Кинетическая корректура - Kinetic proofreading

Кинетическая корректура (или же кинетическое усиление) - это механизм исправления ошибок в биохимические реакции, независимо предложенный Джон Хопфилд (1974) и Жак Нинио (1975). Кинетическая корректура позволяет ферменты различать два возможных пути реакции приводящие к правильным или неправильным продуктам с точностью выше, чем можно было бы предсказать, исходя из разницы в энергия активации между этими двумя путями.[1][2]

Повышенная специфичность достигается за счет введения необратимого шага, выходящего из пути, с промежуточные продукты реакции приводящие к неправильным продуктам с большей вероятностью преждевременно выйдут 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 по сравнению с шагом выхода, специфичность не будет увеличена, потому что не будет достаточно времени для выхода.) Это можно повторить более одного раза, чтобы повысить специфичность.

Парадокс специфики

В синтез белка, частота ошибок составляет порядка 1 из 10 000. Это означает, что когда рибосома соответствует антикодоны из тРНК к кодоны из мРНК, он почти всегда правильно сопоставляет дополнительные последовательности. 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 свободная энергия разница между связыванием трех совпадающих дополнительных баз 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 свободной энергии не менее 10kT, что намного больше, чем разность свободных энергий для связывания одиночного 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.[3]

Другой механизм молекулярного распознавания, который нет требуют расхода свободной энергии 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, 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 связана с 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 вход был равновесным, более ранние шаги сформировали бы предварительное равновесие, и преимущества специфичности входа 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 несовпадающие и совпадающие последовательности лишь небольшую часть в большинстве случаев оба теста не пройдут времени, и N тестов не пройдут времени. С точки зрения свободной энергии, дискриминационная способность N последовательных тестов для двух состояний со свободной энергией это то же самое, что один тест между двумя состояниями со свободной энергией .

Для достижения коэффициента ошибок требует нескольких 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 шагом (B). Из-за добавленной реакции, обозначенной оранжевым на (B), скорость производства красных шариков намного больше зависит от значения что является целью кинетической корректуры.
  • Зарядка тРНК соответствующими аминокислотами - фермент, заряжающий тРНК называется аминоацил тРНК синтетаза. Этот фермент использует высокоэнергетическое промежуточное состояние для повышения точности связывания правой пары тРНК и аминокислоты.[4] 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[5][6] и поиск гомологии[7] использовать кинетический механизм корректуры.
  • Распознавание и восстановление повреждений ДНК - определенный Ремонт ДНК Механизм использует кинетическую корректуру для распознавания поврежденной ДНК.[8] 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 Т-клеточными рецепторами - Т-клетки реагируют на чужеродные антигены в низких концентрациях, игнорируя любые аутоантигены, присутствующие в гораздо более высоких концентрациях. Эта способность известна как дискриминация антигенов. Рецепторы Т-клеток используют кинетическую корректуру, чтобы различать высокое и низкое сродство антигены представлен на MHC молекула. Промежуточные этапы кинетической корректуры реализуются путем многократного фосфорилирования рецептора и его адаптерных белков.[9]

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 сборки молекул и этапов корректуры (также известных как время первого прохождения ), которые имеют почти универсальную экспоненциальную форму для высоких скоростей корректуры и больших размеров сети.[10] Поскольку экспоненциальное время завершения характерно для двухуровневого Марковский процесс, 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.[11][12] Примером является гомологичная рекомбинация, в которой количество петель масштабируется как квадрат длины ДНК.[5][6] Универсальное время завершения возникает именно в этом режиме большого количества петель и высокого усиления.[11]

