Language
Country/Area
No result found
Một thay đổi nhỏ, tác động lớn: Làm thế nào để cải thiện khả năng tập trung thông qua năng lượng?
Trong các phản ứng sinh hóa, sửa lỗi là cơ chế quan trọng để đảm bảo độ chính xác của phản ứng. Cơ chế này có thể thực hiện được nhờ khái niệm "hiệu chỉnh động học", một thuật ngữ được John Hopfield và Jacques Ninho đặt ra lần đầu tiên vào những năm 1970. Bài viết này sẽ khám phá sâu hơn các nguyên tắc của hiệu chỉnh động học và cách nó có thể tăng cường tính đặc thù của sinh vật thông qua việc đưa năng lượng vào, qua đó thay đổi hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của sự sống.
Hiệu chỉnh động học là một cơ chế cho phép các enzyme phân biệt giữa các con đường phản ứng đúng và sai, do đó cải thiện độ chính xác của chúng vượt ra ngoài các dự đoán chỉ dựa vào sự khác biệt về năng lượng tự do.
Nguyên lý cơ bản của hiệu chỉnh động
Hiệu chỉnh động học có thể cải thiện tính đặc hiệu của sản phẩm chính xác đã được lựa chọn bằng cách đưa vào một bước không thể đảo ngược giúp chất trung gian phản ứng sai dễ dàng thoát khỏi đường phản ứng sớm hơn. Ví dụ, nếu dây chuyền sản xuất đôi khi sản xuất ra hộp rỗng và chúng ta không thể nâng cấp dây chuyền, chúng ta có thể tăng tỷ lệ hộp đầy so với hộp rỗng bằng cách đặt quạt ở cuối dây chuyền. Chúng ta có thể đạt được mức độ đặc hiệu này vì các hộp rỗng có khả năng bị thổi bay cao hơn.Trong các phân tử sinh học, hiệu chỉnh động học có thể cải thiện đáng kể tính đặc hiệu giữa các con đường phản ứng khác nhau, đặc biệt là trong quá trình tổng hợp protein. Vì sự khác biệt giữa các trình tự gen lỗi là rất nhỏ nên không thể đạt được độ chính xác cao như vậy nếu chỉ dựa vào sự khác biệt về năng lượng để nhận dạng. Nghịch lý đặc hiệu trong tổng hợp protein Hopfield chỉ ra rằng tỷ lệ lỗi trong quá trình tổng hợp protein là khoảng 10^(-4). Điều này có nghĩa là khi ribosome ghép anticodon của tRNA với codon của mRNA thì hầu như toàn bộ sự ghép cặp đều chính xác. Tuy nhiên, điều này khó có thể đạt được bằng cơ chế một bước. Bởi vì nếu enzyme vô tình liên kết với tRNA sai, nó sẽ không thể chỉ dựa vào sự phù hợp năng lượng để nhận ra nó.Chìa khóa của quá trình hiệu chỉnh động học là đưa năng lượng vào để đảm bảo các bước không thể đảo ngược, do đó làm tăng tính đặc hiệu của các đường dẫn vào và ra.
Giải pháp cho lỗi này là hiệu chỉnh động học, một cơ chế có thể cải thiện tính đặc hiệu bằng cách đưa vào một bước không thể đảo ngược trong phản ứng thông qua đầu vào năng lượng.Với việc đưa vào sử dụng phương pháp phát hiện nhiều lần, tỷ lệ lỗi giảm dần giúp cải thiện tính đặc hiệu về mặt lý thuyết.
Khái niệm về chuỗi nhiều bước
Hopfield cũng đề xuất một phương pháp đơn giản để giảm tỷ lệ lỗi thông qua chuỗi phản ứng nhiều bước. Trong quá trình này, mỗi bước không thể đảo ngược đều tiêu thụ năng lượng và một phép so sánh được thực hiện ở mỗi bước. Các bước liên tục làm tăng hiệu quả của phép so sánh.Năng lượng cần thiết cho cái gọi là phản ứng dây chuyền nhiều bước này là để đảm bảo rằng các đường vào và ra phần lớn tách biệt, do đó loại bỏ nhu cầu phải dựa vào phương pháp dựa trên sự cân bằng để loại bỏ các chất nền không mong muốn.Bằng cách kiểm tra theo chu kỳ qua vô số bước không thể đảo ngược, tiêu thụ năng lượng ở mỗi bước, tỷ lệ giữa các chất nền đúng và không đúng có thể được tăng lên đáng kể.
Ví dụ thực nghiệm
Hãy cùng xem xét một số ví dụ thực nghiệm cụ thể sử dụng nguyên lý hiệu chỉnh động:Amino acid synthetase nạp tRNA giúp cải thiện độ chính xác khi ghép nối tRNA và amino acid bằng cách đưa vào các chất trung gian năng lượng cao.
Sự tái tổ hợp tương đồng liên quan đến việc tuyển dụng protein RecA và tìm kiếm trình tự DNA tương thích, một quá trình cũng sử dụng hiệu chỉnh động học.
Trong quá trình sửa chữa DNA, các DNA polymerase cụ thể có thể phát hiện và thủy phân nhanh các bazơ không chính xác để thực hiện sửa chữa.
Các thụ thể tế bào T sử dụng hiệu chuẩn động học để nhận biết các kháng nguyên có ái lực cao và thấp, và nhiều bước phosphoryl hóa được sử dụng để tăng cường độ chính xác của nhận dạng.
Những cân nhắc về mặt lý thuyết
Các quá trình sinh hóa khai thác các hiệu chỉnh động học để tăng cường tính đặc hiệu này đã được quan sát thấy có hình dạng mũ giống như vũ trụ trong thời gian phản ứng. Thời gian hoàn thành theo cấp số nhân này cho thấy rằng hiệu chỉnh động học là một trong số ít các quá trình sinh hóa khai thác sự phức tạp về cấu trúc để giảm độ phức tạp của các quá trình quy mô lớn.Tuy nhiên, nó cũng cho thấy rằng việc hiểu được mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng trong các mạng lưới phân tử phức tạp sẽ có tác động sâu sắc đến sự hiểu biết của chúng ta về hoạt động cốt lõi của sự sống.Khi số lượng đường dẫn tổ chức lại tăng lên, tác động đến tính đặc thù cũng tăng lên và cấu trúc mạng chắc chắn sẽ có tác động đáng kể đến nó.
Khi chúng ta xem xét hoạt động bên trong của các cơ chế sinh hóa này, chúng ta không khỏi tự hỏi những thay đổi nhỏ này có thể có tác động sâu sắc như thế nào đến quá trình tiến hóa của sự sống.
