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Un scientifique montre comment les moteurs moléculaires nous font tourner – Actualite-sante

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Dans le livre populaire The Demon in the Machine, le physicien Paul Davies soutient que ce qui manque dans la définition de la vie, c'est la façon dont les processus biologiques créent "l'information", et un tel stockage de l'information est la substance de la vie, comme la capacité d'un oiseau à naviguer ou la capacité d'un être humain à résoudre des problèmes complexes. Le «démon» auquel Davies fait référence est le démon de Maxwell, tel que proposé par le physicien du XIXe siècle James Clerk Maxwell comme expérience de pensée. Le "démon" hypothétique de Maxwell contrôle une porte entre deux chambres à gaz et sait quand ouvrir la porte uniquement pour permettre aux molécules de gaz se déplaçant plus rapidement que la moyenne de la traverser. De cette façon, une chambre pourrait être chauffée et créer de "l'énergie" à mettre en œuvre. Un tel démon équivaudrait à une solution de contournement de la deuxième loi de la thermodynamique. Et cela, comme nous le savons, est impossible. Nous savons aussi, bien sûr, que les démons n'existent pas.

Cependant, les êtres vivants utilisent de nombreux dispositifs protéiques appelés enzymes qui imitent un tel démon chaque fois qu'un muscle se contracte ou lorsqu'une réaction chimique doit être poussée vers le haut et loin de équilibre thermodynamique comme les molécules de gaz choisies par le démon. Le fonctionnement de ces machines dynamiques est depuis longtemps déroutant. Au cours des 75 dernières années, les scientifiques ont éliminé ce problème sans identifier de détails précis sur la façon dont l'une de ces machines enzymatiques accomplit le tour de passe-passe qui soutient les êtres vivants, comme les humains qui vivent dans un état chimique loin de l'équilibre.

Pour la première fois, dans un article publié dans Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics par Charlie Carter, PhD, professeur au Département de biochimie et de biophysique à l'École de médecine de l'UNC, et soutenu par le National L'Institute of General Medical Sciences décrit les détails qui permettent à une telle machine de fonctionner comme le démon de Maxwell.

La machine en question est une enzyme appelée tryptophanyl-tRNA synthetase, ou TrpRS, qui peut utiliser l'énergie chimique stockée dans le carburant universel. molécule – adénosine triphosphate (ATP) – pour garantir que chaque fois que la séquence d'un gène spécifie le tryptophane, l'acide aminé tryptophane est inséré dans la séquence de l'amino lié cids qui composent la protéine traduite. En garantissant que l'acide aminé correct est sélectionné, TrpRS traduit donc le code génétique du tryptophane lorsque l'un des dizaines de milliers de gènes dans les cellules humaines est traduit en la protéine correspondante. La traduction du code en la séquence d'acides aminés spécifiée par le gène donne à la séquence de protéines nouvellement créée les informations lui indiquant comment replier et exercer un contrôle à l'échelle nanométrique sur certains aspects de la chimie cellulaire.

Les travaux antérieurs de Carter avec TrpRS ont conduit à une révision fondamentale de la façon dont le codage génétique a commencé. Dans ce dernier article, Carter étudie comment TrpRS imite le démon de Maxwell. Les détails qu'il décrit peuvent représenter une solution au problème plus général de la façon dont toute l'énergie dans les êtres vivants est transformée du carburant en un travail utile, comme la contraction des muscles, les réactions biosynthétiques qui construisent de nouvelles molécules requises par la cellule, ou les informations gérées par les réseaux de signalisation entraînée par l'hydrolyse d'un carburant apparenté – le triphosphate de guanosine (GTP) – qui maintient la chimie cellulaire sous contrôle réglementaire strict. les mouvements de certaines parties flexibles et changeantes de la protéine appelés "domaines" sont étroitement couplés à l'hydrolyse de l'ATP. Ces domaines sont dynamiques. La façon dont ils se plient et se déplacent est appelée «mouvement de domaine». Carter montre comment le mouvement de domaine en général et l'hydrolyse de l'ATP dépendent tous deux de l'achèvement de l'autre.

L'hydrolyse de l'ATP ne peut se produire que si le mouvement de domaine se produit, mais le mouvement de domaine lui-même ne peut se produire que si l'ATP est hydrolysé. Paradoxalement, les deux conditions, ou «portes», se produisent en coordination. Carter appelle cette dépendance à deux sens "un portail à couplage réciproque".

"Ce couplage serré est comme le" mécanisme d'échappement "dans une horloge mécanique à retardement (voir figure)", a déclaré Carter. "Les deux types de portes fonctionnent comme les deux plaques vertes, chacune permettant au train principal" couronne "de glisser un train à la fois, mais uniquement dans une direction, lorsque le pendule oscille. C'est ainsi qu'une horloge convertit l'énergie de déroulement le poids autour de l'arbre de la couronne dentée, entraînant le pendule dans un dispositif de chronométrage. "

Les scientifiques reconnaissent de plus en plus les mécanismes d'échappement comme fondamentaux pour tous les processus cellulaires entraînés par l'hydrolyse de molécules de carburant comme l'ATP et le GTP. Le travail de Carter montre pour la première fois exactement comment les mouvements de domaine sont efficacement coordonnés avec la consommation de carburant. Notamment, la superfamille GTPase comprend également une forte proportion d'oncogènes connus dont les mutations font que leurs mécanismes d'échappement fonctionnent mal pour provoquer le cancer.

"Il est probable que la plupart ou la totalité des moteurs et dispositifs de signalisation de la vie qui utilisent ATP ou GTP présenteront mécanismes de déclenchement comparables ", a déclaré Carter. «Les scientifiques savent depuis 75 ans que de tels mécanismes doivent exister. Il est passionnant de découvrir un exemple aussi complet de la façon dont les mécanismes de déclenchement fonctionnent ensemble pour garantir que nous gaspillons si peu du carburant que nous consommons.»

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