Рекомендации

  1. ^ Дж. Дж. Хопфилд (октябрь 1974 г.). «Кинетическая корректура: новый механизм для уменьшения ошибок в биосинтетических процессах, требующих высокой специфичности». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 71 (10): 4135–9. Bibcode:1974PNAS ... 71.4135H. Дои:10.1073 / пнас.71.10.4135. ЧВК  434344. PMID  4530290.
  2. ^ Нинио Дж. (1975). «Кинетическое усиление дискриминации ферментов». Биохимия. 57 (5): 587–95. Дои:10.1016 / S0300-9084 (75) 80139-8. PMID  1182215.
  3. ^ Герон М (1978). «Повышенная селективность ферментов посредством кинетической корректуры». Являюсь. Наука. 66 (2): 202–8. Bibcode:1978AmSci..66..202G. PMID  646212.
  4. ^ Хопфилд Дж. Дж., Ямане Т., Юэ В., Куттс С. М. (апрель 1976 г.). «Прямые экспериментальные доказательства кинетической корректуры при аминоацилировании тРНКИла». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 73 (4): 1164–8. Bibcode:1976PNAS ... 73.1164H. Дои:10.1073 / pnas.73.4.1164. ЧВК  430221. PMID  1063397.
  5. ^ а б Бар-Зив Р., Тласти Т., Либхабер А. (сентябрь 2002 г.). «Расчет белок-ДНК каскадом стохастической сборки». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 99 (18): 11589–92. arXiv:1008.0737. Bibcode:2002PNAS ... 9911589B. Дои:10.1073 / pnas.162369099. ЧВК  129313. PMID  12186973.
  6. ^ а б Тласти Т., Бар-Зив Р., Либхабер А. (декабрь 2004 г.). «Высокоточное зондирование ДНК по колебаниям связывания белков». Phys. Rev. Lett. 93 (25): 258103. arXiv:1008.0743. Bibcode:2004PhRvL..93y8103T. Дои:10.1103 / PhysRevLett.93.258103. PMID  15697950.
  7. ^ Саги Д., Тласти Т., Ставанс Дж. (2006). «Высокая точность рекомбинации, катализируемой RecA: сторожевой пёс генетического разнообразия». Нуклеиновые кислоты Res. 34 (18): 5021–31. Дои:10.1093 / nar / gkl586. ЧВК  1636419. PMID  16990254.
  8. ^ 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. PMID  14712076.
  9. ^ МакКейтан Т.В. (май 1995 г.). «Кинетическая корректура передачи сигнала Т-клеточного рецептора». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 92 (11): 5042–6. Bibcode:1995ПНАС ... 92.5042М. Дои:10.1073 / пнас.92.11.5042. ЧВК  41844. PMID  7761445.
  10. ^ Бел Г, Мунский Б, Неменман I (март 2010). «Простота распределения времени завершения для обычных сложных биохимических процессов». Phys Biol.. 7 (1): 016003. arXiv:0904.1587. Bibcode:2010ФБио ... 7а6003Б. Дои:10.1088/1478-3975/7/1/016003. PMID  20026876.
  11. ^ а б Б Мунский; Я Неменман; G Bel (декабрь 2009 г.). «Специфика и распределение времени завершения биохимических процессов». J. Chem. Phys. 131 (23): 235103. arXiv:0909.2631. Bibcode:2009ЖЧФ.131в5103М. Дои:10.1063/1.3274803. PMID  20025351.
  12. ^ Муруган; D Huse; S Leibler (июль 2012 г.). «Скорость, рассеивание и погрешность при кинетической корректуре». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 109 (30): 12034–9. Bibcode:2012ПНАС..10912034М. Дои:10.1073 / pnas.1119911109. ЧВК  3409783. PMID  22786930.

дальнейшее чтение

  • Алон У (2007). Введение в системную биологию: принципы проектирования биологических цепей. Бока-Ратон: Чепмен и Холл / CRC. ISBN  1-58488-642-0.
  • Керш Э. Н., Шоу А. С., Аллен П. М.; Шоу; Аллен (июль 1998 г.). «Верность активации Т-клеток посредством многоступенчатого дзета-фосфорилирования Т-клеточного рецептора». Наука. 281 (5376): 572–5. Bibcode:1998Наука ... 281..572N. Дои:10.1126 / science.281.5376.572. PMID  9677202.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)