Kineettinen korjaus

Kineettinen korjaaminen (tai kineettinen monistus ) on mekanismi, jolla vähennetään virhetiheyttä biokemiallisen reaktion . John Hopfield (1974) ja Jacques Ninio (1975) ehdottivat sitä itsenäisesti . Kineettinen korjaus antaa entsyymien erottaa kaksi reaktioreittiä, jotka johtavat erilaisiin tuotteisiin, suuremmalla tarkkuudella kuin mitä voidaan ennustaa yksinkertaisesti näiden kahden reitin välisen aktivointienergian eron perusteella.

Tällainen spesifisyyden kasvu saavutetaan ottamalla käyttöön peruuttamaton vaihe, jonka avulla reaktio voidaan lopettaa. Jos virheellisiin tuotteisiin johtavat reaktion välituotteet poistuvat todennäköisemmin ennenaikaisesti kuin ne, jotka johtavat oikeaan tuotteeseen. Jos poistumisvaihe on nopea verrattuna radan seuraavaan vaiheeseen (jättäen siten merkittävän mahdollisuuden poistumiselle), spesifisyyttä voidaan siten lisätä kertoimella, joka on enintään kahden nopeuden välinen suhde. Useita tällaisen vahvistuksen vaiheita voidaan yhdistää vielä tärkeämpiä spesifisyyksiä varten.

Spesifisyyden paradoksi

Aikana proteiinisynteesiä , virhesuhde on suuruusluokkaa 1 10000. Tämä tarkoittaa, että kun ribosomin vastaa antikodonit , että tRNA: iden kanssa kodonit ja mRNA: n , sekvenssit ovat lähes aina toisiaan täydentäviä. Hopfield huomautti, että eri kodonien samankaltaisuuden vuoksi niin alhainen virhesuhde ei ollut saavutettavissa yksivaiheisella mekanismilla. Ero vapaan energian hyvän ja pahan välillä kodonit on yksinkertaisesti liian pieni, jotta ribosomien saavuttaa tällaisia erityisyyttä.

Hyvän ja huonon kodonin sitoutumisenergian ero on suuruusluokkaa . Kone, joka testaa tätä ottelua tutkimalla yhdessä vaiheessa, ovatko kodoni ja antikodoni sitoutuneet, ei pystyisi saavuttamaan pienempää virhesuhdetta . Tämä teoreettinen raja voidaan kuitenkin voittaa ottamalla käyttöön peruuttamaton vaihe (joka vaatii energian osuutta), se on kineettisen korjauksen sydän. ${\ displaystyle 5k_ {b} T}$ ${\ displaystyle e ^ {- 5} \ simeq 10 ^ {- 2}}$

Monivaiheinen räikkä

Hopfield ehdotti yksinkertaista tapaa saavuttaa pienempi virhesuhde käyttämällä molekyyliräppää, joka vaatii monia peruuttamattomia vaiheita. Jokainen vaihe testaa siten, vastaavatko sekvenssit, mikä lisää spesifisyyttä energiankulutuksen kustannuksella.

Energiansyöttö räikkäen jokaisessa vaiheessa on välttämätöntä, jotta vaiheista saadaan peruuttamattomia. mikä mahdollistaa spesifisyyden lisäämisen. On myös tärkeää, että substraatti tulee pääosin radan sisäänkäynnin kautta ja poistuu uloskäynnin kautta, tosiasiassa jos sisäänkäynti olisi tasapainossa, edelliset vaiheet muodostavat etutasapainon ja spesifisyyden kasvun johtuen kaistalle tulemisesta (vaihe, joka on vähemmän tehokas väärälle alustalle kuin oikealle) menetetään. Samoin jos vaihelähtö olisi tasapainossa, väärä substraatti kykenisi palaamaan polulle vaiheulostulon kautta, kumoten aikaisempien vaiheiden spesifisyyden.

