Kinetisk korrekturläsning

Kinetisk korrekturläsning (eller kinetisk amplifiering ) är en mekanism för felkorrigering i biokemiska reaktioner , föreslagen oberoende av John Hopfield (1974) och Jacques Ninio (1975). Kinetisk korrekturläsning tillåter enzymer att skilja mellan två möjliga reaktionsvägar som leder till korrekta eller felaktiga produkter med en noggrannhet som är högre än vad man skulle förutsäga baserat på skillnaden i aktiveringsenergin mellan dessa två vägar.

Ökad specificitet erhålls genom att införa ett irreversibelt steg som lämnar vägen, med reaktionsintermediärer som leder till felaktiga produkter mer sannolikt att för tidigt lämna vägen än reaktionsintermediärer som leder till rätt produkt. Om utgångssteget är snabbt i förhållande till nästa steg i vägen, kan specificiteten ökas med en faktor upp till förhållandet mellan de två utgångshastighetskonstanterna. (Om nästa steg är snabbt i förhållande till exitsteget, kommer specificiteten inte att ökas eftersom det inte kommer att finnas tillräckligt med tid för exit att inträffa.) Detta kan upprepas mer än en gång för att öka specificiteten ytterligare.

Specificitetsparadox

Vid proteinsyntes är felfrekvensen i storleksordningen 1 på 10 000. Detta betyder att när en ribosom matchar antikodoner av tRNA med kodonerna av mRNA , matchar den komplementära sekvenser korrekt nästan hela tiden. Hopfield noterade att på grund av hur lika substraten är (skillnaden mellan ett fel kodon och ett rätt kodon kan vara så liten som en skillnad i en enda bas), är en så liten felfrekvens ouppnåelig med en enstegsmekanism. Både fel och rätt tRNA kan binda till ribosomen, och om ribosomen endast kan skilja mellan dem genom komplementär matchning av antikodonet, måste den förlita sig på den lilla fria energiskillnaden mellan att binda tre matchade komplementära baser eller bara två.

En engångsmaskin som testar om kodonen matchar eller inte genom att undersöka om kodonet och antikodonet är bundna kommer inte att kunna se skillnaden mellan fel och rätt kodon med en felfrekvens mindre än e − 10 {\ ${ -10}}$ om inte skillnaden i fri energi är minst 10 kT , vilket är mycket större än skillnaden i fri energi för bindning av enskild kodon. Detta är en termodynamisk bunden, så den kan inte undvikas genom att bygga en annan maskin. Detta kan dock övervinnas genom kinetisk korrekturläsning, som introducerar ett oåterkalleligt steg genom tillförseln av energi.

En annan mekanism för molekylär igenkänning, som inte kräver utgifter för fri energi, är konformationell korrekturläsning . Den felaktiga produkten kan också bildas men hydrolyseras i en högre hastighet än den korrekta produkten, vilket ger möjlighet till teoretiskt oändlig specificitet ju längre du låter denna reaktion pågå, men till priset av stora mängder av den korrekta produkten också. (Det finns alltså en avvägning mellan produktproduktion och dess effektivitet.) Den hydrolytiska aktiviteten kan vara på samma enzym, som i DNA-polymeraser med redigeringsfunktioner, eller på olika enzymer.

Flerstegsspärr

Hopfield föreslog ett enkelt sätt att uppnå mindre felfrekvenser med hjälp av en molekylär spärr som tar många oåterkalleliga steg, varje testning för att se om sekvenserna matchar. Vid varje steg förbrukas energi och specificiteten (förhållandet mellan korrekt substrat och felaktigt substrat vid den punkten i vägen) ökar.

Kravet på energi i varje steg av spärrhaken beror på behovet av att stegen är irreversibla; för att specificiteten ska öka måste inträde av substrat och analog ske till stor del genom ingångsvägen och utträde till stor del genom utträdesvägen. Om inträde var en jämvikt skulle de tidigare stegen bilda en förjämvikt och specificitetsfördelarna med att gå in i vägen (mindre sannolikt för substratanalogen) skulle gå förlorade; om utgångssteget var en jämvikt, skulle substratanalogen kunna återinträda i vägen genom utgångssteget och helt förbigå specificiteten hos tidigare steg.

Även om ett test misslyckas med att skilja mellan felmatchade och matchade sekvenser en bråkdel $p=e^{-\Delta F/kT}$ av tiden, kommer två test båda att misslyckas endast $p^{2}$ av tiden, och N tester misslyckas $p^{N}$ av tiden. När det gäller fri energi är diskrimineringsförmågan för N successiva tester för två tillstånd med en fri energi $\Delta F$ densamma som ett test mellan två tillstånd med en fri energi $N\ Delta F$ .

För att uppnå en felfrekvens på $e^{-10}$ flera jämförelsesteg. Hopfield förutspådde på basis av denna teori att det finns en flerstegsspärr i ribosomen som testar matchningen flera gånger innan nästa aminosyra införlivas i proteinet.

Experimentella exempel

Jämförelse mellan en klassisk mekanism för molekylär interaktion (A) och en kinetisk korrekturläsning med ett steg (B). På grund av den extra reaktionen märkt med orange i (B), är produktionshastigheten för den röda pärlan mycket mer beroende av värdet på $k_{-1}$ som är syftet med kinetisk korrekturläsning.

• Att ladda tRNA med sina respektive aminosyror – enzymet som laddar tRNA kallas aminoacyl tRNA-syntetas . Detta enzym använder ett högenergimellantillstånd för att öka troheten för att binda det högra paret av tRNA och aminosyra. I det här fallet används energi för att göra högenergimellanprodukten (gör ingångsvägen irreversibel), och utgångsvägen är irreversibel på grund av den höga energiskillnaden i dissociation.
• Homolog rekombination – Homolog rekombination underlättar utbytet mellan homologa eller nästan homologa DNA-strängar. Under denna process polymeriserar RecA-proteinet längs ett DNA och detta DNA-proteinfilament söker efter en homolog DNA-sekvens. Båda processerna för RecA-polymerisation och homologisökning använder den kinetiska korrekturläsningsmekanismen.
• DNA-skada igenkänning och reparation – en viss DNA-reparationsmekanism använder kinetisk korrekturläsning för att urskilja skadat DNA. Vissa DNA-polymeraser kan också upptäcka när de har lagt till en felaktig bas och kan hydrolysera den omedelbart; i detta fall är det irreversibla (energikrävande) steget addition av basen.
• Antigendiskriminering av T-cellsreceptorer – T-celler svarar på främmande antigener vid låga koncentrationer, samtidigt som de ignorerar eventuella självantigener som finns i mycket högre koncentration. Denna förmåga är känd som antigendiskriminering . T-cellsreceptorer använder kinetisk korrekturläsning för att skilja mellan antigener med hög och låg affinitet som presenteras på en MHC -molekyl. De mellanliggande stegen av kinetisk korrekturläsning realiseras genom flera omgångar av fosforylering av receptorn och dess adapterproteiner.

Teoretiska överväganden

Universell första passagetid

Biokemiska processer som använder kinetisk korrekturläsning för att förbättra specificiteten implementerar den fördröjningsinducerande flerstegsspärren med en mängd olika distinkta biokemiska nätverk. Icke desto mindre resulterar många sådana nätverk i tiden till slutförandet av den molekylära sammansättningen och korrekturläsningsstegen (även känd som den första passagetiden ) som närmar sig en nästan universell, exponentiell form för höga korrekturläsningshastigheter och stora nätverksstorlekar. Eftersom exponentiella färdigställandetider är karakteristiska för en Markov-process i två tillstånd, gör denna observation kinetisk korrekturläsning till ett av endast ett fåtal exempel på biokemiska processer där strukturell komplexitet resulterar i en mycket enklare storskalig, fenomenologisk dynamik.

Topologi

Ökningen i specificitet, eller den totala förstärkningsfaktorn för ett kinetiskt korrekturläsningsnätverk som kan inkludera flera vägar och speciellt loopar är intimt relaterat till nätverkets topologi: specificiteten växer exponentiellt med antalet loopar i nätverket. Ett exempel är homolog rekombination där antalet slingor skalar som kvadraten på DNA-längden. Den universella färdigställandetiden framträder just i denna regim med stort antal slingor och hög förstärkning.

Vidare läsning

•   Alon U (2007). En introduktion till systembiologi: designprinciper för biologiska kretsar . Boca Raton: Chapman & Hall/CRC. ISBN 978-1-58488-642-6 .
•   Kersh EN, Shaw AS, Allen PM; Shaw; Allen (juli 1998). "Trogenhet med T-cellsaktivering genom flerstegs T-cellreceptor zeta-fosforylering". Vetenskap . 281 (5376): 572–5. Bibcode : 1998Sci...281..572N . doi : 10.1126/science.281.5376.572 . PMID 9677202 . {{ citera tidskrift }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )