Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Скопление макромолекул в цитозоле клеток изменяет свойства макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты . [1]

Явление макромолекулярного скопления изменяет свойства молекул в растворе, когда присутствуют высокие концентрации макромолекул, таких как белки . [2] Такие условия обычно возникают в живых клетках ; например, цитозоль из кишечной палочки содержит около 300-400  мг / мл макромолекул. [3] Скученность происходит из-за того, что эти высокие концентрации макромолекул уменьшают объем растворителя, доступного для других молекул в растворе, что приводит к увеличению их эффективных концентраций. Краудинг может способствовать образованию биомолекулярного конденсата за счет разделения коллоидной фазы.

Этот эффект скопления может заставить молекулы в клетках вести себя радикально иначе, чем в тестах в пробирках. [4] Следовательно, измерения свойств ферментов или процессов метаболизма, которые проводятся в лаборатории ( in vitro ) в разбавленных растворах, могут на много порядков отличаться от истинных значений, наблюдаемых в живых клетках ( in vivo ). Изучение биохимических процессов в условиях реалистичной скученности очень важно, поскольку эти условия являются универсальным свойством всех клеток, и скученность может иметь важное значение для эффективного функционирования метаболизма. Действительно, исследования in vitro показали, что скученность сильно влияет на стабильность связывания белков с ДНК.[5]

Причина и следствия [ править ]

Внутри кельи очень многолюдно. Например, клетка Escherichia coli имеет длину всего около 2 микрометров (мкм) и диаметр 0,5 мкм, а объем клетки составляет 0,6–0,7 мкм 3 . [6] Однако E. coli может содержать до 4288 различных типов белков [7], и около 1000 из этих типов продуцируются на достаточно высоком уровне, чтобы их можно было легко обнаружить. [8] К этой смеси добавлены различные формы РНК и хромосомы ДНК клетки , что дает общую концентрацию макромолекул от 300 до 400 мг / мл. [3] У эукариотвнутренняя часть клетки дополнительно заполнена белковыми филаментами , составляющими цитоскелет , эта сеть делит цитозоль на сеть узких пор. [9]

Объем доступного растворителя (красный) для двух молекул сильно различающихся размеров (черные кружки) при высоких концентрациях макромолекул (серые кружки). Уменьшение доступного объема увеличивает эффективную концентрацию макромолекул.

Эти высокие концентрации макромолекул занимают большую часть объема клетки, что уменьшает объем растворителя, доступного для других макромолекул. Этот эффект исключенного объема увеличивает эффективную концентрацию макромолекул (увеличивая их химическую активность ), что, в свою очередь, изменяет скорости и константы равновесия их реакций. [10] В частности, этот эффект изменяет константы диссоциации , способствуя ассоциации макромолекул, например, когда несколько белков объединяются, чтобы сформировать белковые комплексы , или когда ДНК-связывающие белки связываются со своими мишенями в геноме.. [11] Переполнение может также повлиять на ферментативные реакции с участием небольших молекул, если реакция включает большое изменение формы фермента. [10]

Величина эффекта краудинга зависит как от молекулярной массы, так и от формы вовлеченной молекулы, хотя масса, по-видимому, является основным фактором, причем эффект сильнее с более крупными молекулами. [10] Примечательно, что размер эффекта является нелинейным, поэтому макромолекулы подвержены гораздо более сильному воздействию, чем небольшие молекулы, такие как аминокислоты или простые сахара . Таким образом, макромолекулярное скопление - это эффект, оказываемый большими молекулами на свойства других больших молекул.

Важность [ править ]

Макромолекулярное скопление - важный эффект в биохимии и клеточной биологии . Например, увеличение силы взаимодействий между белками и ДНК [5], продуцируемых краудингом, может иметь ключевое значение в таких процессах, как транскрипция и репликация ДНК . [12] [13] Было также высказано предположение, что краудинг участвует в столь разнообразных процессах, как агрегация гемоглобина при серповидно-клеточной анемии и реакции клеток на изменение их объема. [4]

Важность краудинга в сворачивании белков представляет особый интерес в биофизике . Здесь эффект краудинга может ускорить процесс сворачивания, поскольку компактный свернутый белок будет занимать меньший объем, чем развернутая белковая цепь. [14] Однако краудинг может снизить выход правильно свернутого белка за счет увеличения агрегации белка . [15] [16] Краудинг может также увеличивать эффективность белков-шаперонов, таких как GroEL, в клетке, [17] что может противодействовать этому снижению эффективности сворачивания. [18]Также было показано, что макромолекулярное краудинг влияет на динамику сворачивания белка, а также на общую форму белка, где отчетливые конформационные изменения сопровождаются вторичными структурными изменениями, подразумевая, что изменения формы, вызванные краудингом, могут быть важны для функции и нарушения функции белка in vivo. [19]

