La corrección conformacional o selección conformacional es un mecanismo general de los sistemas de reconocimiento molecular , sugerido por Yonatan Savir y Tsvi Tlusty, en el que la introducción de una barrera energética (como un desajuste estructural entre un reconocedor molecular y su diana) mejora la especificidad y la calidad del reconocimiento. [1] [2] [3] [4] [5] [6] La corrección conformacional no requiere el consumo de energía y, por lo tanto, puede utilizarse en cualquier sistema de reconocimiento molecular. La corrección conformacional es especialmente útil en escenarios en los que el reconocedor tiene que seleccionar la diana apropiada entre muchos competidores similares. Las proteínas desarrollan la capacidad de corrección conformacional mediante el ajuste fino de su geometría, flexibilidad e interacciones químicas con la diana. [7]
El reconocimiento molecular tiene lugar en un entorno biológico ruidoso y abarrotado y el reconocedor a menudo tiene que hacer frente a 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. La introducción de una barrera de energía , en particular, un desajuste 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, la introducción de 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 ser ajustados por mutaciones que afectan la respuesta mecánica del reconocedor, también en posiciones alejadas del sitio de unión. [7]
El mecanismo de corrección conformacional 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 detectar 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 tramo de ADN monocatenario, y luego este filamento de proteína-ADN busca homología a lo largo del ADN bicatenario. En el filamento RecA-ADN, la distancia entre bases aumenta significativamente con respecto a los 3,4 Å desnudos en la doble hebra (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 energía de unión están ajustadas con precisión para garantizar una detección óptima de la secuencia. La cantidad de deformación es tal que la unión a secuencias de ADN homólogas solo disminuye ligeramente, mientras que la unión a secuencias erróneas disminuye significativamente. Este es exactamente el mecanismo de corrección conformacional.
El grupo de C. Dekker (Universidad de Delft) investigó directamente las interacciones implicadas en la búsqueda de homología combinando pinzas magnéticas y ópticas. [10] Han descubierto que la búsqueda y el reconocimiento de homología requieren la apertura de la hélice y, por lo tanto, se pueden acelerar desenrollando el ADN. Esta es exactamente la barrera energética predicha por el modelo de corrección 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 conformacional ... donde el dsADN, y no el filamento RecA, es la entidad de búsqueda activa que reconoce. Existe un gran desajuste conformacional entre los estados unidos al objetivo y no unidos del dsADN. Se accede al estado unido al objetivo a través de estados intermedios energéticamente desfavorables, como se ha comentado anteriormente. El desajuste conformacional mejora la selectividad de la reacción de reconocimiento". En otras palabras, han identificado la barrera energética y han demostrado que efectivamente el ADN de doble cadena es el participante activo, ya que tiene que pasar esta barrera.
El ribosoma es una máquina molecular compleja que, para sintetizar proteínas durante el proceso de traducción , tiene que decodificar los ARNm apareando sus codones con los ARNt correspondientes . La decodificación es un determinante importante de la aptitud y requiere una selección precisa y rápida de los ARNt correctos entre muchos competidores similares. Hay que tener en cuenta que la mayoría de los eventos de unión se producen por ARNt no coincidentes ("no cognados") y el ribosoma necesita rechazarlos lo más rápido posible para desocupar el sitio de unión. Al mismo tiempo, el ribosoma debe mantener unidos los ARNt coincidentes el tiempo suficiente para permitir que se produzca el proceso de 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, son el resultado de la adaptación a su tarea como decodificador o el resultado de otras limitaciones. Un estudio reciente [5] derivó el paisaje energético que proporciona una discriminación óptima entre los sustratos de ARNt en competencia y, por lo tanto, una decodificación óptima del ARNt. El paisaje óptimo es simétrico (ver imagen). El estudio muestra que el paisaje medido del ribosoma procariota es, de hecho, simétrico . Este modelo sugiere que los cambios conformacionales del ribosoma y del ARNt durante la decodificación son medios para obtener un decodificador de ARNt óptimo. El hecho de que tanto la recombinación homóloga como la decodificación del ARNt utilicen corrección conformacional sugiere que se trata de un mecanismo genérico que puede ser utilizado ampliamente por los sistemas de reconocimiento molecular.
Un estudio reciente muestra que los mecanismos de reparación del ADN humano utilizan la corrección conformacional. [11] La investigación se centró en la cuestión de cómo las proteínas de reparación del ADN escanean el genoma humano en busca de daños inducidos por la radiación UV durante el paso inicial de la reparación por escisión de nucleótidos (NER). Las mediciones detalladas de moléculas individuales revelaron cómo la proteína de unión al ADN dañada por la radiación UV (UV-DDB) humana realiza una búsqueda en 3D. Los autores descubrieron que "la UV-DDB examina los sitios del ADN en pasos discretos antes de formar dímeros UV-DDB inmóviles de larga duración ( DDB1 - DDB2 ) 2 en los sitios dañados. El análisis de las tasas de disociación de las moléculas de unión transitorias tanto en el ADN dañado como en el no dañado muestra múltiples tiempos de permanencia en tres órdenes de magnitud... Se cree que estos estados intermedios representan confórmeros UV-DDB discretos en la trayectoria hacia la detección estable del daño". Los autores concluyen a partir de sus mediciones cinéticas detalladas que la UV-DDB reconoce las lesiones utilizando un mecanismo de corrección conformacional a través de múltiples intermediarios.
En el esquema de corrección cinética [12] [13] , se introduce un retraso temporal (equivalente a una etapa intermedia irreversible) durante la formación de los complejos correctos o incorrectos. Este retraso temporal reduce las tasas de producción de ambos complejos, pero mejora la fidelidad más allá del límite de equilibrio. La irreversibilidad del esquema requiere una fuente de energía. El retraso 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.