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關(guān)于分子生物學(xué)里的拓?fù)洚悩?gòu)酶的疑問(wèn)(歡迎參與討論,總共送30金幣哦)
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眾所周知,有L=T+W,其中L定義為雙鏈DNA的linking number,T為double helix帶來(lái)的twist數(shù),W為supercoil帶來(lái)的writhing number。 分別有I類拓?fù)洚悩?gòu)酶和II類拓?fù)洚悩?gòu)酶,其區(qū)別在于I類酶只切斷雙鏈中的一條鏈,然后進(jìn)行拓?fù)洚悩?gòu),再重連;而II類酶則同時(shí)斷開雙鏈,進(jìn)行拓?fù)洚悩?gòu)后再重連;這I、II兩種酶分別使L值變化1和2。 現(xiàn)已知DNA gyrase是屬于II類酶,并已知該酶能使W值變化1,那么是不是暗示該酶同時(shí)有使T值變化1的解雙螺旋(double helix)活性? |
分子生化實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)積累 |
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之前的問(wèn)題焦點(diǎn)在于ATP供能下的DNA gyrase有沒(méi)有解雙螺旋活性,經(jīng)過(guò)思考我得出了否定的結(jié)論,下面進(jìn)行說(shuō)明: 圖:Observer -------------------->左Chromosome右 首先我還是用到公式L=T+W,有所不同的是定義T的絕對(duì)值等于順時(shí)針螺旋數(shù),W的絕對(duì)值等于逆時(shí)針螺旋數(shù),如上圖所示,我假設(shè)觀察者從染色體人為定義的左端向人為定義的右端進(jìn)行觀察,那么可以看到染色體是逆時(shí)針螺旋纏繞的,而DNA雙螺旋則是順時(shí)針螺旋,那么我以觀察者的角度人為設(shè)順時(shí)針螺旋數(shù)T為正數(shù),逆時(shí)針螺旋數(shù)W為負(fù)數(shù),那么由于染色體本身是處于一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)態(tài),則可以推出L=T+W=0,這個(gè)推理的邏輯在于如果T和W絕對(duì)值不等,即L≠0時(shí),染色體肯定是處于一個(gè)需要額外能量維系的非熱力學(xué)穩(wěn)態(tài),一旦維系該狀態(tài)的能量耗竭,染色體整體會(huì)以0.5L的絕對(duì)值為旋轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行與L正負(fù)號(hào)所示螺旋方向相反的旋轉(zhuǎn)以回歸熱力學(xué)穩(wěn)態(tài),以上說(shuō)明內(nèi)容是大前提。 接著,對(duì)于一個(gè)處于熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)的染色體,有L'=T'+W'=0,即-T'=W'。假設(shè)它要開始進(jìn)行DNA復(fù)制或轉(zhuǎn)錄,我將參與DNA復(fù)制的DNA polymerase和參與DNA轉(zhuǎn)錄的RNA polymerase都統(tǒng)稱為apparatus,并假設(shè)apparatus從觀察者近端的染色體左端向右端行進(jìn),那么隨著apparatus開始復(fù)制/轉(zhuǎn)錄,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)則開始解開,但解開方式的特殊之處在于該復(fù)制/轉(zhuǎn)錄的過(guò)程是會(huì)消耗能量的,而消耗的能量則使得apparatus前方的DNA雙鏈以遠(yuǎn)離觀察者進(jìn)一步進(jìn)行順時(shí)針螺旋的方式開始apparatus所處區(qū)域的局部解螺旋,如果單是這樣子進(jìn)行下去的最終結(jié)果將會(huì)是染色體整體在獲得了不少能量后其T值變成開始時(shí)的兩倍即T''=2T',而W''=W'=-T'不變,對(duì)于染色體整體有L''=T''+W''=T'>0,染色體整體處于非熱力學(xué)穩(wěn)態(tài),具體來(lái)說(shuō)此時(shí)的染色體整體暫時(shí)處于螺旋數(shù)為T'的絕對(duì)值的DNA雙鏈順時(shí)針螺旋狀態(tài),此時(shí)染色體整體自身不存在任何其它螺旋,是一條直的DNA雙螺旋鏈,顯然該狀態(tài)不能持久,當(dāng)能量耗竭,結(jié)局則會(huì)類似大前提里討論的那樣,形成0.5T'絕對(duì)值為旋轉(zhuǎn)次數(shù)的DNA雙鏈順時(shí)針螺旋,并且染色體整體形成0.5T'絕對(duì)值為旋轉(zhuǎn)次數(shù)的逆時(shí)針螺旋,建立起不同于初始狀態(tài)的全新的熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)。 但實(shí)際情況并非如此,在apparatus所處區(qū)域完成了復(fù)制/轉(zhuǎn)錄過(guò)程后,DNA gyrase則開始介入,同樣是ATP供能,DNA gyrase會(huì)在apparatus身后已完成復(fù)制/轉(zhuǎn)錄的區(qū)域以指向觀察者進(jìn)行逆時(shí)針螺旋的方式將解開螺旋的局部區(qū)域重新螺旋,這樣子與apparatus解螺旋同步進(jìn)行的最終結(jié)果就是染色體整體的T值變?yōu)殚_始時(shí)的兩倍即T''=2T',同時(shí)W值也變?yōu)殚_始時(shí)的兩倍即W''=2W',那么會(huì)有L''=T''+W''=2T'+2W'=2(T'+W')=2*0=0,即染色體整體最終達(dá)穩(wěn)態(tài),并且從觀察者角度看染色體的狀態(tài)仍是開始的螺旋數(shù)為T'絕對(duì)值的DNA雙鏈順時(shí)針螺旋,而染色體整體則為旋轉(zhuǎn)數(shù)為W'絕對(duì)值的逆時(shí)針螺旋,一切和初始狀態(tài)一樣,這里要提到的是DNA gyrase為II類拓?fù)洚悩?gòu)酶,ATP功能時(shí)每次反應(yīng)會(huì)引入兩個(gè)逆時(shí)針螺旋,即有可能有多余的一個(gè)逆時(shí)針螺旋存在,此時(shí)I類拓?fù)洚悩?gòu)酶則會(huì)發(fā)揮作用,將多余的一次螺旋給消去。 最后縱觀整個(gè)復(fù)制/轉(zhuǎn)錄過(guò)程,apparatus在染色體整體中引入順時(shí)針螺旋,而DNA gyrase引入逆時(shí)針螺旋,兩者都消耗能量,作用結(jié)果互相抵消,但進(jìn)一步分析可以看到,DNA gyrase在整個(gè)過(guò)程中只起到重新螺旋解旋DNA雙鏈的作用,即使最后可能多出的一次旋轉(zhuǎn)也被I類拓?fù)洚悩?gòu)酶取消,所以總的來(lái)說(shuō),DNA gyrase是不具有解雙螺旋活性的。 |
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