Особенно ярким примером важности эффекта скученности являются кристаллины , заполняющие внутреннюю часть линзы . Эти белки должны оставаться стабильными и находиться в растворе, чтобы хрусталик был прозрачным; осаждение или агрегация кристаллинов вызывает катаракту . [20] Кристаллины присутствуют в хрусталике в чрезвычайно высоких концентрациях, более 500 мг / мл, и на этих уровнях эффект скучивания очень силен. Большой эффект вытеснения увеличивает термическую стабильность кристаллов, увеличивая их сопротивление денатурации . [21]Этот эффект может частично объяснить необычайную стойкость линз к повреждениям, вызванным высокими температурами. [22]

Исследование [ править ]

Из-за скопления макромолекул ферментные анализы и биофизические измерения, проводимые в разбавленном растворе, могут не отражать фактический процесс и его кинетику, происходящие в цитозоле. [23] Одним из подходов к более точным измерениям может быть использование высококонцентрированных экстрактов клеток, чтобы попытаться сохранить содержимое клеток в более естественном состоянии. Однако такие экстракты содержат много видов биологически активных молекул, которые могут мешать изучаемым явлениям. [2] Следовательно, эффект краудинга имитируется in vitro путем добавления высоких концентраций относительно инертных молекул, таких как полиэтиленгликоль , фиколл , декстран.или сывороточный альбумин в экспериментальную среду. [5] [24] Однако использование таких искусственных агентов краудинга может быть затруднено, поскольку эти молекулы краудинга могут иногда взаимодействовать с исследуемым процессом другими способами, например, путем слабого связывания с одним из компонентов. [2]

Макромолекулярное скопление и сворачивание белков [ править ]

Большое значение макромолекулярного краудинга для биологических систем связано с его влиянием на сворачивание белков . Основной физический механизм, с помощью которого макромолекулярное скопление помогает стабилизировать белки в их свернутом состоянии, часто объясняется с точки зрения исключенного объема - объема, недоступного для белков из-за их взаимодействия с макромолекулярными скоплениями. [25] [26] Это понятие восходит к Асакуре и Осаве, которые описали силы истощения, вызванные стерическими, жесткими взаимодействиями. [27] [28]Отличительной чертой механизма, вытекающего из вышеизложенного, является то, что эффект является полностью нетепловым и, следовательно, полностью энтропийным. Эти идеи были также предложены для объяснения того, почему небольшие косолиты, а именно защитные осмолиты , которые предпочтительно исключены из белков, также смещают равновесие сворачивания белка в сторону свернутого состояния. [29] Однако различными методами, как экспериментальными [30] [31] [32], так и теоретическими [33] [34] [35] , было показано, что силы истощения не всегда имеют энтропийную природу.

Макромолекулярное скопление в регенеративной медицине [ править ]

Satyam et al. из Национального университета Ирландии в Голуэе (NUI Galway) предложил макромолекулярное скопление в качестве средства для создания эквивалентов ткани, богатой ECM. Принцип макромолекулярной скученности основан на представлении о том, что клетки in vivo находятся в очень переполненном / плотном внеклеточном пространстве, и, следовательно, преобразование de novoсинтезируется проколлаген в коллаген I быстро. Однако даже в значительно более разбавленных жидкостях организма (например, моча: 36–50 г / л; кровь: 80 г / л) в условиях культивирования (например, питательная среда HAM F10: 16,55 г / л; среда DMEM / F12: 16,78 г / л; среда DMEM с высоким содержанием глюкозы и L-глутамина: 17,22 г / л), скорость преобразования проколлагена в коллаген I, ограничивающая скорость, очень медленная. Было подтверждено, что добавление инертных полидисперсных макромолекул (представленных в виде сферических объектов переменного диаметра) в культуральную среду будет способствовать усиленному производству живых заменителей, богатых ECM. Макромолекулярная скученность, имитирующая локализованную плотность нативной ткани, может использоваться для эффективного регулирования in vitro.микроокружения и, в конечном итоге, производят богатые ЕСМ клеточные заменители в течение нескольких часов, а не дней или месяцев в культуре, без ущерба для основных клеточных функций. [36] [37] [38] [39]

См. Также [ править ]

  • Идеальное решение
  • Коллигативные свойства

Ссылки [ править ]

  1. ^ Goodsell DS (1991). «Внутри живой клетки». Trends Biochem. Sci . 16 (6): 203–6. DOI : 10.1016 / 0968-0004 (91) 90083-8 . PMID  1891800 .
  2. ^ a b c Эллис Р.Дж. (октябрь 2001 г.). «Макромолекулярная скученность: очевидна, но недооценена». Trends Biochem. Sci . 26 (10): 597–604. DOI : 10.1016 / S0968-0004 (01) 01938-7 . PMID 11590012 . 
  3. ^ a b Циммерман С.Б., Трач С.О. (декабрь 1991 г.). «Оценка концентраций макромолекул и исключенных объемных эффектов для цитоплазмы Escherichia coli» . J. Mol. Биол . 222 (3): 599–620. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (91) 90499-V . PMID 1748995 . 
  4. ^ a b Minton AP (июль 2006 г.). «Чем биохимические реакции внутри клеток могут отличаться от таковых в пробирках?» . J. Cell Sci . 119 (Pt 14): 2863–9. DOI : 10,1242 / jcs.03063 . PMID 16825427 . 
  5. ^ a b c Ганджи, Махипал; Доктер, Маргрит; Ле Грайс, Стюарт Ф.Дж.; Аббонданциери, Элио А. (30 сентября 2016 г.). «ДНК-связывающие белки исследуют множественные локальные конфигурации во время стыковки посредством быстрого повторного связывания» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (17): 8376–8384. DOI : 10.1093 / NAR / gkw666 . ISSN 0305-1048 . PMC 5041478 . PMID 27471033 .   
  6. ^ Кубичек HE (1 января 1990). «Увеличение объема клеток в Escherichia coli после перехода на более богатую среду» . J. Bacteriol . 172 (1): 94–101. DOI : 10.1128 / jb.172.1.94-101.1990 . PMC 208405 . PMID 2403552 .  
  7. ^ Blattner FR, Plunkett G, Bloch CA и др. (Сентябрь 1997 г.). «Полная последовательность генома Escherichia coli K-12» . Наука . 277 (5331): 1453–74. DOI : 10.1126 / science.277.5331.1453 . PMID 9278503 . 
  8. ↑ Хан MJ, Ли SY (июнь 2006 г.). «Протеом Escherichia coli: прошлое, настоящее и будущее» . Microbiol. Мол. Биол. Ред . 70 (2): 362–439. DOI : 10.1128 / MMBR.00036-05 . PMC 1489533 . PMID 16760308 .  
  9. ^ Минтон AP (октябрь 1992). «Конфайнмент как детерминант макромолекулярной структуры и реакционной способности» . Биофиз. Дж . 63 (4): 1090–100. Bibcode : 1992BpJ .... 63.1090M . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (92) 81663-6 . PMC 1262248 . PMID 1420928 . Архивировано из оригинала на 2008-09-07.  
  10. ^ a b c Минтон А.П. (2001). «Влияние макромолекулярного скопления и макромолекулярного ограничения на биохимические реакции в физиологических средах» . J. Biol. Chem . 276 (14): 10577–80. DOI : 10.1074 / jbc.R100005200 . PMID 11279227 . 
  11. ^ Чжоу HX, Rivas G, Минтон AP (2008). «Макромолекулярное скопление и ограничение: биохимические, биофизические и потенциальные физиологические последствия» . Анну Рев Биофиз . 37 (1): 375–97. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.37.032807.125817 . PMC 2826134 . PMID 18573087 .  
  12. ↑ Циммерман С.Б. (ноябрь 1993 г.). «Эффекты макромолекулярного краудинга на макромолекулярные взаимодействия: некоторые последствия для структуры и функции генома» . Биохим. Биофиз. Acta . 1216 (2): 175–85. DOI : 10.1016 / 0167-4781 (93) 90142-Z . PMID 8241257 . 
  13. Перейти ↑ Zimmerman SB, Harrison B (апрель 1987). «Макромолекулярное скопление увеличивает связывание ДНК-полимеразы с ДНК: адаптивный эффект» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 84 (7): 1871–5. Bibcode : 1987PNAS ... 84.1871Z . DOI : 10.1073 / pnas.84.7.1871 . PMC 304543 . PMID 3550799 .  
  14. ↑ van den Berg B, Wain R, Dobson CM, Ellis RJ (август 2000 г.). «Макромолекулярное скопление нарушает кинетику рефолдинга белка: последствия для складывания внутри клетки» . EMBO J . 19 (15): 3870–5. DOI : 10.1093 / emboj / 19.15.3870 . PMC 306593 . PMID 10921869 .  
  15. ↑ van den Berg B, Ellis RJ, Dobson CM (декабрь 1999 г.). «Влияние макромолекулярного краудинга на сворачивание и агрегацию белков» . EMBO J . 18 (24): 6927–33. DOI : 10.1093 / emboj / 18.24.6927 . PMC 1171756 . PMID 10601015 .  
  16. ^ Ellis RJ, Минтон AP (май 2006). «Агрегация белка в тесноте». Биол. Chem . 387 (5): 485–97. DOI : 10.1515 / BC.2006.064 . PMID 16740119 . S2CID 7336464 .  
  17. ^ Martin J, Hartl FU (февраль 1997). «Влияние макромолекулярного краудинга на шаперонин-опосредованное сворачивание белка» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 94 (4): 1107–12. Bibcode : 1997PNAS ... 94.1107M . DOI : 10.1073 / pnas.94.4.1107 . PMC 19752 . PMID 9037014 .  
  18. ^ Ellis RJ (2007). Неправильная сборка белков: макромолекулярное скопление и молекулярные шапероны . Adv. Exp. Med. Биол . Успехи экспериментальной медицины и биологии. 594 . С.  1–13 . DOI : 10.1007 / 978-0-387-39975-1_1 . ISBN 978-0-387-39974-4. PMID  17205670 .
  19. ^ Дирар Хомуз; Майкл Перхэм; Антониос Самиотакис; Маргарет С. Чунг и Пернилла Виттунг-Стафшеде (2008). «Переполненная клеточная среда вызывает изменения формы асферического белка» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 105 (33): 11754–11759. Bibcode : 2008PNAS..10511754H . DOI : 10.1073 / pnas.0803672105 . PMC 2515223 . PMID 18697933 .  
  20. ↑ Бенедек GB (1 сентября 1997 г.). «Катаракта как болезнь конденсации белка: лекция Проктора» . Вкладывать деньги. Офтальмол. Vis. Sci . 38 (10): 1911–21. PMID 9331254 . 
  21. ^ Стедман Б.Л., Траутман П.А., Лоусон EQ и др. (Декабрь 1989 г.). «Дифференциальное сканирующее калориметрическое исследование кристаллинов хрусталика крупного рогатого скота». Биохимия . 28 (25): 9653–8. DOI : 10.1021 / bi00451a017 . PMID 2611254 . 
  22. ^ Bloemendal H, де Йонг W, Jaenicke R, Lubsen NH, Slingsby C, Тардьё A (ноябрь 2004). «Старение и зрение: структура, стабильность и функция кристаллинов хрусталика» . Прог. Биофиз. Мол. Биол . 86 (3): 407–85. DOI : 10.1016 / j.pbiomolbio.2003.11.012 . PMID 15302206 . 
  23. ^ Norris MG, Malys N (2011). «Какова истинная кинетика ферментов в биологической системе? Исследование эффекта макромолекулярного краудинга на кинетику ферментов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы». Биохим. Биофиз. Res. Commun . 405 (3): 388–92. DOI : 10.1016 / j.bbrc.2011.01.037 . PMID 21237136 . 
  24. ^ Токурики Н., Киндзё М, Неги С. и др. (Январь 2004 г.). «Сворачивание белков под действием макромолекулярного скопления» . Protein Sci . 13 (1): 125–33. DOI : 10.1110 / ps.03288104 . PMC 2286514 . PMID 14691228 .  [ постоянная мертвая ссылка ]
  25. ^ Минтон, A. (1981). «Исключенный объем как определяющий фактор макромолекулярной структуры и реакционной способности». Биополимеры . 20 (10): 2093–2120. DOI : 10.1002 / bip.1981.360201006 . S2CID 97753189 . 
  26. ^ Парсегян, Вирджиния. (2002). Белок-водные взаимодействия . Int. Rev. Cytol . Международный обзор цитологии. 215 . С. 1–31. DOI : 10.1016 / S0074-7696 (02) 15003-0 . ISBN 9780123646194. PMID  11952225 .
  27. ^ Асакура, Шо; Осава, Ф (1 января 1954 г.). «О взаимодействии двух тел, погруженных в раствор макромолекул». Журнал химической физики . 22 (7): 1255. Полномочный код : 1954JChPh..22.1255A . DOI : 10.1063 / 1.1740347 .
  28. ^ Асакура, Шо; Осава, Ф. (1958). «Взаимодействие между частицами, взвешенными в растворах макромолекул». Журнал науки о полимерах . 33 (126): 183–192. Bibcode : 1958JPoSc..33..183A . DOI : 10.1002 / pol.1958.1203312618 .
