6
Giới hạn nồng độ thấp của siêu chu trình liên kết dịch mã
HYC-1979Lesson 6: Concentration, Hypercycles, Fixed
00:00

Trong một siêu chu trình liên kết dịch mã, mỗi khuôn mẫu RNA không chỉ được sao chép mà còn được dịch mã thành một polypeptide liên kết trở lại RNA thông qua sự hình thành phức hợp thuận nghịch. Bước liên kết đó, được đặc trưng bởi hằng số phân ly , chính là yếu tố gắn kết chu trình sao chép với bộ máy dịch mã. Câu hỏi được đặt ra ở đây là điều gì xảy ra với hệ liên kết này khi tổng nồng độ RNA và polypeptide rất nhỏ so với .

Giới hạn cơ sởphức hợp thưa thớtChuyển tiếp chưa bão hòakhởi đầu bão hòaSai lệch bão hòaphức hợp bão hòa1.00.750.50.250012345Tổng nồng độ Ctot / Kd (không thứ nguyên)Độ mạnh liên kết hiệu dụng (đã chuẩn hóa)Đường tham chiếu siêu chu trình cơ sởSiêu chu trình liên kết dịch mãsai lệchkeff = kcat / Kdkhi Ctot / Kd → 0

Vì sao tổng nồng độ thấp làm đơn giản hóa động học

Khi tổng nồng độ RNA và polypeptide nhỏ hơn nhiều so với , liên kết yếu và chưa bão hòa: gần như tất cả các phân tử vẫn ở dạng tự do, và phức hợp liên kết chỉ chiếm một phần nhỏ. Cân bằng liên kết thuận nghịch sau đó rút gọn thành một tỷ lệ đơn giản, và ba hệ quả tiếp theo cùng nhau biến hệ liên kết thành một siêu chu trình cơ sở.

  • Các dạng tự do chiếm ưu thế. [phức hợp] nhỏ hơn nhiều so với [RNA] và [polypeptide], nên động học được dẫn dắt bởi các dạng tự do thay vì vật chất đã liên kết.
  • Nồng độ phức hợp song tuyến. [phức hợp] ≈ [RNA][polypeptide]/Kd, tức là tỷ lệ với tích của hai nồng độ tự do thay vì chỉ tỷ lệ với một trong hai.
  • Dòng xúc tác bậc hai. Vì phức hợp là chất xúc tác, dòng được trung gian kcat[RNA][polypeptide]/Kd ≈ (kcat/Kd)[RNA][polypeptide] là một số hạng tác dụng khối bậc hai — đúng dạng liên kết mà một siêu chu trình cơ sở sử dụng.

Hằng số tốc độ hiệu dụng và cấu trúc tô-pô được bảo toàn

Hằng số kết hợp và hằng số xúc tác chỉ xuất hiện thông qua tổ hợp của chúng, nên chúng có thể được gộp vào một hằng số tốc độ hiệu dụng duy nhất keff = kcat/Kd. Kết quả là một siêu chu trình cơ sở với các hệ số được tái chuẩn hóa. Điều quan trọng là cấu trúc tô-pô liên kết vòng được bảo toàn: mỗi thành viên vẫn xúc tác cho sự sao chép của thành viên kế tiếp quanh vòng, và dịch mã không tạo ra liên kết động học độc lập nào ở giới hạn này — nó chỉ tái định tỷ lệ các tốc độ. Đây là lý do các phân tích về điểm bất động, ổn định, chu trình giới hạn và ngưỡng sai sót được phát triển cho các siêu chu trình cơ sở có thể áp dụng trực tiếp cho các siêu chu trình liên kết dịch mã bất cứ khi nào điều kiện pha loãng được thỏa mãn, và chính điều này khiến phép rút gọn trở nên hữu ích cho lập luận về chọn lọc và ngưỡng sai sót.

Nơi phép rút gọn không còn đúng

Phép rút gọn mang tính tiệm cận, không phải là đồng nhất thức. Nó chỉ còn đúng khi sự hình thành phức hợp chưa bão hòa. Khi tổng nồng độ tăng tiến tới , các vị trí liên kết bị chiếm chỗ, phần đã liên kết tăng dưới mức tuyến tính, và dòng không còn tỷ lệ với tích của các dạng tự do nữa. Độ mạnh liên kết khi đó giảm xuống dưới giá trị kỳ vọng cơ sở, như đồ thị cho thấy, và hệ chuyển dịch về phía động học giới hạn bởi bão hòa — trong trường hợp cực đoan, đó là hành vi của một chu trình xúc tác đơn giản thay vì một siêu chu trình cơ sở. Vượt qua điểm đó, chỉ có mô hình hình thành phức hợp thuận nghịch đầy đủ mới còn chính xác.

Điều kiện hiệu lực
Chỉ áp dụng phép rút gọn về siêu chu trình cơ sở khi [RNA] và [polypeptide] vẫn còn thấp hơn nhiều so với . Tỷ số không thứ nguyên Ctot/Kd chính là nút điều chỉnh: gần bằng không thì hai mô tả trùng nhau, và khi nó tăng lên, đường cong liên kết dịch mã tách khỏi đường tham chiếu cơ sở vì các phức hợp bị bão hòa.