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Uma pequena mudança, um grande impacto: como melhorar o foco por meio da energia?
Em reações bioquímicas, a correção de erros é um mecanismo crucial para garantir a precisão da reação. Esse mecanismo é possível graças ao conceito de "correção cinética", termo cunhado pela primeira vez por John Hopfield e Jacques Ninho na década de 1970. Este artigo explorará em profundidade os princípios da correção cinética e como ela pode aumentar a especificidade dos organismos por meio da introdução de energia, mudando assim nossa compreensão de como a vida funciona.
A correção cinética é um mecanismo que permite que as enzimas discriminem entre vias de reação corretas e incorretas, melhorando assim sua precisão além das previsões que dependem apenas de diferenças de energia livre.
Princípios básicos da correção dinâmica
A correção cinética pode melhorar a especificidade do produto correto que foi selecionado introduzindo uma etapa irreversível que torna mais fácil para o intermediário de reação errôneo sair prematuramente do caminho da reação. Por exemplo, se uma linha de produção às vezes produz caixas vazias e não podemos atualizá-la, podemos aumentar a proporção de caixas cheias para caixas vazias colocando ventiladores no final da linha. Podemos alcançar esse aumento na especificidade porque caixas vazias têm maior chance de serem levadas pelo vento.Em biomoléculas, a correção cinética pode melhorar muito a especificidade entre diferentes vias de reação, especialmente durante a síntese de proteínas. Como as diferenças entre as sequências dos genes defeituosos são mínimas, é impossível atingir uma precisão tão alta confiando apenas nas diferenças de energia para identificação. O paradoxo da especificidade na síntese de proteínas Hopfield destacou que a taxa de erro na síntese de proteínas é de cerca de 10^(-4). Isso significa que quando o ribossomo combina o anticódon do tRNA com o códon do mRNA, quase todo o pareamento está correto. No entanto, isso é difícil de conseguir em um mecanismo de etapa única. Porque se a enzima se ligar erroneamente ao tRNA errado, ela não poderá confiar apenas na correspondência energética para reconhecê-lo.A chave para a correção cinética é introduzir energia para garantir que as etapas sejam irreversíveis, aumentando assim a especificidade das vias de entrada e saída.
A solução para esse erro é a correção cinética, um mecanismo que pode melhorar a especificidade introduzindo uma etapa irreversível na reação por meio de entrada de energia.Com a introdução da detecção múltipla, a redução gradual na taxa de erro torna teoricamente viável melhorar a especificidade.
O conceito de cadeia multietapas
Hopfield também propôs um método simples para reduzir a taxa de erro por meio de uma cadeia de reações de várias etapas. Neste processo, cada passo irreversível consome energia, e uma comparação é realizada em cada passo. Passos contínuos aumentam o efeito da comparação.A energia necessária para essa chamada reação em cadeia de múltiplas etapas é garantir que as vias de entrada e saída sejam amplamente separadas, eliminando assim a necessidade de depender de uma abordagem baseada no equilíbrio para se livrar dos substratos errados.Ao verificar ciclicamente inúmeras etapas irreversíveis, consumindo energia em cada etapa, a proporção de substratos corretos para substratos incorretos pode ser substancialmente aumentada.
Exemplos experimentais
Vejamos alguns exemplos experimentais específicos que usam o princípio da correção dinâmica:A aminoácido sintetase que carrega o tRNA melhora a precisão do pareamento do tRNA e dos aminoácidos ao introduzir intermediários de alta energia.
A recombinação homóloga envolve o recrutamento da proteína RecA e sua busca por sequências de DNA compatíveis, um processo que também emprega correção cinética.
Durante o processo de reparo do DNA, DNA polimerases específicas podem detectar e hidrolisar rapidamente bases incorretas para fazer correções.
Os receptores de células T usam calibração cinética para reconhecer antígenos de alta e baixa afinidade, e múltiplas etapas de fosforilação são usadas para aumentar a precisão do reconhecimento.
Considerações teóricas
Foi observado que esses processos bioquímicos que exploram correções cinéticas para aumentar a especificidade exibem uma forma exponencial semelhante à cósmica em tempos de reação. Esse tempo de conclusão exponencial sugere que a correção cinética é um dos poucos processos bioquímicos que explora a complexidade estrutural para reduzir a complexidade de processos em larga escala.No entanto, também sugere que compreender a relação entre estrutura e função em redes moleculares complexas terá um impacto profundo em nossa compreensão do funcionamento central da vida.À medida que o número de caminhos de reorganização aumenta, o impacto na especificidade aumenta, e a topologia da rede inevitavelmente terá um impacto significativo sobre ela.
Quando consideramos o funcionamento interno desses mecanismos bioquímicos, não podemos deixar de nos perguntar que efeitos profundos essas pequenas mudanças podem ter na evolução da vida.