  29. ^ Стагг, Лорен; Чжан, Шао-Цин; Cheung, Margaret S .; Виттунг-Стафшеде, Пернилла (27 ноября 2007 г.). «Молекулярное краудинг усиливает нативную структуру и стабильность α / β белка флаводоксина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (48): 18976–18981. Bibcode : 2007PNAS..10418976S . DOI : 10.1073 / pnas.0705127104 . ISSN 0027-8424 . PMC 2141893 . PMID 18024596 .   
  30. ^ Politi, R; Харрис, Д. (2010). "Энтальпийно управляемая стабилизация пептидов защитными осмолитами". Chem. Commun . 46 (35): 6449–6451. DOI : 10.1039 / c0cc01763a . PMID 20657920 . 
  31. ^ Бентон, Луизиана; Смит, AE; Янг, ГБ; Пиелак, GJ (2012). «Неожиданные эффекты макромолекулярного краудинга на стабильность белка». Биохимия . 51 (49): 9773–9775. DOI : 10.1021 / bi300909q . PMID 23167542 . 
  32. ^ Сукеник, S; Сапир, Л .; Харрис, Д. (2013). «Баланс энтальпии и энтропии в силах истощения». Curr. Opin. Коллоидный интерфейс Sci . 18 (6): 495–501. arXiv : 1310.2100 . DOI : 10.1016 / j.cocis.2013.10.002 . S2CID 18847346 . 
  33. ^ Сапир, L; Харрис, Д. (2014). «Происхождение сил энтальпического истощения». J. Phys. Chem. Lett . 5 (7): 1061–1065. DOI : 10.1021 / jz5002715 . PMID 26274449 . 
  34. ^ Сапир, L; Харрис, Д. (2015). «Является ли сила истощения энтропийной? Молекулярное скопление за пределами стерических взаимодействий». Curr. Opin. Коллоидный интерфейс Sci . 20 : 3–10. DOI : 10.1016 / j.cocis.2014.12.003 .
  35. ^ Сапир, L; Харрис, Д. (2015). "Макромолекулярная стабилизация исключенными косолутами: теория среднего поля переполненных решений". J. Chem. Теория вычисл . 11 (7): 3478–3490. DOI : 10.1021 / acs.jctc.5b00258 . PMID 26575781 . 
  36. ^ Сатьям, Абхигьян; Кумар, Прамод; Фань, Синлян; Горелов Александр; Рочев, Юрий; Джоши, Локеш; Пейнадо, Эктор; Лайден, Дэвид; Томас, Бенджамин (21 мая 2014 г.). «Макромолекулярное скопление встречается с тканевой инженерией путем самосборки: смена парадигмы в регенеративной медицине». Современные материалы . 26 (19): 3024–3034. DOI : 10.1002 / adma.201304428 . hdl : 10379/15414 . ISSN 1521-4095 . PMID 24505025 .  
  37. ^ Кумар, Прамод; Сатьям, Абхигьян; Фань, Синлян; Коллин, Эстель; Рочев, Юрий; Родригес, Брайан Дж .; Горелов Александр; Диллон, Саймон; Джоши, Локеш (4 марта 2015 г.). «Макромолекулярно переполненные микроокружения in vitro ускоряют производство супрамолекулярных ансамблей, богатых внеклеточным матриксом» . Научные отчеты . 5 : 8729. Bibcode : 2015NatSR ... 5E8729K . DOI : 10.1038 / srep08729 . ISSN 2045-2322 . PMC 4348624 . PMID 25736020 .   
  38. ^ Сатьям, Абхигьян; Кумар, Прамод; Чигоньини, Даниэла; Пандит, Абхай; Zeugolis, Димитриос I. (2016-10-15). «Низкое, но не слишком низкое давление кислорода и скопление макромолекул ускоряют отложение внеклеточного матрикса в культуре фибробластов кожи человека». Acta Biomaterialia . 44 : 221–231. DOI : 10.1016 / j.actbio.2016.08.008 . ISSN 1878-7568 . PMID 27506127 .  
  39. ^ [1] , Zeugolis, Dimitrios & Abhigyan Satyam, "Искусственный заменитель живой ткани" 

Внешние ссылки [ править ]

  • Ривас Дж., Ферроне Ф., Херцфельд Дж. (Декабрь 2003 г.). «Жизнь в многолюдном мире: семинар по биологическим последствиям макромолекулярной скученности» . EMBO Reports . 5 (1): 23–7. DOI : 10.1038 / sj.embor.7400056 . PMC  1298967 . PMID  14710181 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Сатьям А; и другие. (Май 2014 г.). «Макромолекулярное скопление встречает тканевую инженерию путем самосборки: изменение парадигмы в регенеративной медицине». Современные материалы . 26 (19): 3024–3034. DOI : 10.1002 / adma.201304428 . hdl : 10379/15414 . PMID  24505025 .