운동교정

키네틱 교정(또는 운동 증폭)은 생화학적 반응에서 오류 교정을 위한 메커니즘으로, 존 홉필드(1974년)와 자크 니니오(1975년)가 독자적으로 제안했다.운동 교정은 효소가 이 두 경로 사이의 활성화 에너지 차이를 바탕으로 예측하는 것보다 더 높은 정확도로 수정 또는 부정확한 제품으로 이어지는 두 가지 가능한 반응 경로를 구별할 수 있게 한다.^[1][2]

반응 매개체는 반응 매개체가 올바른 제품으로 이어지는 것보다 부정확한 제품을 조기에 배출할 가능성이 더 높은 경로에서 되돌릴 수 없는 단계를 도입함으로써 특수성을 증가시킨다.출구 단계가 경로의 다음 단계에 비해 빠른 경우, 두 출구 비율 상수 사이의 비율까지 특정성을 증가시킬 수 있다.(다음 단계가 출구 단계에 비해 빠르다면, 출구가 발생할 시간이 충분하지 않기 때문에 구체성이 증가되지 않을 것이다.)이것은 특수성을 더욱 높이기 위해 두 번 이상 반복될 수 있다.

특수성 역설

단백질 합성에 있어서, 오차율은 1의 1의 순서로 되어 있다.이것은 리보솜이 tRNA의 해독제를 mRNA의 코돈에 일치시킬 때 거의 항상 상호 보완적인 시퀀스를 정확하게 일치시킨다는 것을 의미한다.홉필드는 기판이 얼마나 유사한지(잘못된 코돈과 오른쪽 코돈의 차이는 단일 베이스의 차이만큼 작을 수 있음) 때문에, 그 작은 오류율은 1단계 메커니즘으로 달성할 수 없다고 지적했다.잘못된 tRNA와 오른쪽 tRNA 모두 리보솜에 결합할 수 있으며, 리보솜이 안티코돈의 상호보완적인 매칭을 통해서만 구별할 수 있다면, 3개의 일치된 상호보완적 베이스 또는 단 2개의 결합 사이의 작은 자유 에너지 차이에 의존해야 한다.

코돈과 안티코돈의 결합 여부를 검사하여 코돈의 일치여부를 시험하는 원샷 기계는 자유 에너지 차이가 자유 엔보다 훨씬 큰 10kT 이상이 아니면$$ 오류율 $e{\displaystyle {}^{}}$- ${\$ e$^{-10}$ 이하인 오류율로는 잘못된 코돈과 오른쪽 코돈의 차이를 구별할 수 없다.단일 코돈 바인딩에 대한 rgy 차이.이것은 열역학적 결합체여서 다른 기계를 만들어도 피할 수 없다.그러나 이는 에너지의 투입을 통해 되돌릴 수 없는 단계를 도입하는 운동 교정을 통해 극복할 수 있다.^[3]

자유 에너지의 지출을 요구하지 않는 또 다른 분자 인식 메커니즘은 순응 교정이다.부정확한 제품도 형성되지만 올바른 제품보다 더 높은 비율로 가수 분해될 수 있으므로, 이론적으로 무한한 특수성의 가능성을 부여할 수 있으며, 이러한 반응을 오래 방치할수록 정확한 제품의 대량의 비용도 든다. (제품 생산과 그 효율 사이에는 절충이 존재한다.수성 활성은 편집 기능이 있는 DNA 중합체에서와 같은 효소 또는 다른 효소에 있을 수 있다.

다단계 래칫

Hopfield는 각각의 시퀀스가 일치하는지를 확인하기 위해 각각의 테스트에서 되돌릴 수 없는 많은 단계를 수행하는 분자 래칫을 사용하여 더 적은 오류율을 달성할 수 있는 간단한 방법을 제안했다.각 단계에서 에너지가 팽창하고 특수성(경로에서 그 지점에서 잘못된 기질에 대한 올바른 기질의 비율)이 증가한다.

래칫의 각 단계에서 에너지에 대한 요건은 스텝이 되돌릴 수 없는 것이 필요하기 때문이다. 특수성이 증가하기 위해서는 주로 진입로를 통해 기질 및 아날로그 진입이 발생하고 출구 경로를 통해 출구해야 한다.입력이 평형이라면, 초기 단계는 평형을 형성하고 경로 진입의 특수성 편익(기질 아날로그에 대한 가능성이 낮음)이 상실될 것이며, 출구 단계가 평형이라면 기질 아날로그는 귀리의 특수성을 우회하여 출구 단계를 통과하는 경로로 다시 들어갈 수 있을 것이다.스텝을 전부 밟다

한 테스트는 일치하지 않는 시퀀스와 일치하는 시퀀스를 구분하지 못하지만,${\displaystyle }p{\displaystyle }$ =${\displaystyle {}^{}}$ - ${\displaystyle {\Delta }^{}}$ F${\displaystyle {}^{}}$/ ${\displaystyle k^{}}$ ${\displaystyle T^{}}$ ${\$ p$=e^{-\Delta F/kT}$ 시간의$$$$ p ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$ ${\$ 두 테스트 모두 실패하며, N 테스트는 $해당{\displaystyle {}^{}}$ 시간의$$ ${\displaystyle P^{}}$ ${\$에 실패한다.자유 에너지 측면에서 자유 에너지 ${\displaystyle \mathrm{\Delta F}}$ ${\displaystyle \Delta F}$을(를) 가진 두 상태에 대한 N 연속 테스트의 차별력은 자유 에너지 $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle \mathrm{\Delta F}}$ ${\displaystyle N\Delta F}$을(를) 가진 두 상태 사이의 한 번의 테스트와 동일하다$.$

$e{\displaystyle {}^{}}$- ${\displaystyle {10}^{}}$ ${\$의 오류율을 달성하려면 몇 가지 비교 단계가 필요하다$$.홉필드는 이 이론에 기초하여 다음 아미노산을 단백질에 통합하기 전에 여러 차례 성냥을 시험하는 다단계 래칫이 있다고 예측했다.

실험 사례

• 각각의 아미노아산화물로 tRNA를 충전하는 것은 tRNA를 충전하는 효소를 아미노아실 tRNA 합성효소라고 부른다.이 효소는 고에너지 중간 상태를 이용하여 tRNA와 아미노산염의 오른쪽 쌍을 결합하는 충실도를 높인다.^[4]이 경우 에너지는 고에너지 중간(입구경로를 되돌릴 수 없게 만드는 것)을 만드는 데 사용되며, 이탈의 에너지 차이가 높아 출구경로는 되돌릴 수 없다.
• 동질 재조합 – 동질 재조합은 동질 또는 거의 동질 DNA 가닥 간의 교환을 용이하게 한다.이 과정에서 레카 단백질은 DNA를 따라 중합되고 이 DNA-단백질 필라멘트는 동질 DNA 서열을 찾아낸다.RecA 중합과^[5][6] 호몰로지 검색의^[7] 두 프로세스는 모두 운동 교정 메커니즘을 이용한다.
• DNA 손상 인식 및 수리 – 특정 DNA 수리 메커니즘은 손상된 DNA를 구별하기 위해 운동 교정을 이용한다.^[8]일부 DNA 중합체는 잘못된 베이스를 추가했을 때 이를 감지하여 즉시 가수 분해할 수 있다. 이 경우 되돌릴 수 없는(에너지 요구) 단계는 베이스를 추가하는 것이다.
• T세포 수용체에 의한 항원 차별 – T세포는 훨씬 높은 농도에서 존재하는 자기 항원을 무시한 채 낮은 농도에서 외국 항원에 반응한다.이 능력은 항원차별이라고 알려져 있다.T-세포 수용체는 MHC 분자에 제시된 높은 친화력과 낮은 친화력 항원을 구별하기 위해 운동 교정을 사용한다.운동 교정의 중간 단계는 수용체와 그 수용체 단백질의 인산화 여러 라운드에 의해 실현된다.^[9]

이론적 고려사항

유니버설 1차 통과 시간

특수성을 개선하기 위해 운동 교정을 사용하는 생화학적 프로세스는 다양한 구별되는 생화학적 네트워크에 의해 지연 유발 다단계 래칫을 구현한다.그럼에도 불구하고, 그러한 많은 네트워크는 높은 교정 속도와 큰 네트워크 크기를 위해 거의 보편적이고 기하급수적인 형태에 접근하는 분자집합과 교정 단계(일명 첫 번째 통로 시간이라고도 한다)의 완성을 초래한다.^[10]지수 완성 시간은 2-상태 마르코프 공정의 특징이기 때문에, 이 관찰은 구조 복잡성이 훨씬 더 단순한 대규모 현상학적 역학으로 귀결되는 생화학 공정의 몇 가지 예 중 하나로 운동 교정을 만든다.

위상

다중 경로와 특히 루프를 포함할 수 있는 운동 교정 네트워크의 특수성의 증가 또는 전체적인 증폭 인수는 네트워크의 토폴로지와 밀접하게 관련되어 있다: 특수성은 네트워크의 루프 수에 따라 기하급수적으로 증가한다.^[11][12]예를 들어, 루프의 수가 DNA 길이의 제곱처럼 확장되는 동음이의 재조합이 있다.^[5][6]보편적인 완성 시간은 정확히 이 많은 수의 루프와 높은 증폭의 체제에서 나타난다.^[11]

참조

추가 읽기