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Eine kleine Veränderung, eine große Wirkung: Wie kann man die Konzentration durch Energie verbessern?
Bei biochemischen Reaktionen ist die Fehlerkorrektur ein entscheidender Mechanismus zur Gewährleistung der Reaktionsgenauigkeit. Dieser Mechanismus wird durch das Konzept der „kinetischen Korrektur“ ermöglicht, ein Begriff, der erstmals in den 1970er Jahren von John Hopfield und Jacques Ninho geprägt wurde. In diesem Artikel werden die Grundsätze der kinetischen Korrektur eingehend untersucht und gezeigt, wie diese durch Energiezufuhr die Spezifität von Organismen verbessern und so unser Verständnis der Funktionsweise des Lebens verändern kann.
Die kinetische Korrektur ist ein Mechanismus, der es Enzymen ermöglicht, zwischen richtigen und falschen Reaktionswegen zu unterscheiden und dadurch ihre Genauigkeit über Vorhersagen hinaus zu verbessern, die ausschließlich auf Unterschieden in der freien Energie beruhen.
Grundprinzipien der dynamischen Korrektur
Durch die kinetische Korrektur kann die Spezifität des ausgewählten richtigen Produkts verbessert werden, indem ein irreversibler Schritt eingeführt wird, der es dem fehlerhaften Reaktionszwischenprodukt erleichtert, den Reaktionsweg vorzeitig zu verlassen. Wenn beispielsweise eine Produktionslinie manchmal leere Kartons produziert und wir die Linie nicht aufrüsten können, können wir das Verhältnis von vollen zu leeren Kartons erhöhen, indem wir Ventilatoren am Ende der Linie platzieren. Diese Steigerung der Spezifität erreichen wir, weil bei leeren Kartons die Gefahr größer ist, dass sie weggeweht werden.Bei Biomolekülen kann die kinetische Korrektur die Spezifität zwischen verschiedenen Reaktionswegen erheblich verbessern, insbesondere während der Proteinsynthese. Da die Unterschiede zwischen den Sequenzen der fehlerhaften Gene minimal sind, ist es unmöglich, eine so hohe Genauigkeit zu erreichen, wenn man sich bei der Identifizierung ausschließlich auf Energieunterschiede verlässt. Das Spezifitätsparadoxon bei der Proteinsynthese Hopfield wies darauf hin, dass die Fehlerrate bei der Proteinsynthese etwa 10^(-4) beträgt. Dies bedeutet, dass fast alle Paarungen korrekt sind, wenn das Ribosom das Antikodon der tRNA mit dem Kodon der mRNA abgleicht. Dies ist jedoch in einem einstufigen Mechanismus schwierig zu erreichen. Denn wenn das Enzym fälschlicherweise an die falsche tRNA bindet, kann es sich bei der Erkennung nicht allein auf die Energieübereinstimmung verlassen.Der Schlüssel zur kinetischen Korrektur liegt in der Zufuhr von Energie, um sicherzustellen, dass die Schritte irreversibel sind und dadurch die Spezifität der Eintritts- und Austrittswege erhöht wird.
Die Lösung für diesen Fehler ist die kinetische Korrektur, ein Mechanismus, der die Spezifität verbessern kann, indem er durch Energiezufuhr einen irreversiblen Schritt in die Reaktion einführt.Mit der Einführung der Mehrfacherkennung ist es aufgrund der schrittweisen Reduzierung der Fehlerrate theoretisch möglich, die Spezifität zu verbessern.
Das Konzept der mehrstufigen Kette
Hopfield schlug außerdem eine einfache Methode zur Reduzierung der Fehlerrate durch eine mehrstufige Reaktionskette vor. Bei diesem Verfahren verbraucht jeder irreversible Schritt Energie und in jedem Schritt wird ein Vergleich durchgeführt. Kontinuierliche Schritte verstärken den Effekt des Vergleichs.Der Energieaufwand für diese sogenannte mehrstufige Kettenreaktion soll dafür sorgen, dass Ein- und Austrittswege weitgehend getrennt sind, sodass man sich bei der Beseitigung der falschen Substrate nicht auf einen auf Gleichgewicht basierenden Ansatz verlassen muss.Durch die zyklische Überprüfung durch unzählige irreversible Schritte, bei denen jeder Schritt Energie verbraucht, kann das Verhältnis von korrekten zu falschen Substraten erheblich erhöht werden.
Experimentelle Beispiele
Schauen wir uns einige konkrete experimentelle Beispiele an, bei denen das Prinzip der dynamischen Korrektur zum Einsatz kommt:Die Aminosäuresynthetase, die tRNA auflädt, verbessert die Paarungsgenauigkeit von tRNA und Aminosäuren durch die Einführung energiereicher Zwischenprodukte.
Bei der homologen Rekombination geht es um die Rekrutierung des RecA-Proteins und seine Suche nach kompatiblen DNA-Sequenzen, ein Prozess, bei dem auch eine kinetische Korrektur zum Einsatz kommt.
Während des DNA-Reparaturprozesses können spezifische DNA-Polymerasen falsche Basen erkennen und schnell hydrolysieren, um Korrekturen vorzunehmen.
T-Zell-Rezeptoren verwenden eine kinetische Kalibrierung, um Antigene mit hoher und niedriger Affinität zu erkennen, und es werden mehrere Phosphorylierungsschritte verwendet, um die Erkennungsgenauigkeit zu verbessern.
Theoretische Überlegungen
Bei diesen biochemischen Prozessen, bei denen kinetische Korrekturen zur Verbesserung der Spezifität ausgenutzt werden, wurde beobachtet, dass die Reaktionszeiten eine kosmisch anmutende exponentielle Form aufweisen. Diese exponentielle Abschlusszeit lässt darauf schließen, dass die kinetische Korrektur einer der wenigen biochemischen Prozesse ist, der die strukturelle Komplexität ausnutzt, um die Komplexität groß angelegter Prozesse zu reduzieren.Es lässt jedoch auch darauf schließen, dass das Verständnis der Beziehung zwischen Struktur und Funktion in komplexen molekularen Netzwerken tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der grundlegenden Funktionsweise des Lebens haben wird.Mit zunehmender Anzahl von Reorganisationspfaden erhöhen sich die Auswirkungen auf die Spezifität, und die Netzwerktopologie wird zwangsläufig einen erheblichen Einfluss darauf haben.
Wenn wir die Funktionsweise dieser biochemischen Mechanismen betrachten, fragen wir uns unweigerlich, welche tiefgreifenden Auswirkungen diese kleinen Veränderungen auf die Evolution des Lebens haben könnten.
