐘與多種疾病的關(guān)系，但一直不清楚24小時晝夜節(jié)律是如何建立起來的。
研究人員用藍藻解決了這個問題。藍藻的生物鐘主要包括三個蛋白（KaiA、KaiB和KaiC）和ATP。2007年的一項研究表明，KaiC的ATPase活性（介導(dǎo)ATP水解）與生物鐘周期密切相關(guān)。這說明，可能是KaiC的功能性結(jié)構(gòu)決定了晝夜節(jié)律。
已知在KaiA和KaiB存在的情況下，KaiC的ATPase活性表現(xiàn)出節(jié)律性的振蕩。而這項研究顯示，即使不存在KaiA和KaiB，KaiC的ATPase活性依然在振蕩，而且這個振蕩頻率大致為24小時。由此可見，KaiC就是24小時穩(wěn)定周期的來源。（延伸閱讀：Science子刊：成功移植生物鐘）
研究人員用高分辨率的晶體學(xué)技術(shù)分析了KaiC的N端結(jié)構(gòu)域，通過原子結(jié)構(gòu)揭示了KaiC比其他ATPase慢的原因?！癒aiC有一個空間障礙阻止水分子進入理想的ATP水解位點，該障礙錨定在一個多肽異構(gòu)化（polypeptide isomerization）的結(jié)構(gòu)上，"Dr. Jun Abe解釋道?！斑@樣ATP水解就涉及了水分子進入和可逆的多肽異構(gòu)化，比一般ATP水解需要更大量的自由能。正因如此，KaiC的ATPase活性要慢得多。"
這種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)介導(dǎo)的反饋機制使KaiC的ATPase活性始終保持低水平，其時間常數(shù)就是地球的自轉(zhuǎn)周期（24小時）。這項研究在原子水平上證明，蛋白小分子可以通過結(jié)構(gòu)調(diào)控產(chǎn)生24小時節(jié)律?！叭祟惡推渌麖?fù)雜生物可能也具有類似的分子機制。在擁擠而嘈雜的細胞內(nèi)環(huán)境中，這是一個很巧妙的計時機制，"Shuji Akiyama教授說。
