生命系统的时间尺度.ppt

生命系统的时间尺度,你热爱生命吗？那么别浪费时间，因为时间是构成生命的要素。-本杰明富兰克林,Copyright 刘士勇 2012,内容提要,了解大肠杆菌的细胞周期 了解生物过程中发生的速率 了解生物系统如何操控时间 了解不同生物现象的时间尺度 程序时间、相对时间、操控时间 细胞和生物是如何使得诸如复制和新陈代谢这样的关键过程得到加速或减速,各种生物世界尺度,3.1.1 生物过程概述,各种关键的生物过程实际上花费的绝对时间到底是多少秒？,上面的时间尺度是如何得到呢？,绿色荧光蛋白 Green fluorescent protein,2008年，日本科学家下村脩、美国科学家马丁查尔菲和钱永健因为发现和改造绿色荧光蛋白而获得了当年的诺贝尔化学奖,3.1.2 进化的时间尺度,如何测量进化的时间？,比较现存的物种以及观察化石记录。,达尔文进化树两个版本,通过染色体连配推断进化关系,进化树 16S核糖体RNA序列之间的相似性。,3.1.3 细胞周期与标准时钟,理想化的细节细胞周期示意图,估算：大肠杆菌内的时间过程,37下，细菌在基本培养基（葡萄糖是唯一碳源）里，每4050分子内增殖1倍，我们将用3000s作为细胞周期的标准时长。 从前面的估算可以知道，构造新的细胞需要的材料约为1010个碳原子，因此必须在3000s内捕获1010个碳原子，每个葡萄糖分子提供6个碳原子，于是可以得到葡萄糖的摄取速率大约为5x105个葡萄糖分子。,假定大肠杆菌的完整基因组的长度约为5x106 bp (实际上是4.6 million base pair) 其复制所需要的速率估算为,类似地，蛋白质合成的速率估算为,脂质合成速率估算为,类似地，水的吸收速率估算为,也可以从通过细胞膜的平均物质流来定义：,3.1.4 从三个角度看生物学时间,程序时间 完成某过程（比如DNA复制）花费特定时间。 相对时间 如果多个过程中的一个过程必须在另一个过程完成之后才能开始，则我们把相关的时间归为相对时间。 操控时间 酶催化，“假死”将时间冻结,生物学时间,3.2 程序时间 3.2.1执行中心法则的机器和时间过程,中心法则过程,同时进行转录和翻译的电子显微镜图像,估算：执行中心法则的机器的时间进程,大肠杆菌的完整基因组的长度约为5x106 bp，其复制是在3000s的细胞周期内完成，由此我们已经得到DNA合成的速率大约为2000bp/s，对于每个DNA复制复合体（复制体）来说是1000bp/s，因为有两个复制体沿着DNA分子行走。 生化研究发现DNA聚合酶复合体的速率在2501000bp/s的范围内，而我们知道大肠杆菌的分裂时间可以远小于3000s，甚至可以为1000s， 它们是如何做到呢？,估算：执行中心法则的机器的时间进程,细菌的转录涉及典型长度为1000个碱基的mRNA分子合成(为什么？)研究表明转录的特征速度为每秒几十个核苷酸，如果按照40个/s来计算，典型的转录时间约为25s。 另一个重要过程就是合成蛋白质 大肠杆菌，蛋白质分子数为3x106，意味着9x108个氨基酸（为什么？)。他们在一个细胞周期内产生，那么氨基酸的拼接速率为：,核糖体大约为20000个，那么每个核糖体每秒合成15个氨基酸，实际测量数值为25个氨基酸，合成蛋白质的典型时间为20s,3.2.2 生物钟和振荡器,南非爪蟾，当巨大的卵(1mm)受精后，大约20min完成一次细胞分裂，直到受精卵分裂成4000个大小相似的细胞为止。,细胞周期蛋白的浓度随着时间缓慢升高，直到可以激活依赖这种蛋白激酶的阈值。,J.R. Pomerening et al. Cell 122:565,2005,一个震荡周期中的实际数据,构造细胞周期震荡器的逻辑图,酵母细胞周期模型,作息时钟使细胞和生物的每日的行为保持准时 动物根据日落改变眼睛的感光度 也许你认为这类改变是由阳光强度触发，可是，人们已经证明：即使把它们置于黑暗环境，这些生物仍然保持其作息周期。（蓝藻）,掷网蛛,8只眼睛，2只很大,腿部小网,白天和黑夜改变1000倍,细胞膜在黎明降解，在黄昏合成,昼夜节律时钟的一般特征的原理图,蓝藻,细长聚球藻 KaiA, KaiB和KaiC,3.2 相对时间,真核细胞周期,3.2 度量相对时间,存在相互作用的基因形成网络,新月柄杆菌在细胞周期中的基因表达,基因芯片数据显示各个不同系列的相关基因如何以精确的顺序表达。 白色表示基因表达最高水平，黑色表示最低水平。,细菌鞭毛的分子构造,3.3.3 病毒的生命周期,细胞并不是关心相对时间顺序的唯一生物实体。一旦病毒感染了宿主细胞，它们就像定时炸弹，不断地缩短其早期、中期和晚期的基因引信。一旦这些基因的表达而其产物组装完毕，。,噬菌体生命周期中的时间过程,HIV病毒生命周期中的各个阶段,3.3.4 发育过程,果蝇胚胎早期发育,单个细胞经历了一系列共8次快速分裂，共产生256个细胞核。,果蝇胚胎的早期图样的形成,估算：发育的时序,假定细胞分裂在代与代是完全同步的，可以就正在发育着的生物体的细胞数目作出简单的估算：,N是传代的数目。,3.4 操控时间 3.4.1 化学动力学和酶翻转速率,有时候，细胞不满足于生物过程内在的物理速率所提供的时间尺度，需要找到办法克服这些速度限制。 比如：在某些情形下，相对于典型的细胞时间尺度，无催化的生化反应的速率慢得就像停止了一样，于是细胞通过酶操控来改变反应的固有速率。,类似地，扩散作为多细胞生物的输运手段对于长距离来说就是低效的。因此，细胞利用分子马达和细胞骨架纤丝进行主动运输，从而克服扩散的速度限制。,酶和生化反应速率,3.4.2 突破扩散速度限制,估算：热运动的能量,许多生物有关的重要的分子马达都是在纳米数量级的距离上加皮牛顿大小的力。热运动力与由特定机制产生的确定性力的地位几乎相当。,扩散时间依赖于距离,蛋白质结合到DNA上的运动。可以描述为一维扩散。关键方程：,估算：细胞内蛋白质移动所需要的时间 对于直径为5nm的蛋白质分子，在水中的扩散系数大约为100m2/s，这个值可以由Stokes-Einstein方程得到：,蛋白质分子扩散一段长度等于大肠杆菌的直径所需要的时间尺度为：,对于乌贼的长达10cm量级的神经元巨型轴突，扩散时间达到：,作为对比，我们可以估算驱动蛋白在微管上移动同样距离所需要的时间。因为驱动蛋白在活细胞中的典型速度是1m/s，所以驱动蛋白质分子运送长达10cm的距离所需要的时间为105s，大约为1天的时间。,肌球蛋白质在肌动蛋白丝上的运动,单分子技术对肌球蛋白V马达的测量,跨膜主动运输,估算：离子通道中离子输