通过催化剂浓度自主调节实现生物钟的通用温度补偿

从细菌到多细胞生物等各种生命形式中普遍存在的昼夜节律钟，通常表现出固有的温度补偿特性：尽管反应系数预期遵循 Arrhenius 形式，但昼夜节律振荡器的周期在一系列生理温度范围内保持恒定。观察表明，振荡幅度依赖于温度，但周期却不依赖——这表明虽然并非每个反应步骤都与温度无关，但包含多个反应的整个系统仍表现出补偿效应。我们提出了一种通用的温度补偿机制。考虑一个具有多个反应活化能垒的系统，其中一种共同酶参与多个具有较高活化能的反应步骤。若温度不高，这些反应步骤将限制循环速率。如果酶的总丰度受限，随着更多底物结合到共同酶上，可用于催化特定反应的游离酶数量就会减少。我们证明，这种游离酶丰度的变化补偿了反应系数的 Arrhenius 型温度依赖性。以包含多个磷酸化位点的蓝细菌蛋白 KaiABC 构成的昼夜节律钟为例，我们证明了该温度补偿机制确实有效。具体而言，如果磷酸化的活化能大于去磷酸化的活化能，磷酸化反应之间对 KaiA 的竞争会导致温度补偿。此外，通过一个更简单的模型，我们展示了所提出补偿机制的普适性，表明其不仅适用于昼夜节律钟，也适用于其他（生物）化学振荡器。