Кинетическая корректура

редактировать

Кинетическая корректура (или кинетическое усиление ) - это механизм исправления ошибок в биохимические реакции, независимо предложенные Джоном Хопфилдом (1974) и Жаком Нинио (1975). Кинетическая корректура позволяет ферментам различать два возможных пути реакции, приводящих к правильным или неправильным продуктам, с точностью, превышающей ту, которую можно было бы предсказать на основе разницы в энергии активации между этими двумя путями.

Повышенная специфичность достигается введением необратимой стадии выхода из пути, при этом промежуточные продукты реакции приводят к некорректным продуктам, которые с большей вероятностью преждевременно выходят из пути, чем промежуточные продукты реакции, ведущие к правильному продукту. Если стадия выхода является быстрой по сравнению со следующей стадией пути, специфичность может быть увеличена в раз, вплоть до соотношения между двумя константами скорости выхода. (Если следующий шаг будет быстрым относительно шага выхода, специфичность не будет увеличена, потому что не будет достаточно времени для выхода.) Это можно повторить более одного раза для дальнейшего повышения специфичности.

Содержание

1 Парадокс специфичности
2 Многоступенчатый храповик
3 Экспериментальные примеры
4 Теоретические соображения
- 4.1 Универсальное время первого прохода
- 4.2 Топология
5 Ссылки
6 Дополнительная литература

Парадокс специфичности

В синтезе белка частота ошибок составляет порядка 1 из 10 000. Это означает, что когда рибосома соответствует антикодонам тРНК с кодонами мРНК, она соответствует комплементарным последовательности почти всегда правильно. Хопфилд отметил, что из-за того, насколько похожи субстраты (разница между неправильным кодоном и правильным кодоном может быть такой же маленькой, как разница в одном основании), такая малая частота ошибок недостижима с помощью одношагового механизма. Как неправильная, так и правильная тРНК могут связываться с рибосомой, и если рибосома может различать их только путем комплементарного соответствия антикодона, она должна полагаться на небольшую разность свободной энергии между связыванием трех совпадающих комплементарных оснований или только два.

Одноразовая машина, которая проверяет, совпадают ли кодоны или нет, проверяя, связаны ли кодон и антикодон, не сможет определить разницу между неправильным и правильным кодоном с частотой ошибок менее $e - 10 {\ displaystyle e ^ {- 10}}$ $e ^ {{- 10}}$ , если разница в свободной энергии не составляет по крайней мере 10 kT, что намного больше, чем разность свободной энергии для связывания одного кодона. Это термодинамическое ограничение, поэтому от него невозможно обойти, построив другую машину. Однако это можно преодолеть с помощью кинетической корректуры, которая вводит необратимый шаг за счет ввода энергии.

Другим механизмом молекулярного распознавания, который не требует затрат свободной энергии, является механизм конформационной корректуры. Неправильный продукт также может образовываться, но гидролизоваться с большей скоростью, чем правильный продукт, что дает возможность теоретически бесконечной специфичности, чем дольше вы даете этой реакции протекать, но также за счет больших количеств правильного продукта. (Таким образом, существует компромисс между производством продукта и его эффективностью.) Гидролитическая активность может быть на одном и том же ферменте, как в ДНК-полимеразах с функциями редактирования, или на разных ферментах.

Многоступенчатый храповик

Хопфилд предложил простой способ достижения меньшего количества ошибок с помощью молекулярного храповика, который выполняет множество необратимых шагов, каждое из которых проверяет соответствие последовательностей. На каждом этапе расходуется энергия и повышается специфичность (отношение правильного субстрата к неправильному субстрату на данном этапе пути).

Потребность в энергии на каждом шаге храповика обусловлена необходимостью сделать шаги необратимыми; для повышения специфичности вход субстрата и аналога должен происходить в основном через путь входа, а выход в основном через путь выхода. Если бы вступление было равновесным, более ранние этапы сформировали бы предварительное равновесие, и преимущества специфичности вступления в путь (менее вероятно для аналога субстрата) были бы потеряны; если бы стадия выхода была равновесной, то аналог субстрата мог бы повторно войти в путь через стадию выхода, полностью минуя специфичность предыдущих стадий.

Хотя один тест сможет различать только несовпадающие и согласованные последовательности, дробь $p = e - Δ F / k T {\ displaystyle p = e ^ {- \ Delta F / kT}}$ $p = e ^ {{- \ Delta F / kT}}$ , два теста не пройдут только $p 2 {\ displaystyle p ^ {2}}$ $p ^ {2}$ случаев, и N тестов не пройдут $p N {\ displaystyle p ^ {N}}$ $p^{N}$ того времени. С точки зрения свободной энергии, способность различать N последовательных тестов для двух состояний со свободной энергией $Δ F {\ displaystyle \ Delta F}$ $\ Delta F$ такая же, как и один тест между двумя состояниями со свободной энергией. энергия $N Δ F {\ displaystyle N \ Delta F}$ $N \ Delta F$ .

Для достижения коэффициента ошибок $e - 10 {\ displaystyle e ^ {- 10}}$ $e ^ {{- 10}}$ требуется несколько шагов сравнения. Хопфилд предсказал на основе этой теории, что в рибосоме есть многоступенчатый храповик, который проверяет совпадение несколько раз перед включением следующей аминокислоты в белок.

Экспериментальные примеры

Сравнение классического механизма молекулярного взаимодействия (A) и кинетической корректуры с одним этапом (B). Из-за дополнительной реакции, обозначенной оранжевым цветом на (B), скорость образования красных шариков намного больше зависит от значения

k - 1 {\ displaystyle k _ {- 1}}

k _ {{- 1}}

, которое является целью кинетической корректуры.

Заряд тРНК соответствующими аминокислотами - фермент, который заряжает тРНК, называется аминоацил тРНК синтетазой. Этот фермент использует высокоэнергетическое промежуточное состояние для повышения точности связывания правой пары тРНК и аминокислоты. В этом случае энергия используется для создания высокоэнергетического промежуточного звена (что делает путь входа необратимым), а путь выхода необратим из-за большой разницы энергий при диссоциации.
Гомологическая рекомбинация - Гомологичная рекомбинация облегчает обмен между гомологичными или почти гомологичными цепями ДНК. Во время этого процесса белок RecA полимеризуется вдоль ДНК, и эта ДНК-белковая нить ищет гомологичную последовательность ДНК. Оба процесса полимеризации RecA и поиска гомологии используют механизм кинетической корректуры.
Распознавание и восстановление повреждений ДНК - определенный механизм восстановления ДНК использует кинетическое корректирование для распознавания поврежденной ДНК. Некоторые ДНК-полимеразы также могут определять, когда они добавили неправильное основание, и могут немедленно его гидролизовать; в этом случае необратимым (требующим энергии) этапом является добавление основания.
Дискриминация антигена рецепторами Т-клеток - Т-клетки реагируют на чужеродные антигены в низких концентрациях, игнорируя любые аутоантигены, присутствующие в большей части более высокая концентрация. Эта способность известна как распознавание антигена. Рецепторы Т-клеток используют кинетическое считывание, чтобы различать антигены с высокой и низкой аффинностью, представленные в молекуле MHC. Промежуточные этапы кинетической корректуры реализуются посредством нескольких раундов фосфорилирования рецептора и его адаптерных белков.

Теоретические соображения

Универсальное время первого прохождения

Биохимические процессы, которые используют кинетическую корректуру для улучшения специфичность реализует вызывающий задержку многоступенчатый храповик с помощью множества различных биохимических сетей. Тем не менее, многие такие сети приводят к тому, что время до завершения молекулярной сборки и этапов корректуры (также известное как время первого прохождения ) приближается к почти универсальной экспоненциальной форме для высоких скоростей корректуры и большой сети. размеры. Поскольку экспоненциальное время завершения характерно для двухуровневого марковского процесса, это наблюдение делает кинетическую корректуру одним из немногих примеров биохимических процессов, структурная сложность которых приводит к гораздо более простой крупномасштабной феноменологической динамике.

Топология

Повышение специфичности или общего коэффициента усиления сети кинетической корректуры, которая может включать в себя несколько путей и особенно петель, тесно связано с топологией сети: специфичность растет экспоненциально с количеством петель в сети. Примером является гомологичная рекомбинация, в которой количество петель масштабируется как квадрат длины ДНК. Универсальное время завершения возникает именно в этом режиме большого количества петель и высокой амплификации.

Ссылки

Дополнительная литература