Revisión cinética

La corrección cinética (o amplificación cinética ) es un mecanismo de corrección de errores en reacciones bioquímicas , propuesto de forma independiente por John Hopfield (1974) y Jacques Ninio (1975). La corrección cinética permite a las enzimas discriminar entre dos posibles vías de reacción que conducen a productos correctos o incorrectos con una precisión superior a la que se podría predecir en función de la diferencia en la energía de activación entre estas dos vías. ^{[1] [2]}

Se obtiene una mayor especificidad al introducir un paso irreversible que sale de la ruta, con los intermedios de reacción que conducen a productos incorrectos con mayor probabilidad de salir prematuramente de la ruta que los intermedios de reacción que conducen al producto correcto. Si el paso de salida es rápido en relación con el siguiente paso de la vía, la especificidad puede aumentarse en un factor de hasta la relación entre las dos constantes de tasa de salida. (Si el siguiente paso es rápido en relación con el paso de salida, la especificidad no aumentará porque no habrá tiempo suficiente para que se produzca la salida). Esto se puede repetir más de una vez para aumentar aún más la especificidad.

Paradoja de la especificidad

En la síntesis de proteínas , la tasa de error es del orden de 1 en 10,000. Esto significa que cuando un ribosoma hace coincidir los anticodones del ARNt con los codones del ARNm , hace coincidir las secuencias complementarias correctamente casi todo el tiempo. Hopfield señaló que debido a lo similares que son los sustratos (la diferencia entre un codón incorrecto y un codón correcto puede ser tan pequeña como una diferencia en una sola base), una tasa de error tan pequeña es inalcanzable con un mecanismo de un solo paso. Tanto el ARNt incorrecto como el correcto pueden unirse al ribosoma, y ​​si el ribosoma solo puede discriminar entre ellos mediante la combinación complementaria del anticodón, debe depender de la pequeña energía libre diferencia entre unir tres bases complementarias emparejadas o solo dos.

Una máquina de un solo disparo que prueba si los codones coinciden o no examinando si el codón y el anticodón están unidos no podrá diferenciar entre el codón correcto y el incorrecto con una tasa de error menor que ${\displaystyle e^{-10}}$a menos que la diferencia de energía libre sea de al menos 10 kT , que es mucho mayor que la diferencia de energía libre para la unión de un solo codón. Este es un límite termodinámico, por lo que no se puede eludir construyendo una máquina diferente. Sin embargo, esto puede superarse mediante la revisión cinética, que introduce un paso irreversible a través del aporte de energía. ^[3]

Otro mecanismo de reconocimiento molecular, que no requiere gasto de energía libre, es el de corrección conformacional . El producto incorrecto también puede formarse, pero hidrolizarse a una velocidad mayor que el producto correcto, lo que da la posibilidad de una especificidad teóricamente infinita cuanto más tiempo deje que se ejecute esta reacción, pero también a costa de grandes cantidades del producto correcto. (Por lo tanto, existe una compensación entre la producción del producto y su eficiencia). La actividad hidrolítica puede estar en la misma enzima, como en las ADN polimerasas con funciones de edición, o en diferentes enzimas.

Trinquete de varios pasos

Hopfield sugirió una forma sencilla de lograr tasas de error más pequeñas utilizando un trinquete molecular que toma muchos pasos irreversibles, cada prueba para ver si las secuencias coinciden. En cada paso, se gasta energía y aumenta la especificidad (la relación entre el sustrato correcto y el sustrato incorrecto en ese punto de la ruta).

El requerimiento de energía en cada paso del trinquete se debe a la necesidad de que los pasos sean irreversibles; Para que aumente la especificidad, la entrada del sustrato y el análogo debe ocurrir en gran parte a través de la vía de entrada y la salida en gran parte a través de la vía de salida. Si la entrada fuera un equilibrio, los pasos anteriores formarían un pre-equilibrio y se perderían los beneficios de especificidad de la entrada en la vía (menos probable para el análogo del sustrato); si el paso de salida fuera un equilibrio, entonces el análogo del sustrato podría volver a entrar en la vía a través del paso de salida, evitando por completo la especificidad de los pasos anteriores.

Aunque una prueba no podrá discriminar entre secuencias coincidentes y no coincidentes una fracción ${\displaystyle p=e^{-\Delta F/kT}}$ del tiempo, dos pruebas fallarán solo ${\displaystyle p^{2}}$ del tiempo, y N pruebas fallarán ${\displaystyle p^{N}}$del tiempo. En términos de energía libre, el poder de discriminación de N pruebas sucesivas para dos estados con una energía libre${\displaystyle \Delta F}$ es lo mismo que una prueba entre dos estados con una energía libre ${\displaystyle N\Delta F}$.

Para lograr una tasa de error de ${\displaystyle e^{-10}}$requiere varios pasos de comparación. Hopfield predijo sobre la base de esta teoría que hay un trinquete de múltiples etapas en el ribosoma que prueba la coincidencia varias veces antes de incorporar el siguiente aminoácido en la proteína.

Ejemplos experimentales

Comparación entre un mecanismo clásico de interacción molecular (A) y una corrección cinética de un paso (B). Debido a la reacción agregada etiquetada en naranja en (B), la tasa de producción de la perla roja depende mucho más del valor de${\displaystyle k_{-1}}$ que es el propósito de la corrección cinética.

• Carga de tRNA con sus respectivos aminoácidos : la enzima que carga el tRNA se llama aminoacil tRNA sintetasa . Esta enzima utiliza un estado intermedio de alta energía para aumentar la fidelidad de la unión del par correcto de ARNt y aminoácido. ^[4] En este caso, la energía se utiliza para hacer el intermedio de alta energía (haciendo que la vía de entrada sea irreversible), y la vía de salida es irreversible en virtud de la alta diferencia de energía en la disociación.
• Homóloga recombinación - La recombinación homóloga facilita el intercambio entre las hebras de ADN homólogas o casi homólogas. Durante este proceso, la proteína RecA se polimeriza a lo largo de un ADN y este filamento de proteína de ADN busca una secuencia de ADN homóloga. Ambos procesos de polimerización de RecA ^{[5] [6]} y búsqueda de homología ^[7] utilizan el mecanismo de corrección cinética.
• Reconocimiento y reparación de daños en el ADN : cierto mecanismo de reparación del ADN utiliza la corrección cinética para discriminar el ADN dañado. ^[8] Algunas ADN polimerasas también pueden detectar cuando han agregado una base incorrecta y pueden hidrolizarla inmediatamente; en este caso, el paso irreversible (que requiere energía) es la adición de la base.
• Discriminación de antígenos por receptores de células T: las células T responden a antígenos extraños en concentraciones bajas, mientras ignoran los autoantígenos presentes en concentraciones mucho más altas. Esta capacidad se conoce como discriminación de antígenos . Los receptores de células T utilizan corrección cinética para discriminar entre antígenos de alta y baja afinidad presentados en una molécula de MHC . Los pasos intermedios de la corrección cinética se realizan mediante múltiples rondas de fosforilación del receptor y sus proteínas adaptadoras. ^[9]

Consideraciones teóricas

Tiempo de primer paso universal

Los procesos bioquímicos que utilizan la corrección cinética para mejorar la especificidad implementan el trinquete de múltiples pasos que induce retrasos mediante una variedad de redes bioquímicas distintas. No obstante, muchas de estas redes dan como resultado tiempos hasta la finalización del ensamblaje molecular y los pasos de corrección de pruebas (también conocidos como el tiempo de primer paso ) que se acercan a una forma exponencial casi universal para altas tasas de corrección de pruebas y grandes tamaños de red. ^[10] Dado que los tiempos de finalización exponenciales son característicos de un proceso de Markov de dos estados , esta observación hace que la corrección cinética sea uno de los pocos ejemplos de procesos bioquímicos donde la complejidad estructural da como resultado una dinámica fenomenológica a gran escala mucho más simple.

Topología

El aumento de la especificidad, o el factor de amplificación general de una red de corrección cinética que puede incluir múltiples vías y especialmente bucles, está íntimamente relacionado con la topología de la red: la especificidad crece exponencialmente con el número de bucles en la red. ^{[11] [12]} Un ejemplo es la recombinación homóloga en la que el número de bucles escala como el cuadrado de la longitud del ADN. ^{[5] [6]} El tiempo de finalización universal surge precisamente en este régimen de gran número de bucles y alta amplificación. ^[11]

