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Articulo de referencia

Corrección de pruebas de conformación

La corrección conformacional o selección conformacional es un mecanismo general de los sistemas de reconocimiento molecular , propuesto por Yonatan Savir y Tsvi Tlusty, en el qu...

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La corrección conformacional o selección conformacional es un mecanismo general de los sistemas de reconocimiento molecular , propuesto por Yonatan Savir y Tsvi Tlusty, en el que la introducción de una barrera energética —como una discrepancia estructural entre un reconocedor molecular y su objetivo— mejora la especificidad y la calidad del reconocimiento. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] La corrección conformacional no requiere consumo de energía y, por lo tanto, puede utilizarse en cualquier sistema de reconocimiento molecular. La corrección conformacional es especialmente útil en escenarios donde el reconocedor debe seleccionar el objetivo apropiado entre muchos competidores similares. Las proteínas desarrollan la capacidad de corrección conformacional mediante el ajuste fino de su geometría, flexibilidad e interacciones químicas con el objetivo. [ 7 ]

Equilibrar la encuadernación correcta e incorrecta

El reconocimiento molecular tiene lugar en un entorno biológico ruidoso y saturado, y el reconocedor a menudo tiene que lidiar con la tarea de seleccionar su objetivo entre una variedad de competidores similares. Por ejemplo, el ribosoma tiene que seleccionar el ARNt correcto que coincida con el codón del ARNm entre muchos ARNt estructuralmente similares. Si el reconocedor y su objetivo correcto coinciden perfectamente como una cerradura y una llave , entonces la probabilidad de unión será alta, ya que no se requiere deformación al unirse. Al mismo tiempo, el reconocedor también podría unirse a un competidor con una estructura similar con alta probabilidad. Introducir una barrera de energía , en particular, una discrepancia estructural entre el reconocedor (cerradura) y la llave, reduce la probabilidad de unión al objetivo correcto, pero reduce aún más la probabilidad de unión a un objetivo incorrecto similar y, por lo tanto, mejora la especificidad. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 7 ] Sin embargo, introducir demasiada deformación reduce drásticamente la probabilidad de unión al objetivo correcto. Por lo tanto, el equilibrio óptimo entre maximizar la probabilidad de unión correcta y minimizar la probabilidad de unión incorrecta se logra cuando el reconocedor está ligeramente fuera del objetivo . Esto sugiere que los cambios conformacionales durante los procesos de reconocimiento molecular, como el mecanismo de ajuste inducido [ 8 ] , son ventajosos para mejorar la especificidad del reconocimiento. Dichos cambios conformacionales pueden ajustarse con precisión mediante mutaciones que afectan la respuesta mecánica del reconocedor, incluso en posiciones alejadas del sitio de unión. [ 7 ]

En la corrección de pruebas conformacionales, la introducción de una discrepancia estructural o una barrera energética entre un reconocedor molecular y su objetivo, o una barrera energética, mejora la especificidad y la calidad del reconocimiento. Esta mejora puede alcanzar varios órdenes de magnitud.
Corrección de errores conformacionales en la recombinación homóloga . Arriba : La probabilidad de unión a secuencias de ADN homólogas (correctas) y no homólogas (incorrectas) disminuye con la barrera de energía de deformación . La probabilidad de unión incorrecta disminuye antes que la correcta. Abajo : Como resultado, la aptitud , que es la diferencia, Aptitud = Prob(Correcta) − Prob(Incorrecta), es máxima con una energía de deformación distinta de cero. Esta barrera es óptima en el sentido de que reduce significativamente la probabilidad de unión manteniendo la probabilidad de unión correcta prácticamente igual. Las mediciones bioquímicas de la recombinación inducida por RecA sugieren que la deformación observada es casi óptima. [ 3 ] [ 4 ]

El mecanismo de corrección de errores conformacionales se utiliza en el sistema de recombinación homóloga para discernir entre secuencias de ADN similares. [ 3 ] [ 4 ] La recombinación homóloga facilita el intercambio de material genético entre moléculas de ADN homólogas. Este proceso crucial requiere la detección de una secuencia de ADN homóloga específica dentro de una gran variedad de secuencias heterólogas. La detección está mediada por RecA en E. coli, o miembros de su superfamilia en otros organismos. RecA primero se polimeriza a lo largo de un segmento de ADN monocatenario, y luego este filamento de proteína-ADN busca homología a lo largo del ADN bicatenario. En el filamento de RecA-ADN, la distancia entre bases aumenta significativamente con respecto a los 3,4 Å desnudos en la doble cadena (en un 50% en promedio [ 9 ] ). Esto establece una barrera energética significativa en la búsqueda, ya que el ADN bicatenario tiene que estirarse en la misma magnitud para verificar la homología. Al formular el proceso de reconocimiento de ADN como un problema de detección de señales, se demostró que la deformación del ADN inducida por RecA, observada experimentalmente, y la energética de la unión se ajustan con precisión para garantizar una detección óptima de la secuencia. La magnitud de la deformación es tal que la unión a secuencias de ADN homólogas disminuye solo ligeramente, mientras que la unión a secuencias incorrectas disminuye significativamente. Este es precisamente el mecanismo de corrección de errores conformacionales.

Evidencia experimental de corrección de errores conformacionales mediante recombinación homóloga.

El grupo de C. Dekker (Universidad de Delft) investigó directamente las interacciones involucradas en la búsqueda de homología mediante la combinación de pinzas magnéticas y ópticas . [ 10 ] Descubrieron que la búsqueda y el reconocimiento de homología requieren la apertura de la hélice y, por lo tanto, pueden acelerarse desenrollando el ADN. Esta es precisamente la barrera energética predicha por el modelo de corrección de errores conformacional. Los datos indican una imagen física para el reconocimiento de homología en la que la fidelidad del proceso de búsqueda está regida por la distancia entre los sitios de unión del ADN. Los autores concluyen que su interpretación de las mediciones "es similar a un esquema de corrección de errores conformacional ... donde el ADN bicatenario, y no el filamento RecA, es la entidad de búsqueda activa y de reconocimiento. Existe una gran discrepancia conformacional entre los estados del ADN bicatenario unido y no unido al objetivo. Se accede al estado unido al objetivo a través de estados intermedios energéticamente desfavorables, como se mencionó anteriormente. La discrepancia conformacional mejora la selectividad de la reacción de reconocimiento". En otras palabras, identificaron la barrera energética y demostraron que, efectivamente, el ADN de doble cadena es el participante activo, ya que tiene que superar dicha barrera.

Utilizado por el ribosoma para la decodificación del ARNt.

El ribosoma es una compleja máquina molecular que, para sintetizar proteínas durante el proceso de traducción , debe decodificar los ARNm emparejando sus codones con los ARNt correspondientes . La decodificación es un factor determinante de la aptitud y requiere una selección precisa y rápida de los ARNt correctos entre muchos competidores similares. Es importante tener en cuenta que la mayoría de las uniones se producen con ARNt no coincidentes ("no cognados"), y el ribosoma debe rechazarlos lo más rápido posible para liberar el sitio de unión. Al mismo tiempo, el ribosoma debe mantener unidos los ARNt coincidentes el tiempo suficiente para permitir que se produzca la síntesis de proteínas. A pesar de la importancia de la decodificación del ARNt, hasta hace poco no estaba claro si el ribosoma moderno, y en particular sus grandes cambios conformacionales durante la decodificación, eran el resultado de una adaptación a su función como decodificador o de otras limitaciones. Un estudio reciente [ 5 ] derivó el paisaje energético que proporciona una discriminación óptima entre sustratos de ARNt competidores y, por lo tanto, una decodificación óptima del ARNt. El paisaje óptimo es simétrico (véase la imagen). El estudio demuestra que el paisaje medido del ribosoma procariota es, en efecto, simétrico . Este modelo sugiere que los cambios conformacionales del ribosoma y del ARNt durante la decodificación son un medio para obtener un decodificador de ARNt óptimo. El hecho de que tanto la recombinación homóloga como la decodificación del ARNt utilicen la corrección de errores conformacionales sugiere que se trata de un mecanismo genérico que podría ser utilizado ampliamente por los sistemas de reconocimiento molecular.

El ribosoma utiliza la corrección de pruebas conformacional para la decodificación del ARNt . Principal : Las curvas muestran el paisaje de energía libre del reconocimiento del codón, como sugieren los experimentos. En las etapas sensibles a la identidad del codón, las vías de los ARNt correctos (verdes) e incorrectos (rojos) se separan. La cinética multietapa incluye: Unión inicial y reconocimiento del codón: un complejo del factor de elongación (EF-Tu) y aminoacil-ARNt se une al ribosoma. El codón se reconoce mediante el apareamiento con el anticodón y mediante una interacción adicional con el "centro de decodificación" del ribosoma. Como resultado, los ARNt correctos (cognados) son más estables que los no cognados. Activación e hidrólisis de GTP: el reconocimiento del codón conduce a cambios conformacionales globales del ribosoma y del ARNt, que son diferentes para los ARNt cognados o no cognados y afectan la activación e hidrólisis de GTP por EF-Tu. El modelo de corrección de pruebas conformacional explica estos cambios conformacionales como un medio para mejorar el reconocimiento del ARNt. recuadro : El paisaje adaptado simétrico implica que la relación de las tasas hacia adelante y hacia atrás se invierte entre los paisajes energéticos correctos e incorrectos. [ 5 ]

En otros sistemas biológicos

Reparación del daño causado por los rayos UV en humanos

Un estudio reciente muestra que los mecanismos de reparación del ADN humano utilizan la corrección de errores conformacionales. [ 11 ] La investigación se centró en cómo las proteínas de reparación del ADN exploran el genoma humano en busca de daños inducidos por UV durante el paso inicial de la reparación por escisión de nucleótidos (NER). Mediciones detalladas de moléculas individuales revelaron cómo la proteína humana de unión al ADN dañado por UV (UV-DDB) realiza una búsqueda 3D. Los autores descubrieron que "UV-DDB examina sitios en el ADN en pasos discretos antes de formar dímeros UV-DDB ( DDB1 - DDB2 ) 2 de larga duración y no móviles en los sitios de daño. El análisis de las tasas de disociación para las moléculas de unión transitorias tanto en ADN no dañado como dañado muestra múltiples tiempos de permanencia en tres órdenes de magnitud... Se cree que estos estados intermedios representan conformaciones UV-DDB discretas en la trayectoria hacia la detección estable del daño". Los autores concluyen, a partir de sus mediciones cinéticas detalladas, que UV-DDB reconoce lesiones utilizando un mecanismo de corrección de errores conformacionales a través de múltiples intermediarios.

Otros sistemas de reconocimiento

Relación con la corrección cinética

En el esquema de corrección cinética [ 12 ] [ 13 ] , se introduce un retardo temporal (o, equivalentemente, una etapa intermedia irreversible) durante la formación de los complejos correctos o incorrectos. Este retardo reduce las tasas de producción de ambos complejos, pero aumenta la fidelidad más allá del límite de equilibrio. La irreversibilidad del esquema requiere una fuente de energía. El retardo temporal en la corrección cinética es análogo a la diferencia espacial en la corrección conformacional. Sin embargo, la corrección conformacional puede ser un esquema de equilibrio que no consume energía.

Referencias

  1. 1 2 Savir Y, Tlusty T (mayo de 2007). Scalas E (ed.). "Corrección de pruebas conformacionales: el impacto de los cambios conformacionales en la especificidad del reconocimiento molecular" . PLOS ONE . 2 (5): e468. Bibcode : 2007PLoSO ...2..468S . doi : 10.1371/journal.pone.0000468 . PMC 1868595. PMID 17520027 .  
  2. 1 2 Savir Y, Tlusty T (2008). "Diseño óptimo de un reconocedor molecular : el reconocimiento molecular como un problema de detección de señales bayesianas". IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing . 2 (3): 390– 399. arXiv : 1007.4527 . Bibcode : 2008ISTSP...2..390S . doi : 10.1109/JSTSP.2008.923859 . S2CID 7210763 .  
  3. 1 2 3 4 Savir Y, Tlusty T (noviembre de 2010). "Búsqueda de homología mediada por RecA como un sistema de detección de señales casi óptimo". Molecular Cell . 40 (3): 388– 396. arXiv : 1011.4382 . doi : 10.1016/j.molcel.2010.10.020 . PMID 21070965. S2CID 1682936 .  
  4. 1 2 3 Rambo RP, Williams GJ, Tainer JA (noviembre de 2010). "Lograr fidelidad en la recombinación homóloga a pesar de la extrema complejidad: decisiones informadas mediante perfiles moleculares" . Molecular Cell . 40 (3): 347– 348. doi : 10.1016/j.molcel.2010.10.032 . PMC 3003302. PMID 21070960 .  
  5. 1 2 3 Savir Y, Tlusty T (abril de 2013). "El ribosoma como decodificador óptimo: una lección de reconocimiento molecular" . Cell . 153 (2): 471– 479. Bibcode : 2013APS..MARY46006T . doi : 10.1016/j.cell.2013.03.032 . PMID 23582332 . 
  6. ↑ Alon U (2008). "Journal Club" . Nature . 453 (7196): 701. Bibcode : 2008Natur.453..701A . doi : 10.1038/453701e . S2CID 29639642 . 
  7. 1 2 3 McBride JM, Eckmann JP, Tlusty T (noviembre de 2022). Echave J (ed.). "Teoría general de la unión específica: perspectivas desde un modelo genético-mecanoquímico de proteínas" . Biología molecular y evolución . 39 (11) msac217. doi : 10.1093/molbev/msac217 . PMC 9641994. PMID 36208205 .  
  8. ↑ Koshland DE (febrero de 1958). "Aplicación de una teoría de la especificidad enzimática a la síntesis de proteínas" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 44 (2): 98– 104. Bibcode : 1958PNAS...44...98K . doi : 10.1073/pnas.44.2.98 . PMC 335371. PMID 16590179 .  
  9. ↑ Chen Z, Yang H, Pavletich NP (mayo de 2008). "Mecanismo de recombinación homóloga a partir de las estructuras RecA-ssDNA/dsDNA". Nature . 453 ( 7194): 489– 484. Bibcode : 2008Natur.453..489C . doi : 10.1038/nature06971 . PMID 18497818. S2CID 4416531 .  
  10. ^ De Vlaminck I, van Loenhout MT, Zweifel L, den Blanken J, Hooning K, Hage S, et al. (junio de 2012). "Mecanismo de reconocimiento de homología en la recombinación de ADN a partir de experimentos de moléculas duales" . Célula molecular . 46 (5): 616– 624. doi : 10.1016/j.molcel.2012.03.029 . PMID 22560720 .  
  11. ↑ Ghodke H, Wang H, Hsieh CL, Woldemeskel S, Watkins SC, Rapić-Otrin V, Van Houten B (mayo de 2014). "Análisis de molécula única revela que la proteína humana de unión al ADN dañada por UV (UV-DDB) se dimeriza en el ADN a través de múltiples intermediarios cinéticos" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 111 (18): E1862– E1871. Bibcode : 2014PNAS..111E1862G . doi : 10.1073/pnas.1323856111 . PMC 4020048. PMID 24760829 .  
  12. ↑ Hopfield JJ (octubre de 1974). "Corrección cinética: un nuevo mecanismo para reducir errores en procesos biosintéticos que requieren alta especificidad" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 71 (10): 4135– 4139. Bibcode : 1974PNAS...71.4135H . doi : 10.1073/pnas.71.10.4135 . PMC 434344. PMID 4530290 .  
  13. ↑ Ninio J (1975). "Amplificación cinética de la discriminación enzimática". Biochimie . 57 (5): 587– 595. doi : 10.1016/S0300-9084(75)80139-8 . PMID 1182215 . 
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