Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Конформационная корректура или конформационный отбор - это общий механизм систем молекулярного распознавания , в котором введение структурного несоответствия между молекулярным распознавателем и его мишенью или энергетическим барьером повышает специфичность и качество распознавания. [1] [2] [3] [4] [5] [6] Проверка соответствия не требует расхода энергии и поэтому может использоваться в любой молекулярной системе распознавания. Соответствующая корректура особенно полезна в сценариях, когда распознаватель должен выбрать подходящую цель среди множества похожих конкурентов.

Баланс правильной и неправильной привязки [ править ]

Молекулярное распознавание происходит в шумной, переполненной биологической среде, и распознавателю часто приходится решать задачу выбора своей цели среди множества похожих конкурентов. Например, рибосома должна выбрать правильную тРНК, которая соответствует кодону мРНК среди многих структурно подобных тРНК. Если распознаватель и его правильная цель полностью совпадают, как замок и ключ , то вероятность связывания будет высокой, поскольку при связывании деформации не требуется. В то же время распознаватель может с большой вероятностью связываться с конкурентом с аналогичной структурой. Введение структурного несоответствиямежду распознавателем (блокировкой) и ключом снижает вероятность привязки к правильной цели, но еще больше снижает вероятность привязки к аналогичной неправильной цели и, таким образом, улучшает специфичность. Тем не менее, слишком большая деформация резко снижает вероятность привязки к правильной цели. Следовательно, оптимальный баланс между максимизацией вероятности правильного связывания и минимизацией вероятности неправильного связывания достигается, когда распознаватель немного отклоняется от цели . Это указывает на то, что конформационные изменения во время процессов молекулярного распознавания, такие как механизм индуцированной подгонки [7] , полезны для повышения специфичности распознавания.

В конформационной корректуре введение структурного несоответствия или энергетического барьера между молекулярным распознавателем и его целью или энергетического барьера повышает специфичность и качество распознавания. Увеличение может достигать нескольких порядков.
Конформационная корректура в гомологичной рекомбинации . Вверху : вероятность связывания с гомологичными (правильными) и негомологичными (неправильными) последовательностями ДНК уменьшается с увеличением энергетического барьера деформации. Вероятность неправильного связывания уменьшается перед правильным. Внизу : В результате Фитнес, который представляет собой разницу, Фитнес = Вероятность (Правильно) - Вероятность (Неправильно), является максимальным при ненулевой энергии деформации. Этот барьер является оптимальным в том смысле, что он значительно снижает вероятность связывания, сохраняя при этом примерно одинаковую вероятность правильного связывания. Биохимические измерения рекомбинации, индуцированной RecA, позволяют предположить, что наблюдаемая деформация почти оптимальна. [3] [4]

Использование гомологичной рекомбинации для поиска гомологии [ править ]

Механизм конформационной проверки используется в системе гомологичной рекомбинации для различения сходных последовательностей ДНК. [3] [4] Гомологичная рекомбинация облегчает обмен генетическим материалом между гомологичными молекулами ДНК. Этот важный процесс требует обнаружения конкретной гомологичной последовательности ДНК в огромном разнообразии гетерологичных последовательностей. Обнаружение опосредовано RecAв E. coli или членами ее надсемейства в других организмах. RecA сначала полимеризуется вдоль участка одноцепочечной ДНК, а затем эта нить белок-ДНК ищет гомологию вдоль двухцепочечной ДНК. В филаменте RecA-ДНК расстояние между основаниями значительно увеличивается по сравнению с голыми 3,4 Å в двуните (в среднем на 50% [8] ). Это устанавливает значительный энергетический барьер.при поиске, поскольку двухцепочечная ДНК должна растягиваться на ту же величину, чтобы проверить гомологию. Сформулировав процесс распознавания ДНК как проблему обнаружения сигнала, было показано, что экспериментально наблюдаемая RecA-индуцированная деформация ДНК и энергия связывания точно настроены для обеспечения оптимального обнаружения последовательности. Степень деформации такова, что связывание с гомологичными последовательностями ДНК уменьшается лишь незначительно, а связывание с неправильными последовательностями значительно уменьшается. Это как раз и есть механизм конформационной корректуры.

Экспериментальные доказательства конформационной корректуры путем гомологичной рекомбинации [ править ]

Группа К. Деккера (Делфтский университет) непосредственно исследовала взаимодействия, участвующие в поиске гомологии, комбинируя магнитный и оптический пинцет. [9] Они обнаружили, что поиск и распознавание гомологии требует открытия спирали и, следовательно, может быть ускорен за счет раскручивания ДНК. Это как раз тот энергетический барьер, который предсказывает модель конформационной корректуры. Эти данные указывают на физическую картину распознавания гомологии, в которой точность процесса поиска определяется расстоянием между сайтами связывания ДНК. Авторы приходят к выводу, что их интерпретация измерений «сродни конформационной корректуре.схема ... где дцДНК, а не нить RecA, является активной, распознающей поисковой сущностью. Между связанными с мишенью и несвязанными состояниями дцДНК существует большое конформационное несоответствие. Доступ к связанному с мишенью состоянию осуществляется через энергетически невыгодные промежуточные состояния, как обсуждалось выше. Конформационное несоответствие улучшает селективность реакции распознавания ». Другими словами, они идентифицировали энергетический барьер и показали, что действительно двухцепочечная ДНК является активным участником, поскольку она должна преодолеть этот барьер.

Использование рибосомой для декодирования тРНК [ править ]

Рибосома представляет собой сложную молекулярную машину , что для того , чтобы синтезировать белки в процессе перевода процесса, должен декодировать мРНК путем сопряжения их кодонов с соответствующими тРНК. Декодирование является основным фактором приспособленности и требует точного и быстрого выбора правильных тРНК среди множества аналогичных конкурентов. Следует иметь в виду, что большинство событий связывания происходят из-за несовпадающих («несоответствующих») тРНК, и рибосома должна отвергать их как можно быстрее, чтобы освободить сайт связывания. В то же время рибосома должна удерживать соответствующие тРНК связанными достаточно времени, чтобы позволить процессу синтеза белка последовать. Несмотря на важность декодирования тРНК, до недавнего времени было неясно, являются ли современные рибосомы и, в частности, ее большие конформационные изменения во время декодирования результатом адаптации к ее задаче в качестве декодера или результатом других ограничений. Недавнее исследование [5]получили энергетический ландшафт, который обеспечивает оптимальное различение конкурирующих субстратов тРНК и, таким образом, оптимальное декодирование тРНК. Оптимальный ландшафт - симметричный (см. Изображение). Исследование показывает, что измеренный ландшафт прокариотической рибосомы действительно симметричен . Эта модель предполагает, что конформационные изменения рибосомы и тРНК во время декодирования являются средством для получения такого оптимального декодера тРНК. Тот факт, что и гомологичная рекомбинация, и декодирование тРНК используют конформационное вычитывание, предполагает, что это общий механизм, который может широко использоваться системами молекулярного распознавания.

Рибосома использует конформационную корректуру для декодирования тРНК . главный: Кривые показывают ландшафт свободной энергии распознавания кодонов, как предполагают эксперименты. На стадиях, которые чувствительны к идентичности кодонов, пути правильной (зеленый) и неправильной (красный) тРНК расщепляются. Многоступенчатая кинетика включает: Начальное связывание и распознавание кодонов: комплекс фактора элонгации (EF-Tu) и аминоацил-тРНК связывается с рибосомой. Кодон распознается путем спаривания с антикодоном и дополнительного взаимодействия с «центром декодирования» рибосомы. В результате правильные (родственные) тРНК более стабильны, чем неродственные. Активация и гидролиз GTP: распознавание кодонов приводит к глобальным конформационным изменениям рибосомы и тРНК, которые различаются для родственных и некоренных тРНК и влияют на активацию и гидролиз GTP с помощью EF-Tu.Модель конформационной корректуры объясняет эти конформационные изменения как средство улучшения распознавания тРНК. вставка : симметричный адаптированный ландшафт подразумевает, что соотношение прямых и обратных скоростей инвертировано между правильным и неправильным энергетическим ландшафтом. [5]

В других биологических системах [ править ]

Восстановление человеческих повреждений УФ-излучением [ править ]

Недавнее исследование показывает, что конформационная корректура используется механизмами репарации ДНК человека. [10] Исследование было сосредоточено на вопросе о том, как белки репарации ДНК сканируют геном человека на предмет УФ- индуцированных повреждений на начальном этапе эксцизионной репарации нуклеотидов (NER). Подробные измерения одиночных молекул показали, как человеческий ДНК-связывающий белок (UV-DDB), поврежденный УФ-излучением, выполняет трехмерный поиск. Авторы обнаруживают, что «UV-DDB исследует сайты на ДНК дискретными шагами перед образованием долгоживущих, неподвижных димеров UV-DDB ( DDB1 - DDB2 ) 2.в местах повреждения. Анализ скоростей диссоциации переходных связывающих молекул как на неповрежденной, так и на поврежденной ДНК показывает многократное время пребывания более трех порядков ... Считается, что эти промежуточные состояния представляют собой дискретные УФ-DDB конформеры на пути к стабильному обнаружению повреждений ». Авторы делают вывод из своих подробных кинетических измерений, что UV-DDB распознает поражения, используя механизм проверки конформации через несколько промежуточных продуктов.