Loppujen lopuksi erotteluvaihe antaa mahdollisuuden saada virhesuhde (eli virheellisesti tunnistetun reagenssin prosenttiosuus) . Kaksi vaihetta saavuttaa nopeuden , ja N vaihetta epäonnistuu keskimäärin vain kerran. Vapaan energian suhteen kyky erottaa N peräkkäistä vaihetta kahden tilan välillä, joiden vapaa energiaero on sama, vastaa yhtä vaihetta tiloilla, joiden energiaero on . ${\ displaystyle p = e ^ {- \ Delta F / kT}}$ $p ^ {2}$ ${\ displaystyle p ^ {N}}$ ${\ displaystyle \ Delta F}$ ${\ displaystyle N \ Delta F}$

Kokeellisia esimerkkejä

TRNA: iden liittyminen vastaaviin aminohappoihin - entsyymiä, joka lataa tRNA: ita, kutsutaan aminoasyyli-tRNA-syntetaasiksi . Tämä entsyymi käyttää korkean energian välituotetta tRNA-tripletin ja aminohapon välisen sitoutumisen uskollisuuden lisäämiseksi. Tässä tapauksessa energia kulutetaan korkean energian välituotteen saavuttamiseksi (mikä tekee tästä vaiheesta peruuttamattoman), ja poistumisvaihe on peruuttamaton dissosiaation suuren energian ansiosta.
Homologinen rekombinaatio - Homologinen rekombinaatio helpottaa DNA: n vaihtoa homologisten tai quai-homologisten säikeiden välillä. Tämän prosessin aikana RecA-proteiini polymeroituu pitkin DNA: ta ja muodostaa filamentin, joka etsii homologista DNA-sekvenssiä. Sekä RecA-polymerointi että homologian hakuprosessit sisältävät kineettisen korjauksen.
DNA-vaurioiden tunnistaminen ja korjaaminen - Yksi DNA-korjausmekanismeista käyttää kineettistä korjausta vaurioituneiden osien tunnistamiseen. Jotkut DNA-polymeraasit voivat myös havaita väärän emäksen lisäämisen ja pystyvät hydrolysoimaan sen välittömästi; tässä tapauksessa peruuttamaton vaihe on tämän emäksen lisääminen.
Saatu immuunivaste - Vuonna 1995 McKeithan ehdotti immuunivasteen korkean spesifisyyden selittämistä uudena esimerkkinä kineettisestä korjauksesta.Vaikka tästä selityksestä keskustellaan edelleen paljon tänään, kineettisen korjauksen mekanismi on edelleen kohtuullinen perusta selittää immuunivaste.

Tapaustutkimus

Oikeanpuoleisen kuvan esimerkissä on abstrakti ongelma, jossa kineettinen korjausmekanismi voidaan toteuttaa. Reaktion tarkoituksena on muuttaa keltaiset helmet ( ) punaisiksi helmiksi ( ), jos niiden dissosiaatiovakio reseptorin ( ) kanssa on pieni (ts. Ne pysyvät kiinnittyneinä pitkään). Yksivaiheinen mekanismi (A) antaa mahdollisuuden tuottaa punaisia helmiä tuotantonopeudella: ${\ displaystyle B_ {J}}$ $B_ {R}$ $R$

{\ displaystyle d_ {t} B_ {R} = k_ {x} {\ frac {k_ {1}} {k _ {- 1} + k_ {x}}} B_ {J} R}

kun taas kineettinen korjausmekanismi (B) tuottaa tuotantonopeuden:

{\ displaystyle d_ {t} B_ {R} = k_ {x} {\ frac {k_ {1}} {k _ {- 1} + k_ {2}}} {\ frac {k_ {2}} {k_ {-1} + k_ {x}}} B_ {J} R}

Tämän mekanismin avulla voidaan siten kertoa vakion modifikaation vaikutus ja siten tehdä järjestelmästä paljon herkempi tämän parametrin vaihtelulle. ${\ displaystyle k _ {- 1}}$

Huomaa tästä yksinkertaisesta esimerkistä, että korjausvaiheen peruuttamattomaksi tekemiseen tarvittavan energiankulutuksen lisäksi kineettisen korjauksen toinen luonnollinen vika on tehokkuuden lasku. Punaisen pallon tuotanto on esimerkissämme aina pienempi tapaus (A) kuin tapaus (B). Jos reaktio on spesifisempi, se on myös hitaampaa ja kalliimpaa energian suhteen.

Konkreettisen esimerkin ottamiseksi keltainen helmi voisi edustaa antigeeniä, joka esitetään vasta-aineen reseptorille T-solun pinnalla.Tässä yhteydessä punaisen helmen, toisin sanoen d, erityisen voimakas sitoutuva antigeeni reseptori olisi signaali immuunireaktion laukaisemiseksi. Siksi on välttämätöntä pyrkiä tekemään tämä signaali niin voimakkaaksi kuin mahdollista, kun se on heikko, on mahdollisimman heikko, kun se sallii kineettisen korjauksen. ${\ displaystyle k _ {- 1} << 1}$ ${\ displaystyle k _ {- 1} >> 1}$

Teoreettiset näkökohdat

Yleinen ensimmäisen kierroksen aika

Biokemialliset prosessit, joissa käytetään kineettistä korjausta spesifisyyden parantamiseksi, toteuttavat viiveen monien erilaisten biokemiallisten verkkojen kautta. Monet näistä verkoista johtavat kuitenkin siihen, että koko prosessin viipymäaika lähestyy lähes universaalia eksponentiaalista muotoa (tunnetaan myös nimellä ensimmäinen läpimenoaika), kun korjaustoimenpiteiden määrä on suuri ja ristikko on suuri. Koska eksponentiaalinen läpimenoaika on ominaista kaksitilaiselle Markov-ketjulle , tämä havainto tekee kineettisestä korjauksesta yhden harvoista esimerkeistä biokemiallisista prosesseista, joissa rakenteellinen monimutkaisuus johtaa yksinkertaisempaan fenomenologiseen käyttäytymiseen suuressa mittakaavassa.

Kineettisen korjauksen topologia

Kineettisen korjausverkon spesifisyyden kasvu, joka voi sisältää monia reaktioita ja läsnä olevia silmukoita, liittyy läheisesti verkon topologiaan: spesifisyys kasvaa eksponentiaalisesti jälkimmäisen silmukoiden määrän kanssa. Esimerkki on homologinen rekombinaatio, jossa silmukoiden määrä kasvaa DNA: n pituuden neliönä. Yleinen siirtymäaika näkyy juuri tässä järjestelmässä, jossa on suuri määrä silmukoita, joilla on korkea vahvistumisnopeus.

Viitteet

(fr) Tämä artikkeli on osittain tai kokonaan peräisin englantilaisesta Wikipedia- artikkelista " Kinetic Proofreading " ( katso luettelo tekijöistä ) .

(in) JJ Hopfield, " Kineettinen oikoluku uuden mekanismin virheiden vähentämiseksi biosynteettisissä prosesseissa, jotka vaativat suurta spesifisyyttä " , Proc. Natl. Acad. Sci. USA , voi. 71, n ° 10,Lokakuu 1974, s. 4135-9 ( DOI 10,1073 / pnas.71.10.4135 , Bibcode 1974PNAS ... 71.4135H ).
(en) Ninio J, " Syrjinnän kineettisten entsyymien monistus " , Biochemistry , voi. 57, n o 5,1975, s. 587–95 ( DOI 10.1016 / S0300-9084 (75) 80139-8 ).
(in) Bialek W, biofysiikka, periaatteiden etsiminen , Princeton, Princeton University Press,2012, 640 Sivumäärä ( ISBN 978-0-691-13891-6 , lue verkossa )
(in) Guéron M " Entsyymien tehostettu selektiivisyys kineettisellä oikolukulla " , Am. Sci. , voi. 66, n ° 21978, s. 202-8 ( Bibcode 1978AmSci..66..202G ).
(in) " Suora kokeellinen näyttö kineettisestä oikoluvusta amino-tRNAIle: n asyloinnissa " , Proc. Natl. Acad. Sci. USA , voi. 73, n o 4,Huhtikuu 1976, s. 1164-8 ( DOI 10,1073 / pnas.73.4.1164 , Bibcode 1976PNAS ... 73.1164H ).
(in) " Proteiini-DNA-laskenta stokastisen kokoonpanoputken avulla " , Proc. Natl. Acad. Sci. USA , voi. 99, n ° 18,Syyskuu 2002, s. 11589-92 ( DOI 10,1073 / pnas.162369099 , Bibcode 2002PNAS ... 9911589B , arXiv 1008,0737 ).
(in) " High-Fidelity DNA sitova proteiini tuntemalla vaihtelut " , Phys. Ilm. Lett. , voi. 93, n ° 25,joulukuu 2004, s. 258103 ( DOI 10,1103 / PhysRevLett.93.258103 , Bibcode 2004PhRvL..93y8103T , arXiv 1008,0743 ).
(in) " RecA-katalysoidun rekombinaation korkea tarkkuus: geneettisen monimuotoisuuden vahtikoira " , Nucleic Acids Res. , voi. 34, n ° 18,2006, s. 5021–31 ( DOI 10.1093 / nar / gkl586 ).
(in) " Termodynaaminen ja kineettinen oikolukuyhteistyö DNA-vaurioiden tunnistamisessa ja korjaamisessa " , Cell Cycle , Voi. 3, n o 2Helmikuu 2004, s. 141–4 ( DOI 10.4161 / cc.3.2.645 ).
(in) Mckeithan, TW, " Kinetic proofreading in T-cell receptor signal transduction " , Proceedings of the National Academy of Sciences , voi. 92, n ° 11,1995, s. 5042-5046
(in) " Tavallisten monimutkaisten biokemiallisten prosessien valmistumisaikajakauman yksinkertaisuus " , Phys Biol , voi. 7, n o 1,maaliskuu 2010, s. 016003 ( DOI 10,1088 / 1478-3975 / 7/1/016003 , Bibcode 2010PhBio ... 7a6003B , arXiv 0904,1587 ).
(en) B Munsky, I Nemenman ja G Bel, “ Biokemiallisten prosessien spesifisyys ja valmistumisaikojen jakaumat ” , J. Chem. Phys. , voi. 131, n ° 23,joulukuu 2009, s. 235103 ( DOI 10.1063 / 1.3274803 )
(in) A Murugan, D ja S Huse Leibler, " Nopeus, hajoaminen ja virhe kineettisessä oikoluvussa " , Proc. Natl. Acad. Sci. USA , voi. 109, n ° 30,Heinäkuu 2012, s. 12034-9 ( DOI 10,1073 / pnas.1119911109 , Bibcode 2012PNAS..10912034M ).

Katso myös

(en) Alon U, Johdatus systeemibiologiaan: Biologisten piirien suunnitteluperiaatteet , Boca Raton, Chapman & Hall / CRC,2007, 320 Sivumäärä ( ISBN 978-1-58488-642-6 ja 1-58488-642-0 , lue verkossa )
(en) Bialek W, biofysiikka, periaatteiden etsiminen , Princeton, Princeton University Press,2012, 640 Sivumäärä ( ISBN 978-0-691-13891-6 , lue verkossa )
(en) Kersh EN, Shaw AS, Allen PM, Shaw ja Allen , “ T-solujen aktivoinnin tarkkuus monivaiheisten T-solureseptorien zeta-fosforylaation kautta ” , Science , voi. 281, n ° 5376,Heinäkuu 1998, s. 572-5 ( PMID 9677202 , DOI 10,1126 / science.281.5376.572 , Bibcode 1998Sci ... 281..572N )