Corrección cinética

La corrección cinética (o amplificación cinética ) es un mecanismo de corrección de errores en reacciones bioquímicas , propuesto independientemente por John Hopfield (1974) y Jacques Ninio (1975). Este mecanismo permite a las enzimas discriminar entre dos posibles vías de reacción que conducen a productos correctos o incorrectos con una precisión mayor que la que se predeciría basándose en la diferencia de energía de activación entre dichas vías. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Se logra una mayor especificidad al introducir un paso irreversible que finaliza la ruta metabólica. Los intermediarios de reacción que conducen a productos incorrectos tienen mayor probabilidad de abandonar prematuramente la ruta que los intermediarios que conducen al producto correcto. Si el paso de salida es rápido en relación con el siguiente paso de la ruta, la especificidad puede incrementarse hasta en un factor igual a la relación entre las dos constantes de velocidad de salida. (Si el siguiente paso es rápido en relación con el paso de salida, la especificidad no aumentará, ya que no habrá tiempo suficiente para que se produzca la salida). Este proceso puede repetirse varias veces para aumentar aún más la especificidad.

A modo de analogía, si tenemos una línea de producción de medicamentos que a veces produce cajas vacías y no podemos mejorarla, podemos aumentar la proporción de cajas llenas con respecto a las vacías (especificidad) colocando un ventilador gigante al final. Es más probable que las cajas vacías salgan de la línea (mayor tasa de salida) que las llenas, aunque la tasa de producción de ambos tipos disminuya. Al alargar la sección final y añadir más ventiladores gigantes (revisión en varias etapas), la especificidad puede incrementarse arbitrariamente, a costa de disminuir la tasa de producción.

En la síntesis de proteínas , la tasa de error es del orden de${\displaystyle 10^{-4}=e^{-9.2}}$Esto significa que cuando un ribosoma empareja los anticodones del ARNt con los codones del ARNm , empareja secuencias complementarias correctamente casi siempre. Hopfield señaló que, debido a la similitud de los sustratos (la diferencia entre un codón incorrecto y uno correcto puede ser tan pequeña como la diferencia en una sola base), una tasa de error tan baja es inalcanzable con un mecanismo de un solo paso. Tanto el ARNt incorrecto como el correcto pueden unirse al ribosoma, y ​​si el ribosoma solo puede discriminarlos mediante el emparejamiento complementario del anticodón, debe basarse en la pequeña diferencia de energía libre entre la unión de tres bases complementarias emparejadas o solo dos.

Una máquina de un solo uso que prueba si los codones coinciden o no examinando si el codón y el anticodón están unidos no podrá distinguir entre un codón incorrecto y uno correcto con una tasa de error menor que${\displaystyle 10^{-4}=e^{-9.2}}$a menos que la diferencia de energía libre sea de al menos 9,2 kT , que es mucho mayor que la diferencia de energía libre para la unión de un solo codón. Este es un límite termodinámico, por lo que no se puede eludir construyendo una máquina diferente. Sin embargo, esto se puede superar mediante la corrección de pruebas cinética, que introduce un paso irreversible mediante el aporte de energía. ^{[ 3 ]}

Otro mecanismo de reconocimiento molecular que no requiere gasto de energía libre es la corrección de errores conformacionales . El producto incorrecto también puede formarse, pero hidrolizarse a mayor velocidad que el correcto, lo que permite una especificidad teóricamente infinita cuanto más tiempo se deje transcurrir la reacción, pero a costa de una mayor cantidad del producto correcto. (Por lo tanto, existe una compensación entre la producción del producto y su eficiencia). La actividad hidrolítica puede estar presente en la misma enzima, como en las ADN polimerasas con funciones de edición, o en enzimas diferentes.

Hopfield propuso una forma sencilla de reducir los índices de error mediante un mecanismo de trinquete molecular que consta de múltiples pasos irreversibles, cada uno de los cuales comprueba si las secuencias coinciden. En cada paso, se consume energía y aumenta la especificidad (la proporción de sustrato correcto con respecto al incorrecto en ese punto de la vía metabólica).

El requerimiento de energía en cada paso del mecanismo de trinquete se debe a la necesidad de que los pasos sean irreversibles; para que la especificidad aumente, la entrada del sustrato y del análogo debe ocurrir principalmente a través de la vía de entrada, y la salida principalmente a través de la vía de salida. Si la entrada fuera un equilibrio, los pasos anteriores formarían un preequilibrio y se perderían los beneficios de especificidad de la entrada a la vía (menos probable para el análogo del sustrato); si el paso de salida fuera un equilibrio, entonces el análogo del sustrato podría reingresar a la vía a través del paso de salida, evitando por completo la especificidad de los pasos anteriores.

Aunque una prueba no logrará discriminar entre secuencias no coincidentes y coincidentes, una fracción${\displaystyle p=e^{-\Delta F/kT}}$En ese momento, dos pruebas fallarán ambas.${\displaystyle p^{2}}$del tiempo, y N pruebas fallarán${\displaystyle p^{N}}$del tiempo. En términos de energía libre, el poder de discriminación de N pruebas sucesivas para dos estados, cada uno con una energía libre${\displaystyle \Delta F}$es lo mismo que una prueba entre dos estados con una energía libre${\displaystyle N\Delta F}$.

Para lograr una tasa de error de${\displaystyle e^{-10}}$Requiere varios pasos de comparación. Hopfield predijo, basándose en esta teoría, que existe un mecanismo de trinquete de varias etapas en el ribosoma que comprueba la coincidencia varias veces antes de incorporar el siguiente aminoácido a la proteína.

• Carga de los ARNt con sus respectivos aminoácidos : la enzima que carga el ARNt se llama aminoacil-ARNt sintetasa . Esta enzima utiliza un estado intermedio de alta energía para aumentar la fidelidad de la unión del par correcto de ARNt y aminoácido. ^{[ 4 ]} En este caso, se utiliza energía para crear el intermedio de alta energía (lo que hace que la vía de entrada sea irreversible), y la vía de salida es irreversible debido a la gran diferencia de energía en la disociación.
• Recombinación homóloga : La recombinación homóloga facilita el intercambio entre cadenas de ADN homólogas o casi homólogas. Durante este proceso, la proteína RecA se polimeriza a lo largo de una cadena de ADN y este filamento de ADN-proteína busca una secuencia de ADN homóloga . Ambos procesos, la polimerización de RecA ^{[ 5 ] [ 6 ]} y la búsqueda de homología ^{[ 7 ]} , utilizan el mecanismo de corrección de errores cinética.
• Reconocimiento y reparación del daño del ADN : cierto mecanismo de reparación del ADN utiliza la corrección de pruebas cinética para discriminar el ADN dañado. ^{[ 8 ]} Algunas ADN polimerasas también pueden detectar cuando han añadido una base incorrecta y pueden hidrolizarla inmediatamente; en este caso, el paso irreversible (que requiere energía) es la adición de la base.
• Discriminación de antígenos por receptores de células T : las células T responden a antígenos extraños en bajas concentraciones, ignorando los autoantígenos presentes en concentraciones mucho mayores. Esta capacidad se conoce como discriminación de antígenos . Los receptores de células T utilizan la corrección cinética para discriminar entre antígenos de alta y baja afinidad presentados en una molécula MHC . Los pasos intermedios de la corrección cinética se realizan mediante múltiples rondas de fosforilación del receptor y sus proteínas adaptadoras. ^{[ 9 ]}