Другие схемы распознавания [ править ]

Отношение к кинетической корректуре [ править ]

В схеме кинетической корректуры [11] [12] вводится временная задержка (то есть необратимый промежуточный этап) при формировании правильных или неправильных комплексов. Эта временная задержка снижает скорость продуцирования обоих комплексов, но повышает точность за пределами равновесного предела. Необратимость схемы требует источника энергии. Задержка при кинетической корректуре аналогична пространственной разнице при конформационной корректуре. Однако конформационная корректура может быть равновесной схемой, не потребляющей энергии.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Савир Y & Тлустой Т (2007). Скалас, Энрико (ред.). «Конформационная корректура: влияние конформационных изменений на специфику молекулярного распознавания» . PLOS ONE . 2 (5): e468. Bibcode : 2007PLoSO ... 2..468S . DOI : 10.1371 / journal.pone.0000468 . PMC  1868595 . PMID  17520027 .
  2. ^ Savir Y, Тлустой T (2008). «Оптимальный дизайн молекулярного распознавателя: молекулярное распознавание как проблема обнаружения байесовского сигнала». Процесс передачи сигналов тем IEEE J Sel . 2 (3): 390–399. arXiv : 1007,4527 . Bibcode : 2008ISTSP ... 2..390S . DOI : 10.1109 / JSTSP.2008.923859 . S2CID 7210763 . 
  3. ^ a b c Савир Y, Tlusty T (2010). «RecA-опосредованный поиск гомологии как почти оптимальная система обнаружения сигналов». Молекулярная клетка . 40 (3): 388–96. arXiv : 1011.4382 . DOI : 10.1016 / j.molcel.2010.10.020 . PMID 21070965 . S2CID 1682936 .  
  4. ^ a b c Рэмбо RP, Уильямс GJ, Тайнер JA (2010). «Достижение точности гомологической рекомбинации, несмотря на чрезвычайную сложность: обоснованные решения путем молекулярного профилирования» . Молекулярная клетка . 40 (3): 347–48. DOI : 10.1016 / j.molcel.2010.10.032 . PMC 3003302 . PMID 21070960 .  
  5. ^ a b c Савир, Йонатан; Тлусты, Цви (11 апреля, 2013). «Рибосома как оптимальный декодер: урок молекулярного распознавания» . Cell . 153 (2): 471–9. Bibcode : 2013APS..MARY46006T . DOI : 10.1016 / j.cell.2013.03.032 . PMID 23582332 . 
  6. Перейти ↑ Alon U (2008). «Журнал-клуб». Природа . 453 (7196): 701. Bibcode : 2008Natur.453..701A . DOI : 10.1038 / 453701e . S2CID 29639642 . 
  7. ^ Кошланда, DE (1958). «Применение теории специфичности ферментов к синтезу белков» . Proc Natl Acad Sci USA . 44 (2): 98–104. Bibcode : 1958PNAS ... 44 ... 98K . DOI : 10.1073 / pnas.44.2.98 . PMC 335371 . PMID 16590179 .  
  8. ^ Chen Z, Ян H, Pavletich NP (2008). «Механизм гомологичной рекомбинации из структур RecA-ssDNA / dsDNA». Природа . 453 (7194): 489–4. Bibcode : 2008Natur.453..489C . DOI : 10,1038 / природа06971 . PMID 18497818 . S2CID 4416531 .  
  9. ^ Де Vlaminck Я, ван Loenhout МТ, Цвайфель л, ден Бланкен Дж, Hooning К, Хейдж S, Kerssemakers J, Деккер С (2012). «Механизм распознавания гомологии в рекомбинации ДНК из экспериментов с двумя молекулами» . Молекулярная клетка . 46 (5): 616–624. DOI : 10.1016 / j.molcel.2012.03.029 . PMID 22560720 . 
  10. ^ Ghodke Н, Ван Н, CL Се, Woldemeskel S, Воткинс СК, Rapić-Otrin В, Ван Хаутен Б (6 мая, 2014). «Одномолекулярный анализ показывает, что человеческий ДНК-связывающий белок (УФ-DDB), поврежденный УФ-излучением, димеризуется на ДНК через несколько кинетических промежуточных продуктов» . Proc Natl Acad Sci USA . 111 (18): 1862–71. Bibcode : 2014PNAS..111E1862G . DOI : 10.1073 / pnas.1323856111 . PMC 4020048 . PMID 24760829 .  
  11. ^ Хопфилд JJ (1974). «Кинетическая корректура: новый механизм уменьшения ошибок в биосинтетических процессах, требующих высокой специфичности» . Proc Natl Acad Sci USA . 71 (10): 4135–4139. Bibcode : 1974PNAS ... 71.4135H . DOI : 10.1073 / pnas.71.10.4135 . PMC 434344 . PMID 4530290 .  
  12. ^ Ninio J (1975). «Кинетическое усиление дискриминации ферментов Biochimie». Биохимия . 57 (5): 587–595. DOI : 10.1016 / S0300-9084 (75) 80139-8 . PMID 1182215 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Статьи по Теме