Кинетическая корректура - Kinetic proofreading

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, 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, приводящие к неправильным продуктам, с большей вероятностью преждевременно выходят из пути, чем промежуточные продукты реакции, приводящие к правильному продукту. Если этап выхода является быстрым по сравнению со следующим этапом 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.

Парадокс специфики

При синтезе белка частота ошибок составляет порядка 1 из 10 000. Это означает , что , когда рибосома является соответствие антикодоны от тРНК к кодонов в мРНК , он совпадает комплементарные последовательности правильно почти все время. 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 разницу в свободной энергии между связыванием трех совпадающих комплементарных оснований или только двух.

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 меньше, чем если разница в свободной энергии не составляет не менее 10 kT , что намного больше, чем разность свободных энергий 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. ${\ displaystyle e ^ {- 10}}$

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 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 проявляться на одном и том же ферменте, как в ДНК-полимеразах с функциями редактирования, или на разных ферментах.

Трещотка многоступенчатая

Хопфилд предложил простой способ добиться меньшего количества ошибок с помощью молекулярного храповика, который требует множества необратимых шагов, каждый из которых проверяет соответствие последовательностей. На каждом этапе расходуется энергия, а специфичность (отношение правильного субстрата к неправильному на данном этапе пути) увеличивается.

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 стадии 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 не сможет различить несовпадающие и согласованные последовательности часть времени, два теста будут терпеть неудачу только один раз, а N тестов будут терпеть неудачу только один раз. С точки зрения свободной энергии, способность различения N последовательных тестов для двух состояний со свободной энергией такая же, как у одного теста между двумя состояниями со свободной энергией . ${\ displaystyle p = e ^ {- \ Delta F / kT}}$${\ displaystyle p ^ {2}}$${\ displaystyle p ^ {N}}$${\ displaystyle \ Delta F}$${\ Displaystyle N \ Delta F}$

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

Экспериментальные примеры

Сравнение классического механизма молекулярного взаимодействия (A) и кинетической корректуры с одним шагом (B). Из-за дополнительной реакции, обозначенной оранжевым цветом на (B), скорость производства красных шариков намного больше зависит от значения, которое является целью кинетической корректуры.${\ displaystyle k _ {- 1}}$

• 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.
• Гомологичная 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 кинетический механизм корректуры.
• Распознавание и восстановление повреждений ДНК - определенный механизм восстановления ДНК использует кинетическую корректуру для распознавания поврежденной ДНК. Некоторые ДНК-полимеразы также могут определять, когда они добавили неправильное основание, и могут немедленно его гидролизовать; в этом случае необратимым (энергозатратным) этапом является добавление основания.
• Дискриминация антигена рецепторами Т-клеток - Т-клетки реагируют на чужеродные антигены в низких концентрациях, игнорируя любые аутоантигены, присутствующие в гораздо более высоких концентрациях. Эта способность известна как различение антигенов . Рецепторы Т-клеток используют кинетическую корректуру, чтобы различать антигены с высоким и низким сродством, представленные в молекуле MHC . Промежуточные этапы кинетической корректуры реализуются путем многократного фосфорилирования рецептора и его адаптерных белков.

Теоретические соображения

Универсальное время первого прохождения

Биохимические процессы, которые используют кинетическую корректуру для повышения специфичности, реализуют вызывающий задержку многоступенчатый храповик посредством множества различных биохимических сетей. Тем не менее, многие такие сети приводят к тому, что время до завершения молекулярной сборки и этапов корректуры (также известных как время первого прохождения ) приближается к почти универсальной экспоненциальной форме для высоких скоростей корректуры и больших размеров сетей. Поскольку экспоненциальное время завершения характерно для марковского процесса с двумя состояниями , это наблюдение делает кинетическую корректуру одним из немногих примеров биохимических процессов, в которых структурная сложность 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 высокого усиления.

использованная литература

дальнейшее чтение