Кинетическая корректура
Кинетическая корректура (или кинетическая амплификация ) — это механизм исправления ошибок в биохимических реакциях , независимо предложенный Джоном Хопфилдом (1974) и Жаком Нинио (1975). Кинетическая корректура позволяет ферментам различать два возможных пути реакции, приводящие к правильным или неправильным продуктам, с точностью выше, чем можно было бы предсказать на основе разницы в энергии активации между этими двумя путями. [1] [2]
Повышенная специфичность достигается за счет введения необратимого этапа выхода из пути, при этом промежуточные продукты реакции, ведущие к неправильным продуктам, с большей вероятностью преждевременно покинут путь, чем промежуточные продукты реакции, ведущие к правильному продукту. Если этап выхода быстрый по сравнению со следующим этапом пути, специфичность может быть увеличена в раз, вплоть до соотношения между двумя константами скорости выхода. (Если следующий шаг выполняется быстрее по сравнению с этапом выхода, специфичность не будет увеличена, поскольку для выхода не будет достаточно времени.) Это можно повторить несколько раз, чтобы еще больше повысить специфичность.
В качестве аналогии: если у нас есть конвейер по сборке лекарств, иногда производит пустые коробки, и мы не можем модернизировать сборочную линию, то мы можем увеличить соотношение полных коробок по сравнению с пустыми коробками (специфичность), разместив в конце гигантский вентилятор. Пустые коробки с большей вероятностью будут сброшены с линии (более высокая скорость выхода), чем полные коробки, хотя производительность обоих видов снижается. Удлиняя последний раздел и добавляя больше гигантских вентиляторов (многоэтапная корректура), специфичность можно произвольно повысить за счет снижения производительности.
Парадокс специфичности
[ редактировать ]При синтезе белка частота ошибок порядка . что когда рибосома сопоставляет антикодоны тРНК Это означает , с кодонами мРНК . , она почти всегда правильно сопоставляет комплементарные последовательности Хопфилд отметил, что из-за того, насколько схожи субстраты (разница между неправильным кодоном и правильным кодоном может быть столь же маленькой, как разница в одном основании), столь малая частота ошибок недостижима с помощью одноэтапного механизма. Как неправильная, так и правильная тРНК могут связываться с рибосомой, и если рибосома может различать их только путем комплементарного сопоставления антикодона, она должна полагаться на небольшую разницу в свободной энергии между связыванием трех совпадающих комплементарных оснований или только двух.
Однократная 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 если только разница свободной энергии не составляет по крайней мере 9,2 кТ , что намного больше, чем разница свободной энергии для связывания одного кодона. Это термодинамическая граница, поэтому ее нельзя обойти, построив другую машину. Однако это можно преодолеть с помощью кинетической корректуры, которая вносит необратимый шаг за счет ввода энергии. [3]
Другой механизм молекулярного распознавания, не требующий затрат свободной энергии, — это конформационная корректура . Неправильный продукт также может образовываться, но гидролизоваться с большей скоростью, чем правильный продукт, что дает возможность теоретически бесконечной специфичности, чем дольше вы позволяете этой реакции протекать, но также за счет больших количеств правильного продукта. (Таким образом, существует компромисс между производством продукта и его эффективностью.) Гидролитическая активность может проявляться в отношении одного и того же фермента, как в ДНК-полимеразах с функциями редактирования, или в отношении разных ферментов.
Многоступенчатая трещотка
[ редактировать ]Хопфилд предложил простой способ добиться меньшего количества ошибок с помощью молекулярного храпового механизма, который требует множества необратимых шагов, каждый из которых проверяет, совпадают ли последовательности. На каждом этапе расходуется энергия, а специфичность (соотношение правильного субстрата к неправильному на данном этапе пути) увеличивается.
Потребность в энергии на каждом этапе храпового механизма обусловлена необходимостью того, чтобы шаги были необратимыми; для повышения специфичности вход субстрата и аналога должен происходить в основном через путь входа, а выход - в основном через путь выхода. Если бы вход был равновесным, более ранние шаги сформировали бы предварительное равновесие, и преимущества специфичности входа в путь (менее вероятные для аналога субстрата) были бы потеряны; если бы этап выхода был равновесным, то аналог субстрата мог бы повторно войти в путь через этап выхода, полностью минуя специфичность более ранних этапов.
Хотя один тест не сможет различить несовпадающие и совпадающие последовательности, в каждом случае два теста пройдут неудачно только времени, и N тестов потерпят неудачу того времени. С точки зрения свободной энергии, способность дискриминации N последовательных тестов для двух состояний со свободной энергией это то же самое, что один тест между двумя состояниями со свободной энергией .
Чтобы добиться уровня ошибок требует нескольких шагов сравнения. На основе этой теории Хопфилд предсказал, что в рибосоме имеется многоступенчатый храповик, который несколько раз проверяет совпадение, прежде чем включить в белок следующую аминокислоту.
Экспериментальные примеры
[ редактировать ]
- Зарядка тРНК соответствующими аминокислотами – фермент, который заряжает тРНК , называется аминоацил-тРНК-синтетазой . Этот фермент использует высокоэнергетическое промежуточное состояние для повышения точности связывания правильной пары тРНК и аминокислоты. [4] В этом случае энергия используется для создания высокоэнергетического промежуточного продукта (что делает путь входа необратимым), а путь выхода является необратимым из-за большой разницы в энергии при диссоциации.
- Гомологичная рекомбинация . Гомологичная рекомбинация облегчает обмен между гомологичными или почти гомологичными нитями ДНК. Во время этого процесса белок RecA полимеризуется вдоль ДНК, и эта нить ДНК-белка ищет гомологичную последовательность ДНК. Оба процесса полимеризации RecA [5] [6] и поиск гомологии [7] использовать механизм кинетической корректуры.
- Распознавание и восстановление повреждений ДНК — определенный механизм восстановления ДНК использует кинетическую корректуру для распознавания поврежденной ДНК. [8] Некоторые ДНК-полимеразы также могут обнаруживать добавление неправильного основания и немедленно гидролизовать его; в этом случае необратимым (энергозатратным) этапом является присоединение основания.
- Распознавание антигенов рецепторами Т-клеток . Т-клетки реагируют на чужеродные антигены в низких концентрациях, игнорируя при этом любые аутоантигены, присутствующие в гораздо более высоких концентрациях. Эта способность известна как дискриминация антигенов . Рецепторы Т-клеток используют кинетическую корректуру, чтобы различать антигены с высоким и низким сродством, представленные на молекуле MHC . Промежуточные этапы кинетической корректуры реализуются путем многократного фосфорилирования рецептора и его адаптерных белков. [9]
Теоретические соображения
[ редактировать ]Универсальное время первого прохода
[ редактировать ]Биохимические процессы, в которых используется кинетическая корректура для повышения специфичности, реализуют многоступенчатый храповой механизм, вызывающий задержку, с помощью множества различных биохимических сетей. Тем не менее, во многих таких сетях время завершения молекулярной сборки и этапов корректуры (также известное как время первого прохождения ) приближается к почти универсальной экспоненциальной форме для высоких скоростей корректуры и больших размеров сети. [10] Поскольку экспоненциальное время завершения характерно для марковского процесса с двумя состояниями , это наблюдение делает кинетическую корректуру одним из немногих примеров биохимических процессов, где структурная сложность приводит к гораздо более простой крупномасштабной феноменологической динамике.
Топология
[ редактировать ]Увеличение 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 увеличением количества петель в сети. [11] [12] Примером является гомологичная рекомбинация, при которой количество петель масштабируется как квадрат длины ДНК. [5] [6] Универсальное время завершения возникает именно в этом режиме большого числа петель и высокого усиления. [11]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джей Джей Хопфилд (октябрь 1974 г.). «Кинетическая корректура: новый механизм уменьшения ошибок в процессах биосинтеза, требующий высокой специфичности» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 71 (10): 4135–9. Бибкод : 1974PNAS...71.4135H . дои : 10.1073/pnas.71.10.4135 . ПМК 434344 . ПМИД 4530290 .
- ^ Нинио Дж (1975). «Кинетическая амплификация дискриминации ферментов». Биохимия . 57 (5): 587–95. дои : 10.1016/S0300-9084(75)80139-8 . ПМИД 1182215 .
