21.8: Especificidad en el reconocimiento y la unión

Especificidad en el reconocimiento

¿Qué determina la capacidad de una proteína para reconocer un objetivo específico entre muchos socios? Para comenzar, hagamos un cálculo sencillo. Tomemos el caso de que una proteína (factor de transcripción) tiene que reconocer una cadena de n nucleótidos secuenciales entre un total de N bases en un ADNds.

• Supongamos que cada una de las cuatro bases (ATGC) está presente con igual probabilidad entre las N bases, y que no hay diferencias entálpicas para la unión a una base particular.
• Además, el reconocimiento de una base particular es independiente de las otras bases de la secuencia. (En la práctica esta es una suposición pobre).
• La probabilidad de encontrar una secuencia particular de n nucleótidos entre todas las n cadenas de nucleótidos es

\[\left( \dfrac{1}{4} \right)^n \]

• Para que una secuencia particular de n nucleótidos sea única entre una secuencia aleatoria de N bases, necesitamos

\[\left( \dfrac{1}{4} \right)^n \geq \dfrac{1}{N} \]

• Por lo tanto podemos decir

\[ n \geq \dfrac{\ln{N}}{\ln{4}} \]

Ejemplo

Para el caso de que desee definir un sitio de unión único entre N = 65k pares de bases:

• Una secuencia de n = ln (65000) /ln (4) ≈ 8 pares de bases debe garantizar estadísticamente un sitio de unión único.
• n = 9 → 262 kbp

Este ejemplo ilustra que consideraciones estadísticas simples y la diversidad de combinaciones de bases pueden proporcionar un cierto nivel de especificidad en la unión, pero que otras consideraciones son importantes para la unión de alta fidelidad. Estas consideraciones incluyen la energía de la unión, la presencia de múltiples motivos de unión para una base y motivos de unión específicos de secuencia de bases.

Energética de Encuadernación

También necesitamos pensar en la fuerza de la interacción. Supongamos que el factor de transcripción tiene una interacción de unión inespecífica con el ADN que es débil, pero una interacción fuerte para la secuencia diana. Los cuantificamos a través de:

∆G ₁: unión inespecífica

∆G ₂: unión específica

A continuación, consideremos la degeneración de los posibles sitios de unión:

g _n: número de sitios de unión inespecíficos = (N — n) o desde N ≫ n: (N — n) ≈ N

g _s: número de sitios que definen la interacción específica: n

La probabilidad de tener un compañero de unión unido a una secuencia no específica es

\ [\ begin {alineado}
P_ {\ text {nonsp}} &=\ frac {g_ {n} e^ {-\ Delta G_ {1}/k T}} {g_ {n} e^ {-\ Delta G_ {1}/k T} +g_ {s} e^ {-\ Delta G_ {2}/k T}}\\ &=\ frac {(n-n) e^ {-\ Delta G_ {1}/k T}} {(n-n) e^ {-\ Delta G_ {1}/k T} +n e^ {-\ Delta G_ {2}/k T}}\\ &=\ frac {1} {1+\ frac {n} {N} e^ {- Delta G/k T}}\ fin {alineado}\]

donde ∆G = ∆G ₂ — ∆G ₁. No queremos tener una alta probabilidad de unión inespecífica, así que vamos a minimizar P _nonsp. Resolviendo para ΔG y reconociendo P _nonsp 1,

\[ \Delta G \leq -k_BT\ln{\left[ \dfrac{N}{nP_{nonsp}} \right] }\]

Supongamos que queremos tener una probabilidad de unión inespecífica a cualquier región del ADN que sea P _nonsp ≤ 1%. Para N = 10 ⁶ y n = 10, encontramos

\[ \Delta G \approx -16k_BT \qquad \textrm{or} \qquad -1.6 k_BT/nucleotide \]

para la probabilidad de que la pareja esté específicamente unida con P _sp > 99%.

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Lecturas

1. G. Schreiber, G. Haran y H. X. Zhou, Aspectos fundamentales de la cinética de asociación proteína-proteína, Chem. Rev. 109 (3), 839-860 (2009).
2. D. Shoup, G. Lipari y A. Szabo, velocidades de reacción bimoleculares controladas por difusión. El efecto de la difusión rotacional y las restricciones de orientación, Biophys. J. 36 (3), 697-714 (1981).
3. D. Shoup y A. Szabo, Papel de la difusión en la unión de ligandos a macromoléculas y receptores unidos a células, Biophys. J. 40 (1), 33-39 (1982).