Referencias

1. JJ Hopfield (octubre de 1974). "Revisión cinética: un nuevo mecanismo para reducir errores en procesos biosintéticos que requieren alta especificidad" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 71 (10): 4135–9. Código Bibliográfico : 1974PNAS ... 71.4135H . doi : 10.1073 / pnas.71.10.4135 . PMC  434344 . PMID  4530290 .
2. Ninio J (1975). "Amplificación cinética de la discriminación enzimática". Biochimie . 57 (5): 587–95. doi : 10.1016 / S0300-9084 (75) 80139-8 . PMID 1182215 . 
3. Guéron M (1978). "Mayor selectividad de enzimas mediante corrección cinética". Soy. Sci . 66 (2): 202–8. Código bibliográfico : 1978AmSci..66..202G . PMID 646212 . 
4. Hopfield JJ, Yamane T, Yue V, Coutts SM (abril de 1976). "Evidencia experimental directa para la corrección de pruebas cinética en la amino acilación de tRNAIle" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 73 (4): 1164–8. Código Bibliográfico : 1976PNAS ... 73.1164H . doi : 10.1073 / pnas.73.4.1164 . PMC 430221 . PMID 1063397 .  
5. Bar-Ziv R, Tlusty T, Libchaber A (septiembre de 2002). "Cálculo proteína-ADN por cascada de ensamblaje estocástico" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 99 (18): 11589–92. arXiv : 1008.0737 . Código Bibliográfico : 2002PNAS ... 9911589B . doi : 10.1073 / pnas.162369099 . PMC 129313 . PMID 12186973 .  
6. Tlusty T, Bar-Ziv R, Libchaber A (diciembre de 2004). "Detección de ADN de alta fidelidad por fluctuaciones de unión a proteínas". Phys. Rev. Lett . 93 (25): 258103. arXiv : 1008.0743 . Código Bibliográfico : 2004PhRvL..93y8103T . doi : 10.1103 / PhysRevLett.93.258103 . PMID 15697950 . 
7. Sagi D, Tlusty T, Stavans J (2006). "Alta fidelidad de la recombinación catalizada por RecA: un perro guardián de la diversidad genética" . Ácidos nucleicos Res . 34 (18): 5021–31. doi : 10.1093 / nar / gkl586 . PMC 1636419 . PMID 16990254 .  
8. Reardon JT, Sancar A (febrero de 2004). "Cooperatividad termodinámica y corrección cinética en el reconocimiento y reparación de daños en el ADN" . Ciclo celular . 3 (2): 141–4. doi : 10.4161 / cc.3.2.645 . PMID 14712076 . 
9. McKeithan TW (mayo de 1995). "Revisión cinética en la transducción de señales del receptor de células T" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 92 (11): 5042–6. Código Bibliográfico : 1995PNAS ... 92.5042M . doi : 10.1073 / pnas.92.11.5042 . PMC 41844 . PMID 7761445 .  
10. Bel G, Munsky B, Nemenman I (marzo de 2010). "La simplicidad de distribuciones de tiempo de finalización para procesos bioquímicos complejos comunes". Phys Biol . 7 (1): 016003. arXiv : 0904.1587 . Código bibliográfico : 2010PhBio ... 7a6003B . doi : 10.1088 / 1478-3975 / 7/1/016003 . PMID 20026876 . 
11. B Munsky; Yo Nemenman; G Bel (diciembre de 2009). "Distribuciones de especificidad y tiempo de finalización de procesos bioquímicos". J. Chem. Phys . 131 (23): 235103. arXiv : 0909.2631 . Código bibliográfico : 2009JChPh.131w5103M . doi : 10.1063 / 1.3274803 . PMID 20025351 . 
12. A Murugan; D Huse; S Leibler (julio de 2012). "Velocidad, disipación y error en la corrección cinética" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 109 (30): 12034–9. Código Bibliográfico : 2012PNAS..10912034M . doi : 10.1073 / pnas.1119911109 . PMC 3409783 . PMID 22786930 .  

Lectura adicional

• Alon U (2007). Introducción a la biología de sistemas: principios de diseño de circuitos biológicos . Boca Ratón: Chapman & Hall / CRC. ISBN 1-58488-642-0.
• Kersh EN, Shaw AS, Allen PM; Shaw; Allen (julio de 1998). "Fidelidad de la activación de las células T a través de la fosforilación zeta del receptor de células T en varios pasos". Ciencia . 281 (5376): 572–5. Código Bibliográfico : 1998Sci ... 281..572N . doi : 10.1126 / science.281.5376.572 . PMID  9677202 .