Кинетическая корректура

Исправление ошибок в биохимических реакциях

Кинетическая корректура (или кинетическая амплификация ) — это механизм исправления ошибок в биохимических реакциях , предложенный независимо Джоном Хопфилдом (1974) и Жаком Ниньо (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. ^{[1] [2]}

Повышение специфичности достигается путем введения необратимого шага выхода из пути, при этом промежуточные продукты реакции, приводящие к неправильным продуктам, с большей вероятностью преждевременно выйдут из пути, чем промежуточные продукты реакции, приводящие к правильному продукту. Если шаг выхода быстр относительно следующего шага в пути, специфичность может быть увеличена на коэффициент вплоть до соотношения между двумя константами скорости выхода. (Если следующий шаг быстр относительно шага выхода, специфичность не увеличится, поскольку не будет достаточно времени для выхода.) Это можно повторить более одного раза, чтобы еще больше повысить специфичность.

В качестве аналогии, если у нас есть линия по сборке лекарств, которая иногда производит пустые коробки, и мы не можем модернизировать линию, то мы можем увеличить соотношение полных коробок к пустым коробкам (специфичность), поместив гигантский вентилятор в конце. Пустые коробки с большей вероятностью будут сдуваться с линии (более высокая скорость выхода), чем полные коробки, даже несмотря на то, что производительность обоих видов снижена. Удлинив конечную секцию и добавив больше гигантских вентиляторов (многоступенчатая проверка), можно произвольно увеличить специфичность, за счет снижения производительности.

Парадокс специфичности

В синтезе белка частота ошибок составляет порядка . Это означает, что когда рибосома сопоставляет антикодоны тРНК с кодонами мРНК , она почти всегда правильно сопоставляет комплементарные последовательности. Хопфилд отметил , что из-за того, насколько похожи субстраты (разница между неправильным кодоном и правильным кодоном может быть такой же малой, 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 сопоставления антикодона, она должна полагаться на небольшую разницу свободной энергии между связыванием трех совпадающих комплементарных оснований или только двух. ${\displaystyle 10^{-4}=e^{-9.2}}$

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 меньше, если только разница свободной энергии не будет по крайней мере 9,2 кТл , что намного больше разницы свободной энергии для связывания одного кодона. Это термодинамическая связь, поэтому ее нельзя обойти, построив другую машину. Однако ее можно преодолеть с помощью кинетической корректуры, которая вводит необратимый шаг через ввод энергии. ^[3] ${\displaystyle 10^{-4}=e^{-9.2}}$

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

Многоступенчатый храповой механизм

Хопфилд предложил простой способ достижения меньших показателей ошибок с помощью молекулярного храповика, который выполняет много необратимых шагов, каждый из которых проверяет, совпадают ли последовательности. На каждом шаге энергия расходуется, а специфичность (соотношение правильного субстрата к неправильному субстрату в этой точке пути) увеличивается.

Потребность в энергии на каждом этапе храповика обусловлена ​​необходимостью необратимости этапов; для повышения специфичности вход субстрата и аналога должен происходить в основном через входной путь, а выход в основном через выходной путь. Если бы вход был равновесием, более ранние этапы сформировали бы предварительное равновесие, и преимущества специфичности входа в путь (менее вероятные для аналога субстрата) были бы потеряны; если бы выходной этап был равновесием, то аналог субстрата смог бы повторно войти в путь через выходной этап, полностью минуя специфичность более ранних этапов.

Хотя один тест не сможет различить несовпадающие и совпадающие последовательности в небольшом количестве случаев, два теста оба не смогут различить только в небольшом количестве случаев, а N тестов не смогут различить в большом количестве случаев. С точки зрения свободной энергии, дискриминационная способность 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 этапов сравнения. Хопфилд предсказал на основе этой теории, что в рибосоме есть многоступенчатый храповик, который проверяет соответствие несколько раз, прежде чем включить следующую аминокислоту в белок. ${\displaystyle e^{-10}}$

Экспериментальные примеры

Сравнение классического механизма молекулярного взаимодействия (A) и кинетической корректуры с одним шагом (B). Из-за добавленной реакции, обозначенной оранжевым цветом в (B), скорость производства красной бусины гораздо больше зависит от значения , которое является целью кинетической корректуры. ${\displaystyle k_{-1}}$

• Зарядка тРНК соответствующими аминокислотами – фермент, который заряжает тРНК , называется аминоацил-тРНК-синтетазой . Этот фермент использует промежуточное состояние с высокой энергией для повышения точности связывания правильной пары тРНК и аминокислоты. ^[4] В этом случае энергия используется для создания промежуточного состояния с высокой энергией (что делает путь входа необратимым), а путь выхода необратим в силу 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 ^{[5] [6]} и поиска гомологии ^[7] используют 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 определять, когда они добавили неправильное основание, и способны немедленно гидролизовать его; в этом случае необратимым (требующим энергии) шагом является добавление основания.
• Распознавание антигенов рецепторами Т-клеток – Т-клетки реагируют на чужеродные антигены в низких концентрациях, игнорируя любые собственные антигены, присутствующие в гораздо более высокой концентрации. Эта способность известна как распознавание антигенов . Рецепторы Т-клеток используют кинетическую корректуру для различения антигенов с высоким и низким сродством, представленных на молекуле MHC . Промежуточные этапы кинетической корректуры реализуются посредством множественных раундов фосфорилирования рецептора и его адаптерных белков. ^[9]

Теоретические соображения

Универсальное время первого прохождения

Биохимические процессы, которые используют кинетическую корректуру для улучшения специфичности, реализуют многошаговый храповой механизм, вызывающий задержку, с помощью различных различных биохимических сетей. Тем не менее, многие такие сети приводят к временам завершения молекулярной сборки и шагов корректуры (также известным как время первого прохода ), которые приближаются к почти универсальной, экспоненциальной форме для высоких скоростей корректуры и больших размеров сетей. ^[10] Поскольку экспоненциальное время завершения характерно для двухстадийного марковского процесса , это наблюдение делает кинетическую корректуру одним из немногих примеров биохимических процессов, где структурная сложность приводит к гораздо более простой крупномасштабной феноменологической динамике.

Топология

Увеличение специфичности или общего коэффициента усиления кинетической сети корректуры, которая может включать несколько путей и особенно петель, тесно связано с топологией сети: специфичность растет экспоненциально с числом петель в сети. ^{[11] [12]} Примером является гомологичная рекомбинация, в которой число петель масштабируется как квадрат длины ДНК. ^{[5] [6]} Универсальное время завершения возникает именно в этом режиме большого числа петель и высокой амплификации. ^[11]

Ссылки

1. JJ Hopfield (октябрь 1974 г.). «Кинетическая корректура: новый механизм снижения ошибок в биосинтетических процессах, требующих высокой специфичности». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 71 (10): 4135–9. Bibcode :1974PNAS...71.4135H. doi : 10.1073/pnas.71.10.4135 . PMC  434344 . PMID  4530290.
2. Ninio J (1975). «Кинетическая амплификация дискриминации ферментов». Biochimie . 57 (5): 587–95. doi :10.1016/S0300-9084(75)80139-8. PMID  1182215.
3. Guéron M (1978). «Повышенная селективность ферментов с помощью кинетической корректуры». Am. Sci . 66 (2): 202–8. Bibcode : 1978AmSci..66..202G. PMID  646212.
4. Hopfield JJ, Yamane T, Yue V, Coutts SM (апрель 1976 г.). «Прямые экспериментальные доказательства кинетической корректуры при аминоацилировании тРНКIle». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 73 (4): 1164–8. Bibcode :1976PNAS...73.1164H. doi : 10.1073/pnas.73.4.1164 . PMC 430221 . PMID  1063397. 
5. Bar-Ziv R, Tlusty T, Libchaber A (сентябрь 2002 г.). "Вычисление белков и ДНК с помощью каскадной стохастической сборки". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 99 (18): 11589–92. arXiv : 1008.0737 . Bibcode : 2002PNAS...9911589B. doi : 10.1073/pnas.162369099 . PMC 129313. PMID  12186973 . 
6. Tlusty T, Bar-Ziv R, Libchaber A (декабрь 2004 г.). "Высокоточное считывание ДНК с помощью флуктуаций связывания белков". Phys. Rev. Lett . 93 (25): 258103. arXiv : 1008.0743 . Bibcode :2004PhRvL..93y8103T. doi :10.1103/PhysRevLett.93.258103. PMID  15697950. S2CID  8159495.
7. Sagi D, Tlusty T, Stavans J (2006). «Высокая точность рекомбинации, катализируемой RecA: сторожевой пес генетического разнообразия». Nucleic Acids Res . 34 (18): 5021–31. doi :10.1093/nar/gkl586. PMC 1636419. PMID  16990254 . 
8. Reardon JT, Sancar A (февраль 2004 г.). «Термодинамическая кооперативность и кинетическая корректура в распознавании и восстановлении повреждений ДНК». Cell Cycle . 3 (2): 141–4. doi : 10.4161/cc.3.2.645 . PMID  14712076.
9. McKeithan TW (май 1995). «Кинетическая корректура в передаче сигнала рецептора Т-клетки». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (11): 5042–6. Bibcode :1995PNAS...92.5042M. doi : 10.1073/pnas.92.11.5042 . PMC 41844 . PMID  7761445. 
10. Bel G, Munsky B, Nemenman I (март 2010 г.). "Простота распределений времени завершения для обычных сложных биохимических процессов". Phys Biol . 7 (1): 016003. arXiv : 0904.1587 . Bibcode : 2010PhBio...7a6003B. doi : 10.1088/1478-3975/7/1/016003. PMID  20026876. S2CID  2107030.
11. B Munsky; I Nemenman; G Bel (декабрь 2009 г.). "Специфичность и распределение времени завершения биохимических процессов". J. Chem. Phys . 131 (23): 235103. arXiv : 0909.2631 . Bibcode :2009JChPh.131w5103M. doi :10.1063/1.3274803. PMID  20025351. S2CID  2525119.
12. A Murugan; D Huse; S Leibler (июль 2012 г.). «Скорость, рассеивание и ошибка в кинетической корректуре». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 109 (30): 12034–9. Bibcode : 2012PNAS..10912034M. doi : 10.1073 /pnas.1119911109 . PMC 3409783. PMID  22786930. 

Дальнейшее чтение

• Alon U (2007). Введение в системную биологию: принципы проектирования биологических цепей . Boca Raton: Chapman & Hall/CRC. ISBN 978-1-58488-642-6.
• Kersh EN, Shaw AS, Allen PM; Shaw; Allen (июль 1998). «Точность активации Т-клеток посредством многошагового фосфорилирования дзета-рецепторов Т-клеток». Science . 281 (5376): 572–5. Bibcode :1998Sci...281..572N. doi :10.1126/science.281.5376.572. PMID  9677202.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )