題:
是什麼導致生命選擇了所有可能的蛋白質中如此微小的一部分?
LocalFluff
2015-04-20 19:11:49 UTC
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I wonder why life uses the particular proteins that it does, about 10^6 different proteins, I think? Evolution cannot explain it because the number of possible proteins is far far too large to ever come into existence anywhere in the visible universe, let alone on Earth. And evolutionary selection only works on stuff that exists.

Is there some chemical or other explanation, or is this an unresolved paradox in biology?

The median number of amino acids in a human protein is 375. Most are longer than 200 and maybe all are longer than 100. The 20 different kinds of amino acids can be combined to 20^375 = 10^487 different proteins which have the length 375.

If the entire crust of the Earth consisted of proteins which all were 375 long and each protein mutated once every nanosecond during 5 billion years and each mutation resulted in a protein which is unique in time and space, and there exists 100 such "protein Earths" around every star and 1000 billion stars in each of 1000 billion galaxies in the visible universe, it still only adds up to something like 10^100 proteins. Adding 10^37 years until the last star remnant has cooled down to less than 1 Kelvin, doesn't change this picture, almost all of the possible proteins will literally never exist anywhere. Even if I'm off by a factor a million on each of those numbers, only one in 10^300 of all possible median length proteins could ever exist.

Since our mind-bendingly small subset of possible proteins supports life, shouldn't we expect that many many (as in 10^300) other potential subsets of different proteins would do so too? And can we conclude that if DNA/protein based life has originated somewhere else, it will not have even one single protein in common with us or with any other independent origin of life? Or is this focus on proteins somehow invalid?

句子“ ...進化選擇僅適用於現有的東西。”以及“是什麼導致生命選擇了這種蛋白質……”看起來就像“生命突然開始使用任意一組蛋白質,就像在附近無限商店購買工具的傢伙一樣”,但事實並非如此-它與進化有關。
@Mithoron如果突變是隨機的,則中位蛋白可以突變為10 ^ 487個不同的新蛋白。不到十分之三的比例將在任何地方發生,而且仍然可以持續一生!也許10 ^ 200個其他的突變也能正常工作嗎?還是我們那麼幸運?進化與選擇不存在的蛋白質無關。給定這個可笑的小子集,進化才開始。我想知道是否有任何已知的機制可以解釋這種蛋白質品種的選擇。
這個問題有點像混洗一堆紙牌,問為什麼它們以這種特定順序結束。他們只是偶然。
@CactusWoman並不得不得出結論,就是您得到了10 100 100的一對一同花順,或者幾乎任何手牌都一樣。蛋白質如何突變並不重要,無論如何它們都會導致生命。
@LocalFluff蛋白不會突變。基因突變。選擇個人。物種進化。即使基因突變,他們也無法每納秒做到這一點。可能導致地球上每個基因每納秒突變的驚人數量的輻射-我知道嗎?這類似於您的實在實驗嗎?-會在不到一秒鐘的時間內消滅地球上的生命。沒有生命,沒有無休止的375個氨基酸長蛋白池。當我們說地球上有10 ^ 6個不同的蛋白質序列時-是您的斷言(?)-具有誤導性,它們沒有10 ^ 6的功能。
“也許還有10 ^ 200個其他的突變也能正常工作嗎?”是的,他們會的。路易斯(我強烈建議您如果對這個話題真的很感興趣的話,可以再做一次)在這方面提出了一個很好的觀點。大量研究表明,純隨機蛋白質具有很高的功能可能性,例如,事實證明,對於給定的環境(緩衝液條件),恆定百分比的隨機蛋白質會折疊成折疊結構並具有某些生化特性。反應性。
三 答案:
alec_djinn
2015-04-20 20:37:51 UTC
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答案是機會,甚至更好的是偶然性

關於您的計算,的確是理論上的序列幾乎是無限的,但基本的支架卻不是。可以將非常不同的序列折疊到相同的基本支架中,並具有相似的反應性/功能。因此,即使不是在這個星球上探索了所有序列,大多數支架和功能也得到了研究。確實可以在其他地方進化出基於蛋白質的生命,並且在其他地方進化出的整個序列空間與在這個星球上進化出的整體序列空間確實是不同的。但是,我希望能發現與我們在蛋白質上發現的幾乎相同的生化反應調色板。

我建議閱讀P.L.路易絲這裡。他在這個問題上確實提出了很好的觀點。

剛剛發表了一篇新論文,我認為這是該答案的一個很好的附錄。

序列+1-支架比較。洞察力強
從容易產生的東西(先發優勢)到錯誤抑制方面,DNA的大塊複製還會對蛋白質多樣性造成偏見嗎?
這不是一個合理的答案。進化與“支架”的最佳選擇無關,因為進化永遠都無法測試和選擇任何蛋白質,而這種蛋白質恰好由中等數量的蛋白質組成,其質量比實際理論最佳選擇差10 ^ 100倍左右。氨基酸。 “機會”不是答案。正是這些怪異的怪物數字徹底打敗了“機會”!
Evolution確實不知道哪種支架是最佳的,並且永遠不會嘗試所有的可能性,但這不是重點。我的觀點是,給定無限數量的序列,您最終不會獲得無限數量的函數或域。大多數無限序列將折疊在幾個主要的支架中,或多或少具有相同的形狀,最終具有非常相似的生物學功能。
讓我們考慮一個非常簡單的蛋白質作為例子,GFP。它唯一的功能就是發出熒光。已知該熒光蛋白的許多變體,都具有不同的序列。序列可能有很大差異,但是所有蛋白質最終都具有相同的主要結構和功能。現在,所有變體的吸收/發射光譜以及在不同條件下的穩定性都不同。這些因素將通過進化來選擇,但是視情況而定,例如紅色熒光蛋白是否比綠色熒光蛋白更有利。
是否所有的熒光蛋白變體都可以通過我們星球上的進化進行測試?不!宇宙中是否存在更好,更穩定和更有效的GFP?大概。因此,您所指的“最佳”始終是局部最優的,在時間和空間上都是局部的,即特定的蛋白質現在在該環境中以及對於該生物體都具有優勢,無論如何它永遠不是最佳的解決方案。那就是偶然性!它主要是由偶然決定的……這就是進化的意義。
Resonating
2015-04-20 22:33:13 UTC
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I'm not sure I understand the question. You've elegantly demonstrated that only a tiny fraction of all protein sequences could possibly exist, but then asked why only a tiny fraction of all protein sequences do exist. Your conclusions about independent origins of life having no proteins in common are accurate, but also consider that you as a human being have not even a single protein in common with the bacteria in your yogurt (I mean you do, but they have slightly different sequences).

As far as which protein subsets make life, there are demonstrably thousands of sets of proteins that support life. Each genetically distinct individual has a slightly different set of proteins, most of which support life.

As far as how many of these subsets exist, that's unknown. Maybe aliens use only ribozymes based on RNA molecules. Maybe they have a different set of amino acids, or a silicon backbone to their proteins, or what have you. Until we find alien life(or perfect abiogenesis in the lab) the total diversity of life-like things is unknowable.

我以為地球上的所有生命都有一些基因,甚至我和早餐時吃的細菌酸奶。但是也許這些都不是表達為蛋白質嗎?數千種蛋白質支持生命真的“可證明”嗎? “數千”與這裡涉及的數量級有什麼關係?這不是大約數千,而是大約萬億分之一的萬億分之一的萬億分之一的萬億分之一。至少。蛋白質的中位長度使您和我活著快樂。
同樣,在這種情況下,順序並不重要,而是“蛋白質結構域”。打個比方,想一想一輛汽車,它有四個輪子和一個引擎,並且有一個主要功能。現在,您可以想到數万億億億美元的不同汽車,每種汽車具有不同的顏色,不同的形狀,不同的大小,不同的設置……進行數學運算,您會發現數量龐大。但是,功能將始終大致相同。因此,在其他行星中,使用其他碎片組合,總是會出現相同類型的機器。蛋白質是分子機器。
您和酸奶有很多基因,但是序列並不相同。隱喻地說,你們都有方向盤,但方向盤是不同的。可能會略小一些,或者有皮革襯里或其他任何東西。做相同的事情,但不完全相同。
-1
@引起共鳴,如果我們談論“基於化學的生活”,那是的。無論您選擇哪種分子集,都有生命需要解決的常見問題,例如如何存儲信息,使能量流運行等...在分子場景中,這些問題是通過耦合化學反應(氧化,還原,鍵合)解決的形成等)。如果這些途徑是由蛋白質,核酸或其他分子催化的,則無關緊要,並且可能因生命形式而異。你不覺得嗎
J Thomas
2018-06-10 07:24:40 UTC
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您問為什么生物使用它們所使用的蛋白質,而沒有什麼不同。

主要是因為它們必須執行某些有效的工作,並且找到了可以正常工作的蛋白質。

每種蛋白質為其細胞發揮一種或多種功能。如果它是隨機變化的,則可能會變成某些功能不太理想的東西。因為它已經被世代相傳了數千年,所以它的某些替代品效果更差。

許多突變都沒有效果。但是,如果您有300種蛋白質,並且每種蛋白質都有變化,那麼您可能會生活得不太好。如果您的兒子的每種蛋白質都有其他變化,他可能會比您更糟。您的後代可以競爭並消亡並不需要很多代人。

因此,每次變更都是一場賭博。如果您不進行任何更改,那麼最終發生更改的內容會做得更好,並會導致您絕種。但是,如果您進行太多更改,您的後代將因此而變得更糟。理想情況下,您應該輸入正確的數字,以權衡不良變化和良好變化所帶來的損失的加權賠率。

對於許多生物而言,變化率下降了大約1%-99%

由於我們彎曲的一小部分可能的蛋白質支持生命,所以我們不應該期望有很多其他蛋白質(如10 ^ 300)嗎?潛在的不同蛋白質子集也會這樣做嗎?

確定。而且,我們傾向於從以前的工作中找到一些可以到達的東西。點突變往往發生在很小的步驟中。您將一種氨基酸更改為相似的氨基酸。遺傳密碼是格雷密碼,通常突變無效,或者疏水性氨基酸被其他疏水性氨基酸取代,氨基酸被其他大小相似的氨基酸取代,等等。

一些最好的酶可能是與它們沒有其他相似之處的東西,因此它們很難進化。時代,他們通常認為,進化程度更高的競爭者將簡單而輕鬆地勝過那些沒有那麼久才能發現更好方法的競爭者。不一定是這樣。運回志留紀時期的人類可能會吃得很好(一旦他們弄清了哪種海鮮是有毒的),就可能不會被任何東西吃掉(但如果他們睡覺,他們可能會被mo子包圍,並且無法從紫蘇中製成吊床,並且沒有任何一棵樹可以掛吊床)。他們可能仍然not壯成長。進化成適應不同生態系統的十億年也許根本沒有用。



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