Revisão conformacional - Conformational proofreading
A revisão conformacional ou seleção conformacional é um mecanismo geral de sistemas de reconhecimento molecular no qual a introdução de uma incompatibilidade estrutural entre um reconhecedor molecular e seu alvo, ou uma barreira energética, aumenta a especificidade e a qualidade do reconhecimento. A revisão conformacional não requer o consumo de energia e pode, portanto, ser usada em qualquer sistema de reconhecimento molecular. A revisão conformacional é especialmente útil em cenários onde o reconhecedor tem que selecionar o alvo apropriado entre muitos concorrentes semelhantes.
Equilibrando ligação correta e incorreta
O reconhecimento molecular ocorre em um ambiente biológico tumultuado e barulhento, e o reconhecedor frequentemente tem que lidar com a tarefa de selecionar seu alvo entre uma variedade de concorrentes semelhantes. Por exemplo, o ribossomo deve selecionar o tRNA correto que corresponda ao códon do mRNA entre muitos tRNAs estruturalmente semelhantes. Se o reconhecedor e seu alvo correto combinam perfeitamente como uma fechadura e uma chave , então a probabilidade de ligação será alta, uma vez que nenhuma deformação é necessária na ligação. Ao mesmo tempo, o reconhecedor também pode se ligar a um concorrente com uma estrutura semelhante com alta probabilidade. A introdução de uma incompatibilidade estrutural entre o reconhecedor (bloqueio) e a chave reduz a probabilidade de ligação para o alvo correto, mas reduz ainda mais a probabilidade de ligação para um alvo errado semelhante e, assim, melhora a especificidade. No entanto, a introdução de muita deformação reduz drasticamente a probabilidade de ligação ao alvo correto. Portanto, o equilíbrio ideal entre maximizar a probabilidade de ligação correta e minimizar a probabilidade de ligação incorreta é alcançado quando o reconhecedor está ligeiramente fora do alvo . Isso sugere que as mudanças conformacionais durante os processos de reconhecimento molecular, como o mecanismo de ajuste induzido , são vantajosas para aumentar a especificidade do reconhecimento.
Uso por recombinação homóloga para pesquisa de homologia
O mecanismo de revisão conformacional é utilizado no sistema de recombinação homóloga para discernir entre sequências de DNA semelhantes. A recombinação homóloga facilita a troca de material genético entre moléculas de DNA homólogas. Este processo crucial requer a detecção de uma sequência de DNA homóloga específica dentro de uma grande variedade de sequências heterólogas. A detecção é mediada por RecA em E. coli, ou membros de sua superfamília em outros organismos. RecA primeiro se polimeriza ao longo de um trecho de DNA de fita simples e, em seguida, esse filamento de proteína-DNA procura homologia ao longo do DNA de fita dupla. No filamento RecA-DNA, a distância entre as bases aumenta significativamente em relação aos 3,4 Å nus na fita dupla (em 50% em média). Isso estabelece uma barreira energética significativa na busca, uma vez que o DNA de fita dupla tem que se esticar na mesma magnitude para verificar a homologia. Ao formular o processo de reconhecimento de DNA como um problema de detecção de sinal, foi mostrado que a deformação de DNA induzida por RecA observada experimentalmente e a energética de ligação são ajustadas para garantir a detecção de sequência ideal. A quantidade de deformação é tal que a ligação a sequências de DNA homólogas diminui apenas ligeiramente, enquanto a ligação a sequências erradas diminui significativamente. Este é exatamente o mecanismo de revisão conformacional.
Evidência experimental para revisão conformacional por recombinação homóloga
O grupo de C. Dekker (Delft University) investigou diretamente as interações envolvidas na pesquisa de homologia combinando pinças magnéticas e ópticas. Eles descobriram que a busca e o reconhecimento de homologia requerem a abertura da hélice e podem, portanto, ser acelerados desenrolando o DNA. Esta é exatamente a barreira de energia prevista pelo modelo de revisão conformacional. Os dados indicam uma imagem física para reconhecimento de homologia em que a fidelidade do processo de pesquisa é governada pela distância entre os locais de ligação ao DNA. Os autores concluem que sua interpretação das medições "é semelhante a um esquema de revisão conformacional ... onde o dsDNA, e não o filamento RecA, é a entidade de busca ativa e reconhecedora. Existe uma grande incompatibilidade conformacional entre o limite do alvo e o não ligado do dsDNA. O estado ligado ao alvo é acessado por meio de estados intermediários energeticamente desfavoráveis, conforme discutido acima. A incompatibilidade conformacional melhora a seletividade da reação de reconhecimento. " Em outras palavras, eles identificaram a barreira energética e mostraram que de fato o DNA de fita dupla é o participante ativo, pois tem que passar por essa barreira.
Uso por ribossomo para decodificação de tRNA
O ribossomo é uma máquina molecular complexa que, para sintetizar proteínas durante o processo de tradução , precisa decodificar mRNAs emparelhando seus códons com tRNAs correspondentes . A decodificação é um dos principais determinantes da aptidão e requer uma seleção precisa e rápida de tRNAs corretos entre muitos concorrentes semelhantes. Deve-se ter em mente que a maioria dos eventos de ligação ocorrem por tRNAs não correspondentes ("não cognatos") e o ribossomo precisa rejeitá-los o mais rápido possível para liberar o local de ligação. Ao mesmo tempo, o ribossomo deve manter os tRNAs correspondentes ligados por tempo suficiente para permitir o processo de síntese de proteínas. Apesar da importância da decodificação do tRNA, não estava claro até recentemente se o ribossomo moderno, e em particular suas grandes mudanças conformacionais durante a decodificação, são o resultado da adaptação à sua tarefa como um decodificador ou o resultado de outras restrições. Um estudo recente derivou o cenário de energia que fornece a discriminação ideal entre substratos de tRNA concorrentes e, portanto, a decodificação de tRNA ideal. A paisagem ideal é simétrica (veja a imagem). O estudo mostra que a paisagem medida do ribossomo procariótico é de fato simétrica . Este modelo sugere que as mudanças conformacionais do ribossomo e do tRNA durante a decodificação são meios para obter um decodificador de tRNA ideal. O fato de que tanto a recombinação homóloga quanto a decodificação de tRNA utilizam revisão conformacional sugere que este é um mecanismo genérico que pode ser amplamente utilizado por sistemas de reconhecimento molecular.
Em outros sistemas biológicos
Reparação de danos UV humanos
Um estudo recente mostra que a revisão conformacional é usada por mecanismos de reparo de DNA humano. A pesquisa se concentrou na questão de como as proteínas de reparo de DNA varrem o genoma humano em busca de danos induzidos por UV durante a etapa inicial do reparo por excisão de nucleotídeos (NER). Medições detalhadas de uma única molécula revelaram como a proteína humana de ligação ao DNA danificada por UV (UV-DDB) realiza uma pesquisa 3D. Os autores descobriram que "UV-DDB examina locais no DNA em etapas discretas antes de formar dímeros UV-DDB de vida longa e não móveis ( DDB1 - DDB2 ) 2 em locais de dano. Análise das taxas de dissociação para as moléculas de ligação transitórias em ambos DNA não danificado e não danificado mostra vários tempos de permanência ao longo de três ordens de magnitude ... Acredita-se que esses estados intermediários representem conformadores UV-DDB discretos na trajetória para a detecção de danos estáveis. " Os autores concluem de suas medições cinéticas detalhadas que o UV-DDB reconhece lesões usando um mecanismo de revisão conformacional por meio de vários intermediários.
Outros esquemas de reconhecimento
Relação com a revisão cinética
No esquema de revisão cinética , um atraso de tempo (equivalentemente, um estágio intermediário irreversível) é introduzido durante a formação dos complexos corretos ou incorretos. Este retardo reduz as taxas de produção de ambos os complexos, mas aumenta a fidelidade além do limite de equilíbrio. A irreversibilidade do esquema requer uma fonte de energia. O atraso de tempo na revisão cinética é análogo à diferença espacial na revisão conformacional. No entanto, a revisão conformacional pode ser um esquema de equilíbrio que não consome energia.