Makromoleküler kalabalık - Macromolecular crowding

Hücrelerin sitozolündeki makromoleküler kalabalık, proteinler ve nükleik asitler gibi makromoleküllerin özelliklerini değiştirir .

Makromoleküler kalabalık fenomeni, proteinler gibi yüksek konsantrasyonlarda makromoleküller mevcut olduğunda bir çözeltideki moleküllerin özelliklerini değiştirir . Bu tür durumlar canlı hücrelerde rutin olarak meydana gelir ; Örneğin, sitosol ve Escherichia coli 300- yaklaşık olarak aşağıdakileri içerir400  mg/ml makromolekül. Bu yüksek makromolekül konsantrasyonları, çözeltideki diğer moleküller için mevcut olan solvent hacmini azalttığından ve bunun sonucunda etkin konsantrasyonlarının artmasından dolayı kalabalıklaşma meydana gelir . Kalabalık, kolloidal faz ayrımı yoluyla bir biyomoleküler kondensat oluşumunu teşvik edebilir .

Bu kalabalıklaşma etkisi, hücrelerdeki moleküllerin test tüpü tahlillerinden kökten farklı şekillerde davranmasına neden olabilir. Sonuç olarak, seyreltik çözeltilerde laboratuarda ( in vitro ) yapılan metabolizmadaki enzimlerin veya süreçlerin özelliklerinin ölçümleri, canlı hücrelerde ( in vivo ) görülen gerçek değerlerden birçok büyüklük derecesinde farklı olabilir . Gerçekçi kalabalık koşullar altında biyokimyasal süreçlerin incelenmesi çok önemlidir, çünkü bu koşullar tüm hücrelerin her yerde bulunan bir özelliğidir ve kalabalık metabolizmanın verimli çalışması için gerekli olabilir. Gerçekten de, in vitro çalışmalar, kalabalıklaşmanın proteinlerin DNA'ya bağlanma stabilitesini büyük ölçüde etkilediğini göstermiştir.

Sebep ve etkiler

Hücrelerin içi kalabalık bir ortamdır. Örneğin, bir Escherichia coli hücresi sadece yaklaşık 2 mikrometre 0,7 um - 0.6 'lik bir hücre hacmi olan uzun (um) ve çapı 0.5 um, 3 . Bununla birlikte, E. coli 4.288'e kadar farklı protein türü içerebilir ve bu tiplerden yaklaşık 1.000'i kolayca tespit edilebilecek kadar yüksek bir seviyede üretilir. Bu karışıma, 300 ila 400 mg/ml arasında toplam makromolekül konsantrasyonu veren çeşitli RNA formları ve hücrenin DNA kromozomu eklenir. Gelen ökaryotlar hücrenin iç göre daha da kalabalık protein filamentler oluşturan hücre iskeleti bu ağ örgüsü dar gözenekler ağı içine sitosol böler.

Yüksek makromolekül konsantrasyonlarında (gri daireler) çok farklı boyutlardaki (siyah daireler) iki molekül için erişilebilir çözücünün (kırmızı) hacmi . Mevcut hacmin azaltılması, makromoleküllerin etkin konsantrasyonunu arttırır .

Bu yüksek makromolekül konsantrasyonları, hücre hacminin büyük bir bölümünü kaplar, bu da diğer makromoleküller için mevcut olan solvent hacmini azaltır. Bu hariç tutulan hacim etkisi, makromoleküllerin etkin konsantrasyonunu arttırır ( kimyasal aktivitelerini arttırır ), bu da reaksiyonlarının oranlarını ve denge sabitlerini değiştirir . Özellikle bu etki , çoklu proteinlerin protein kompleksleri oluşturmak için bir araya gelmesi veya DNA-bağlayıcı proteinlerin genomdaki hedeflerine bağlanması gibi makromoleküllerin birleşmesini destekleyerek ayrışma sabitlerini değiştirir . Reaksiyon, enzim şeklinde büyük bir değişiklik içeriyorsa, kalabalıklaşma, küçük molekülleri içeren enzim reaksiyonlarını da etkileyebilir.

Yoğunlaşma etkisinin boyutu, ilgili molekülün hem moleküler kütlesine hem de şekline bağlıdır , ancak kütle ana faktör gibi görünmektedir - etki daha büyük moleküllerle daha güçlüdür. Özellikle, etkinin boyutu doğrusal değildir, bu nedenle makromoleküller, amino asitler veya basit şekerler gibi küçük moleküllerden çok daha güçlü bir şekilde etkilenir . Bu nedenle makromoleküler kalabalık, büyük moleküllerin diğer büyük moleküllerin özellikleri üzerinde uyguladığı bir etkidir.

Önem

Makromoleküler kalabalık, biyokimya ve hücre biyolojisinde önemli bir etkidir . Örneğin, proteinler ve kalabalık tarafından üretilen DNA arasındaki etkileşimlerin gücündeki artış, transkripsiyon ve DNA replikasyonu gibi işlemlerde kilit öneme sahip olabilir . Dışlama da agregasyonu gibi çeşitli işlemlerde rol oynadığı ileri sürülmüştür hemoglobin olarak orak hücre hastalığı , ve bunların miktarı değişikliklere hücre tepkileri.

Protein katlanmasında kalabalıklaşmanın önemi biyofizikte özellikle ilgi çekicidir . Burada, yoğun katlanmış bir protein, katlanmamış bir protein zincirinden daha az hacim kaplayacağından, kalabalık etkisi katlama sürecini hızlandırabilir. Bununla birlikte, kalabalık, protein agregasyonunu artırarak doğru katlanmış protein verimini azaltabilir . Kalabalık , hücredeki GroEL gibi şaperon proteinlerinin etkinliğini de artırabilir, bu da katlama verimliliğindeki bu azalmaya karşı koyabilir. Makromoleküler kalabalıklaşmanın protein katlama dinamiklerini ve ayrıca genel protein şeklini etkilediği, burada belirgin konformasyonel değişikliklere ikincil yapı değişikliklerinin eşlik ettiği, bu da kalabalığın neden olduğu şekil değişikliklerinin protein fonksiyonu ve in vivo arıza için önemli olabileceğini ima ettiği gösterilmiştir.

Çapraşıklık etkilerinin önemine dair özellikle çarpıcı bir örnek , merceğin içini dolduran kristalinlerdir . Lensin şeffaf olması için bu proteinlerin stabil ve çözelti içinde kalması gerekir; kristalinlerin çökelmesi veya toplanması kataraktlara neden olur . Kristalinler lenste 500 mg/ml'nin üzerinde son derece yüksek konsantrasyonlarda bulunur ve bu seviyelerde kalabalıklaşma etkileri çok güçlüdür. Büyük çapraşıklık etkisi, kristallerin termal stabilitesine katkıda bulunur ve denatürasyona karşı dirençlerini arttırır . Bu etki, merceğin yüksek sıcaklıkların neden olduğu hasara karşı gösterdiği olağanüstü direnci kısmen açıklayabilir.

Ders çalışma

Makromoleküler kalabalık nedeniyle , seyreltik çözeltide gerçekleştirilen enzim deneyleri ve biyofiziksel ölçümler , sitozolde gerçekleşen gerçek süreci ve bunun kinetiğini yansıtmayabilir. Daha doğru ölçümler üretmeye yönelik bir yaklaşım, hücre içeriğini daha doğal bir durumda tutmaya çalışmak için yüksek konsantrasyonlu hücre özleri kullanmak olacaktır. Bununla birlikte, bu tür ekstreler, incelenen fenomene müdahale edebilen birçok biyolojik olarak aktif molekül türü içerir. Sonuç olarak, deney ortamına polietilen glikol , ficoll , dekstran veya serum albümin gibi yüksek konsantrasyonlarda nispeten atıl moleküller eklenerek kalabalıklaşma etkileri in vitro olarak taklit edilir . Bununla birlikte, bu tür yapay kalabalıklaştırıcı ajanların kullanılması karmaşık olabilir, çünkü bu kalabalık moleküller bazen incelenen işlemle, örneğin bileşenlerden birine zayıf bir şekilde bağlanmak gibi başka şekillerde etkileşime girebilir.

Makromoleküler kalabalıklaşma ve protein katlanması

Biyolojik sistemler için makromoleküler kalabalıklaşmanın büyük önemi, protein katlanması üzerindeki etkisinden kaynaklanmaktadır . Makromoleküler kalabalıklaşmanın proteinleri katlanmış hallerinde stabilize etmeye yardımcı olduğu temel fiziksel mekanizma, genellikle dışlanan hacim - makromoleküler kalabalıklarla etkileşimleri nedeniyle proteinlerin erişemeyeceği hacim - cinsinden açıklanır. Bu kavram, sterik, sert çekirdekli etkileşimlerin neden olduğu tükenme kuvvetlerini tanımlayan Asakura ve Oosawa'ya kadar uzanır . Yukarıdan çıkarılan mekanizmanın ayırt edici özelliği, etkinin tamamen a-termal ve dolayısıyla tamamen entropik olmasıdır. Bu fikirler, aynı zamanda , tercihen proteinlerden dışlanan koruyucu ozmolitler olan küçük yardımcı çözünenlerin neden protein katlanma dengesini katlanmış duruma kaydırdığını açıklamak için de önerildi . Bununla birlikte, tükenme kuvvetlerinin doğada her zaman entropik olmadığı hem deneysel hem de teorik çeşitli yöntemlerle gösterilmiştir.

Rejeneratif tıpta makromoleküler kalabalık

Satyam et al. İrlanda Ulusal Üniversitesi'nden Galway (NUI Galway), ECM açısından zengin doku eşdeğerleri yaratmanın bir yolu olarak makromoleküler kalabalıklaşmayı önerdi. Makromoleküler kalabalık ilkesi, in vivo hücrelerin oldukça kalabalık/yoğun bir hücre dışı boşlukta bulunduğu ve bu nedenle de novo sentezlenmiş prokollajenin kolajen I'e dönüşümünün hızlı olduğu fikrinden türetilmiştir . Bununla birlikte, vücut sıvılarından (örneğin idrar: 36–50 g/L; kan: 80 g/L) çok daha fazla seyreltik kültür koşullarında (örneğin, HAM F10 besin ortamı: 16.55 g/L; DMEM/ F12 ortamı: 16.78 g/L; DMEM yüksek glukoz ve L-glutamin ortamı: 17.22 g/L), prokollajenin kollajen I'e dönüşümünü sınırlayan hız çok yavaştır. Kültür ortamına atıl polidispers makromoleküllerin (değişken çaplı küresel nesneler olarak sunulur) eklenmesinin, ECM açısından zengin canlı ikamelerin güçlendirilmiş üretimini kolaylaştıracağı doğrulandı. Doğal doku lokalize yoğunluğunu taklit ederek makromoleküler kalabalık, temel hücresel fonksiyonlardan ödün vermeden, kültürde günler veya aylar yerine saatler içinde in vitro mikro ortamları etkili bir şekilde modüle etmek ve nihayetinde ECM açısından zengin hücre ikamelerini üretmek için kullanılabilir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar