Language
Country/Area
No result found
Маленькое изменение, большой эффект: как улучшить концентрацию с помощью энергии?
В биохимических реакциях исправление ошибок является важнейшим механизмом, обеспечивающим точность реакции. Этот механизм стал возможным благодаря концепции «кинетической коррекции» — термину, впервые введенному Джоном Хопфилдом и Жаком Ниньо в 1970-х годах. В этой статье будут подробно рассмотрены принципы кинетической коррекции и то, как она может повысить специфичность организмов посредством введения энергии, тем самым изменяя наше понимание того, как устроена жизнь.
Кинетическая коррекция — это механизм, который позволяет ферментам различать правильные и неправильные пути реакции, тем самым повышая их точность по сравнению с прогнозами, которые основаны исключительно на разнице свободной энергии.
Основные принципы динамической коррекции
Кинетическая коррекция может улучшить специфичность правильно выбранного продукта путем введения необратимого шага, который облегчает преждевременный выход ошибочного промежуточного продукта из реакционного пути. Например, если производственная линия иногда производит пустые коробки и мы не можем модернизировать линию, мы можем увеличить соотношение полных коробок к пустым, разместив вентиляторы в конце линии. Мы можем добиться такого повышения специфичности, поскольку пустые коробки имеют большую вероятность быть снесенными.В биомолекулах кинетическая коррекция может значительно улучшить специфичность между различными путями реакций, особенно во время синтеза белка. Поскольку различия между последовательностями дефектных генов минимальны, невозможно достичь столь высокой точности, полагаясь исключительно на энергетические различия при идентификации. Парадокс специфичности в синтезе белка Хопфилд отметил, что частота ошибок при синтезе белка составляет около 10^(-4). Это означает, что когда рибосома сопоставляет антикодон тРНК с кодоном мРНК, почти все пары являются правильными. Однако этого трудно достичь в одноступенчатом механизме. Потому что если фермент по ошибке связывается с неправильной тРНК, он не сможет полагаться только на соответствие энергии, чтобы распознать ее.Ключом кинетической коррекции является введение энергии, гарантирующей необратимость шагов, тем самым увеличивая специфичность путей входа и выхода.
Решением этой ошибки является кинетическая коррекция — механизм, который может улучшить специфичность путем введения необратимого этапа в реакцию посредством подвода энергии.С введением множественного обнаружения постепенное снижение частоты ошибок делает теоретически возможным повышение специфичности.
Концепция многоступенчатой цепи
Хопфилд также предложил простой метод снижения частоты ошибок с помощью многоступенчатой цепочки реакций. В этом процессе каждый необратимый шаг потребляет энергию, и на каждом шаге выполняется сравнение. Непрерывные шаги усиливают эффект сравнения.Энергия, необходимая для этой так называемой многоступенчатой цепной реакции, необходима для того, чтобы пути входа и выхода были в значительной степени разделены, тем самым устраняя необходимость полагаться на подход, основанный на балансе, для избавления от неправильных субстратов.Путем циклической проверки бесчисленных необратимых шагов, потребляя энергию на каждом шаге, можно существенно увеличить соотношение правильных субстратов к неправильным.
Экспериментальные примеры
Давайте рассмотрим некоторые конкретные экспериментальные примеры, использующие принцип динамической коррекции: <ул>Аминокислотная синтетаза, которая заряжает тРНК, повышает точность спаривания тРНК и аминокислот за счет введения высокоэнергетических промежуточных соединений.
Гомологичная рекомбинация включает в себя привлечение белка RecA и его поиск совместимых последовательностей ДНК, процесс, который также использует кинетическую коррекцию.
В процессе восстановления ДНК определенные ДНК-полимеразы могут обнаруживать и быстро гидролизовать неправильные основания, внося исправления.
Т-клеточные рецепторы используют кинетическую калибровку для распознавания антигенов с высоким и низким сродством, а для повышения точности распознавания используются множественные этапы фосфорилирования.
Теоретические соображения
Было обнаружено, что эти биохимические процессы, использующие кинетические поправки для повышения специфичности, демонстрируют космическую экспоненциальную форму во времени реакции. Это экспоненциальное время завершения предполагает, что кинетическая коррекция является одним из немногих биохимических процессов, который использует структурную сложность для уменьшения сложности крупномасштабных процессов.Однако это также предполагает, что понимание взаимосвязи между структурой и функцией в сложных молекулярных сетях окажет глубокое влияние на наше понимание основных механизмов жизни.По мере увеличения числа путей реорганизации увеличивается влияние на специфичность, и топология сети неизбежно будет оказывать на нее значительное влияние.
Когда мы рассматриваем внутреннюю работу этих биохимических механизмов, мы не можем не задаться вопросом, какое глубокое влияние эти небольшие изменения могут оказать на эволюцию жизни.