- ^ Герон М (1978). «Повышение селективности ферментов за счет кинетической корректуры». Являюсь. Наука . 66 (2): 202–8. Бибкод : 1978AmSci..66..202G . ПМИД 646212 .
- ^ Хопфилд Дж. Дж., Ямане Т., Юэ В., Куттс С. М. (апрель 1976 г.). «Прямые экспериментальные доказательства кинетической корректуры аминоацилирования тРНКИле» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 73 (4): 1164–8. Бибкод : 1976PNAS...73.1164H . дои : 10.1073/pnas.73.4.1164 . ПМК 430221 . ПМИД 1063397 .
- ^ Jump up to: а б Бар-Зив Р., Тлусти Т., Либчабер А. (сентябрь 2002 г.). «Вычисление белок-ДНК с помощью стохастического каскада сборки» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 99 (18): 11589–92. arXiv : 1008.0737 . Бибкод : 2002PNAS...9911589B . дои : 10.1073/pnas.162369099 . ПМК 129313 . ПМИД 12186973 .
- ^ Jump up to: а б Тлусти Т., Бар-Зив Р., Либчабер А. (декабрь 2004 г.). «Высокоточное обнаружение ДНК по флуктуациям связывания белков». Физ. Преподобный Летт . 93 (25): 258103. arXiv : 1008.0743 . Бибкод : 2004PhRvL..93y8103T . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.258103 . ПМИД 15697950 . S2CID 8159495 .
- ^ Саги Д., Тлусти Т., Ставанс Дж. (2006). «Высокая точность рекомбинации, катализируемой RecA: сторожевой пес генетического разнообразия» . Нуклеиновые кислоты Рез . 34 (18): 5021–31. дои : 10.1093/nar/gkl586 . ПМЦ 1636419 . ПМИД 16990254 .
- ^ Рирдон Дж. Т., Санкар А. (февраль 2004 г.). «Термодинамическая кооперативность и кинетическая корректура в распознавании и восстановлении повреждений ДНК» . Клеточный цикл . 3 (2): 141–4. дои : 10.4161/cc.3.2.645 . ПМИД 14712076 .
- ^ Маккейтан Т.В. (май 1995 г.). «Кинетическая корректура передачи сигнала рецептором Т-клеток» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (11): 5042–6. Бибкод : 1995PNAS...92.5042M . дои : 10.1073/pnas.92.11.5042 . ПМК 41844 . ПМИД 7761445 .
- ^ Бел Г., Мунски Б., Неменман I (март 2010 г.). «Простота распределения времени завершения обычных сложных биохимических процессов». Физ Биол . 7 (1): 016003. arXiv : 0904.1587 . Бибкод : 2010PhBio...7a6003B . дои : 10.1088/1478-3975/7/1/016003 . ПМИД 20026876 . S2CID 2107030 .
- ^ Jump up to: а б Б. Манский; Я Неменман; Г Бел (декабрь 2009 г.). «Специфика и распределение времени завершения биохимических процессов». Дж. Хим. Физ . 131 (23): 235103. arXiv : 0909.2631 . Бибкод : 2009JChPh.131w5103M . дои : 10.1063/1.3274803 . ПМИД 20025351 . S2CID 2525119 .
- ^ Муруган; Д. Хьюз; С. Лейблер (июль 2012 г.). «Скорость, рассеяние и ошибки при кинетической корректуре» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 109 (30): 12034–9. Бибкод : 2012PNAS..10912034M . дои : 10.1073/pnas.1119911109 . ПМК 3409783 . ПМИД 22786930 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Алон У (2007). Введение в системную биологию: принципы проектирования биологических цепей . Бока-Ратон: Чепмен и Холл/CRC. ISBN 978-1-58488-642-6 .
- Керш Э.Н., Шоу А.С., Аллен П.М.; Шоу; Аллен (июль 1998 г.). «Верность активации Т-клеток посредством многоступенчатого дзета-фосфорилирования рецептора Т-клеток». Наука . 281 (5376): 572–5. Бибкод : 1998Sci...281..572N . дои : 10.1126/science.281.5376.572 . ПМИД 9677202 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )