Макромолекулярная толпа

Феномен макромолекулярной толпы изменяет свойства молекул в растворе, когда высокие концентрации макромолекул, таких как белки . присутствуют [ 2 ] Такие условия обычно встречаются в живых клетках ; Например, цитозоль Escherichia coli содержит около 300–400 мг / мл макромолекул. [ 3 ] Стопки возникают, поскольку эти высокие концентрации макромолекул уменьшают объем растворителя, доступный для других молекул в растворе, что имеет результат увеличения их эффективных концентраций. Скучивание может способствовать образованию биомолекулярного конденсата путем коллоидной фазы разделения.
Этот эффект скопления может заставить молекулы в клетках ведут себя радикально отличными способами, чем в анализах пробирки. [ 4 ] Следовательно, измерения свойств ферментов или процессов в метаболизме , которые проводятся в лаборатории ( in vitro ) в разбавленных растворах, могут отличаться во многих порядках от истинных значений, наблюдаемых в живых клетках ( in vivo ). Изучение биохимических процессов в реальных условиях очень важно, поскольку эти условия являются повсеместным свойством всех клеток, и толпа может иметь важное значение для эффективной работы метаболизма. Действительно, исследования in vitro показали, что переполнение сильно влияет на стабильность связывания белков с ДНК. [ 5 ]
Причина и следствие
[ редактировать ]Интерьер клеток является многолюдной средой. Например, клетка Escherichia coli составляет длиной всего около 2 микрометра (мкМ) и диаметром 0,5 мкм, с объемом клетки 0,6 - 0,7 мкМ 3 . [ 6 ] Тем не менее, E. coli может содержать до 4288 различных типов белков, [ 7 ] и около 1000 этих типов производятся на достаточно высоком уровне, чтобы легко обнаружить. [ 8 ] К этому смеси добавлены различные формы РНК -хромосомы клеток и ДНК , давая общую концентрацию макромолекул от 300 до 400 мг/мл. [ 3 ] У эукариот внутренняя часть клетки дополнительно переполнена белковыми филаментами , которые составляют цитоскелет , эта сетка делит цитозоль на сеть узких пор. [ 9 ]

Эти высокие концентрации макромолекул занимают большую долю объема клетки, что уменьшает объем растворителя, который доступен для других макромолекул. Этот исключенный объемный эффект увеличивает эффективную концентрацию макромолекул (увеличение их химической активности ), что, в свою очередь, изменяет скорости и равновесные константы их реакций. [ 10 ] В частности, этот эффект изменяет константы диссоциации , предпочитая ассоциацию макромолекул, например, когда множественные белки собираются вместе с образованием белковых комплексов , или когда ДНК-связывающие белки связываются с их мишенями в геноме . [ 11 ] Скупение может также влиять на реакции ферментов с участием малых молекул, если реакция включает в себя большое изменение в форме фермента. [ 10 ]
Размер скопления зависит как от молекулярной массы , так и от формы вовлеченной молекулы, хотя масса, по -видимому, является основным фактором, причем эффект более сильнее с более крупными молекулами. [ 10 ] Примечательно, что размер эффекта не является линейным, поэтому макромолекулы гораздо сильнее влияют, чем мелкие молекулы, такие как аминокислоты или простые сахары . Таким образом, макромолекулярное скопление является эффектом, оказываемым большими молекулами на свойствах других крупных молекул.
Значение
[ редактировать ]Макромолекулярное скопление является важным эффектом в биохимии и клеточной биологии . Например, увеличение силы взаимодействия между белками и ДНК [ 5 ] Производится скоплением может иметь ключевое значение в таких процессах, как транскрипция и репликация ДНК . [ 12 ] [ 13 ] Также предполагалось, что скопление участвует в таких разнообразных процессах, как агрегация гемоглобина при болезнях серповидноклета , и реакции клеток на изменения в их объеме. [ 4 ]
Важность скопления в складывании белка представляет особый интерес к биофизике . Здесь эффект скопления может ускорить процесс складывания, поскольку компактный сложенный белок будет занимать меньше объема, чем развернутая белковая цепь. [ 14 ] Тем не менее, скученность может снизить выход правильного сложенного белка за счет увеличения агрегации белка . [ 15 ] [ 16 ] Скупение может также повысить эффективность белков шаперона, таких как Groel в клетке, [ 17 ] который может противодействовать этому снижению эффективности складывания. [ 18 ] Также было показано, что макромолекулярная скопление влияет на динамику белка, а также общую форму белка, где различные конформационные изменения сопровождаются вторичными изменениями структуры, подразумевая, что изменения формы, вызванные толпой, могут быть важными для функции белка и неисправности in vivo. [ 19 ]
Особенно яркий пример важности скопления влияет на кристаллины , которые заполняют внутреннюю часть объектива . Эти белки должны оставаться стабильными и в растворе для прозрачной линзы; Осаждение или агрегация кристаллинов вызывает катаракту . [ 20 ] Кристаллины присутствуют в линзе в чрезвычайно высоких концентрациях, более 500 мг/мл, и на этих уровнях эффекты скопления очень сильны. Большой эффект скопления добавляет термическую стабильность кристаллинов, увеличивая их сопротивление денатурации . [ 21 ] Этот эффект может частично объяснить необычайное сопротивление, проявленное линзой, на повреждение, вызванное высокими температурами. [ 22 ]
Скупение также может играть роль в заболеваниях, которые включают агрегацию белка, такие как серповидно -клеточная анемия , где мутантный гемоглобин образует агрегаты и болезнь Альцгеймера , где белок тау образует нейрофибриллярные клубки при переполненных состояниях в нейронах. [ 4 ] [ 23 ]
Изучать
[ редактировать ]Из -за макромолекулярного скопления, анализы ферментов и биофизические измерения, проведенные в разбавленном растворе, могут не отразить фактический процесс, а его кинетика, происходящая в цитозоле. [ 24 ] Одним из подходов к получению более точных измерений будет использование высококонцентрированных экстрактов клеток, чтобы попытаться поддерживать содержание клеток в более естественном состоянии. Однако такие экстракты содержат много видов биологически активных молекул, которые могут мешать изучаемым явлениям. [ 2 ] Следовательно, эффекты скопления имитируются in vitro, добавляя высокие концентрации относительно инертных молекул, таких как полиэтиленгликоль , фиколл , декстран или сывороточный альбумин , в экспериментальную среду. [ 5 ] [ 25 ] Тем не менее, использование таких искусственных скопляющихся агентов может быть сложным, так как эти толпу молекулы иногда могут взаимодействовать другими способами с изучением процесса, например, путем слабосвязывания с одним из компонентов. [ 2 ]
Макромолекулярная толпа и складывание белка
[ редактировать ]Основное значение макромолекулярной скопления к биологическим системам связано с его влиянием на складывание белка . Основной физический механизм, с помощью которого макромолекулярная толпа помогает стабилизировать белки в их сложенном состоянии, часто объясняется с точки зрения исключенного объема - объема, недоступного для белков из -за их взаимодействия с макромолекулярными краутерами. [ 26 ] [ 27 ] Это понятие восходит к Асакуре и Оосаве, которые описали силы истощения, вызванные стерическими, твердыми, взаимодействиями. [ 28 ] [ 29 ] Отличительной чертой механизма, выведенного из вышеизложенного, является то, что эффект полностью является атермальным и, следовательно, полностью энтропийным. Эти идеи также были предложены, чтобы объяснить, почему небольшие косораты, а именно защитные осмолиты , которые преимущественно исключены из белков, также сдвигают равновесие складывания белка в направлении сложенного состояния. [ 30 ] Однако это было показано различными методами, оба экспериментальные [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] и теоретический, [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] что силы истощения не всегда носят энтропийные по своей природе.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Goodsell DS (1991). "Внутри живой камеры". Тенденции Biochem. Наука 16 (6): 203–6. doi : 10.1016/0968-0004 (91) 90083-8 . PMID 1891800 .
- ^ Jump up to: а беременный в Эллис Р.Дж. (октябрь 2001 г.). «Макромолекулярная толпа: очевидная, но недооцененная». Тенденции Biochem. Наука 26 (10): 597–604. doi : 10.1016/s0968-0004 (01) 01938-7 . PMID 11590012 .
- ^ Jump up to: а беременный Zimmerman SB, Trach SO (декабрь 1991 г.). «Оценка концентраций макромолекул и исключенные объемные эффекты для цитоплазмы Escherichia coli» . J. Mol. Биол . 222 (3): 599–620. doi : 10.1016/0022-2836 (91) 90499-V . PMID 1748995 .
- ^ Jump up to: а беременный в Minton AP (июль 2006 г.). «Как биохимические реакции могут отличаться от клеток от реакций в пробирках?». J. Cell Sci . 119 (Pt 14): 2863–9. doi : 10.1242/jcs.03063 . PMID 16825427 . S2CID 32418833 .
- ^ Jump up to: а беременный в Ганджи, мапейл; Доктер, Маргрит; Ле Грайс, Стюарт Ф.Дж.; Abbondanzieri, Elio A. (2016-09-30). «ДНК -связывающие белки исследуют множественные локальные конфигурации во время стыковки посредством быстрого повторения» . Исследование нуклеиновых кислот . 44 (17): 8376–8384. doi : 10.1093/nar/gkw666 . ISSN 0305-1048 . PMC 5041478 . PMID 27471033 .
- ^ Kubitschek HE (1 января 1990 г.). «Увеличение объема клеток в Escherichia coli после сменов в более богатые средства массовой информации» . J. Bacteriol . 172 (1): 94–101. doi : 10.1128/jb.172.1.94-101.1990 . PMC 208405 . PMID 2403552 .
- ^ Blattner FR, Plunkett G, Bloch CA, et al. (Сентябрь 1997). «Полная последовательность генома Escherichia coli K-12» . Наука . 277 (5331): 1453–74. doi : 10.1126/science.277.5331.1453 . PMID 9278503 .
- ^ Хан М.Дж., Ли Си (июнь 2006 г.). «Протеом Escherichia coli: прошлые, настоящие и будущие перспективы» . Микробиол. Мол Биол. Преподобный 70 (2): 362–439. doi : 10.1128/mmbr.00036-05 . PMC 1489533 . PMID 16760308 .
- ^ Minton AP (октябрь 1992 г.). «Задержание 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 с оригинала на 2008-09-07.
- ^ Jump up to: а беременный в Minton AP (2001). «Влияние макромолекулярной скопления и макромолекулярного заключения на биохимические реакции в физиологических средах» . Дж. Биол. Химический 276 (14): 10577–80. doi : 10.1074/jbc.r100005200 . PMID 11279227 .
- ^ Zhou HX, Rivas G, Minton AP (2008). «Макромолекулярная толпа и заключение: биохимические, биофизические и потенциальные физиологические последствия» . Annu Rev Biophys . 37 (1): 375–97. doi : 10.1146/annurev.biophys.37.032807.125817 . PMC 2826134 . PMID 18573087 .
- ^ Zimmerman SB (ноябрь 1993). «Макромолекулярное влияние на макромолекулярные взаимодействия: некоторые последствия для структуры и функции генома» . Биохим. Биофиз. Акт . 1216 (2): 175–85. doi : 10.1016/0167-4781 (93) 90142-z . PMID 8241257 .
- ^ Zimmerman SB, Harrison B (апрель 1987 г.). «Макромолекулярная скопление увеличивает связывание ДНК -полимеразы с ДНК: адаптивный эффект» . Прокурор Нат. Академический Наука США . 84 (7): 1871–5. Bibcode : 1987pnas ... 84.1871Z . doi : 10.1073/pnas.84.7.1871 . PMC 304543 . PMID 3550799 .
- ^ Ван Ден Берг Б., Уэйн Р., Добсон С.М., Эллис Р.Дж. (август 2000 г.). «Макромолекулярная толпа кинетика белка нарушает кинетику: последствия для складывания внутри клетки» . Embo j . 19 (15): 3870–5. doi : 10.1093/emboj/19.15.3870 . PMC 306593 . PMID 10921869 .
- ^ Ван Ден Берг Б., Эллис Р.Дж., Добсон С.М. (декабрь 1999 г.). «Влияние макромолекулярной толпы на складывание и агрегацию белка» . Embo j . 18 (24): 6927–33. doi : 10.1093/emboj/18.24.6927 . PMC 1171756 . PMID 10601015 .
- ^ Ellis RJ, Minton AP (май 2006 г.). «Агрегация белка в многолюдных средах». Биол. Химический 387 (5): 485–97. doi : 10.1515/bc.2006.064 . PMID 16740119 . S2CID 7336464 .
- ^ Мартин Дж, Хартл Фу (февраль 1997 г.). «Влияние макромолекулярного скопления на складывание белка, опосредованное шаперонином» . Прокурор Нат. Академический Наука США . 94 (4): 1107–12. Bibcode : 1997pnas ... 94.1107M . doi : 10.1073/pnas.94.4.1107 . PMC 19752 . PMID 9037014 .
- ^ Эллис Р.Дж. (2007). «Протеиновая ошибка». Молекулярные аспекты реакции на стресс: шапероны, мембраны и сети . Достижения в области экспериментальной медицины и биологии. Тол. 594. С. 1–13 . doi : 10.1007/978-0-387-39975-1_1 . ISBN 978-0-387-39974-4 Полем PMID 17205670 .
- ^ Дирар Гомоз; Майкл Перхам; Антониос Самиотакис; Маргарет С. Чеунг и Пернилла Виттунг-Стафшед (2008). «Местная клеточная среда вызывает изменения формы в асферическом белке» . Прокурор Нат. Академический Наука США . 105 (33): 11754–11759. Bibcode : 2008pnas..10511754H . doi : 10.1073/pnas.0803672105 . PMC 2515223 . PMID 18697933 .
- ^ Бенедек ГБ (1 сентября 1997 г.). «Катаракта как заболевание конденсации белка: лекция Proctor» . Инвестировать Офтальмол. Визит Наука 38 (10): 1911–21. PMID 9331254 .
- ^ Steadman BL, Trautman PA, Lawson EQ, et al. (Декабрь 1989 г.). «Дифференциальное сканирующее калориметрическое исследование кристаллинов бычьей линзы». Биохимия . 28 (25): 9653–8. doi : 10.1021/bi00451a017 . PMID 2611254 .
- ^ Bloemendal H, De Jong W, Jaenicke R, Lubsen NH, Slingsby C, Tardieu A (ноябрь 2004 г.). «Старение и зрение: структура, стабильность и функция кристаллинов линз» . Прогик Биофиз. Мол Биол . 86 (3): 407–85. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2003.11.012 . PMID 15302206 .
- ^ Hochmair J, Exner C, Franck M, Dominguez-Baquero A, Diez L, Brognaro H, Kraushar ML, Mielke T, Radbruch H, Kaniyappan S, Falke S, Mandelkow E, Betzel C, Wegmann S (июнь 2022 г.). «Молекулярная толпа и РНК -синергируют, чтобы способствовать разделению фазы, взаимодействию микротрубочек и посевам конденсатов тау» . Embo j . 41 (11): E108882. doi : 10.15252/embj.2021108882 . PMC 9156969 . PMID 35298090 . S2CID 247498652 .
- ^ Норрис М.Г., Малис Н. (2011). «Какова истинная кинетика фермента в биологической системе? Исследование макромолекулярного влияния на фермента кинетику глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы». Биохимия. Биофиз. Резерв Общение 405 (3): 388–92. doi : 10.1016/j.bbrc.2011.01.037 . PMID 21237136 .
- ^ Tokuriki N, Kinjo M, Negi S, et al. (Январь 2004 г.). «Складывание белка под воздействием макромолекулярной толпы» . Белок Sci . 13 (1): 125–33. doi : 10.1110/ps.03288104 . PMC 2286514 . PMID 14691228 .
- ^ Минтон, А. (1981). «Исключенный объем как определяющий макромолекулярную структуру и реактивность». Биополимеры . 20 (10): 2093–2120. doi : 10.1002/bip.1981.360201006 . S2CID 97753189 .
- ^ Parsegian, Va. (2002). Взаимодействие белка-вода . Международный обзор цитологии. Тол. 215. С. 1–31. doi : 10.1016/s0074-7696 (02) 15003-0 . ISBN 9780123646194 Полем PMID 11952225 .
{{cite book}}
:|journal=
игнорируется ( помощь ) - ^ Асакура, Шо; Oosawa, F (1 января 1954 г.). «О взаимодействии между двумя телами, погруженными в раствор макромолекул». Журнал химической физики . 22 (7): 1255. Bibcode : 1954jchph..22.1255a . doi : 10.1063/1.1740347 .
- ^ Асакура, Шо; Oosawa, F. (1958). «Взаимодействие между частицами, подвешенными в растворах макромолекул». Журнал полимерной науки . 33 (126): 183–192. Bibcode : 1958jposc..33..183a . doi : 10.1002/pol.1958.1203312618 .
- ^ Стэгг, Лорен; Чжан, Шао-Цин; Cheung, Margaret S.; Wittung-Stafshede, Pernilla (2007-11-27). «Молекулярная скопление усиливает нативную структуру и стабильность флаводоксина α/β -белка» . 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 .
- ^ Politi, R; Harries, D. (2010). «Энтальпически управляемая пептидная стабилизация защитными осмолитами». Химический Общение 46 (35): 6449–6451. doi : 10.1039/c0cc01763a . PMID 20657920 .
- ^ Бентон, Ла; Смит, Ае; Молодой, ГБ; Пилак, GJ (2012). «Неожиданное влияние макромолекулярной толпы на стабильность белка». Биохимия . 51 (49): 9773–9775. doi : 10.1021/bi300909q . PMID 23167542 .
- ^ Sukenik, S; Sapir, L.; Харрис Д. (2013). «Баланс энтальпии и энтропии в силах истощения». Карт Мнение Коллоидный интерфейс Sci . 18 (6): 495–501. Arxiv : 1310.2100 . doi : 10.1016/j.cocis.2013.10.002 . S2CID 18847346 .
- ^ Sapir, L; Харрис Д. (2014). «Происхождение сил энтальпического истощения». J. Phys Химический Летал 5 (7): 1061–1065. doi : 10.1021/jz5002715 . PMID 26274449 .
- ^ Sapir, L; Харрис Д. (2015). «Является ли силой истощения энтропийной? Молекулярная толпа за пределами стерических взаимодействий». Карт Мнение Коллоидный интерфейс Sci . 20 : 3–10. doi : 10.1016/j.cocis.2014.12.003 .
- ^ Sapir, L; Харрис Д. (2015). «Макромолекулярная стабилизация исключенными козолетами: средняя теория поля многолюдных решений». J. Chem. Теория Comput . 11 (7): 3478–3490. doi : 10.1021/acs.jctc.5b00258 . PMID 26575781 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Ривас Г., Феррон, Ф., Герцфельд Дж. (Декабрь 2003 г.). «Жизнь в многолюдном мире: семинар по биологическим последствиям макромолекулярной толпы» . Embo сообщает . 5 (1): 23–7. doi : 10.1038/sj.embor.7400056 . PMC 1298967 . PMID 14710181 .
{{cite journal}}
: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - Сатьам А; и др. (Май 2014). «Макромолекулярная толпа встречается с тканевой инженерией путем самосборки: сдвиг парадигмы в регенеративной медицине». Продвинутые материалы . 26 (19): 3024–3034. Bibcode : 2014Adm .... 26.3024S . doi : 10.1002/adma.201304428 . HDL : 10379/15414 . PMID 24505025 . S2CID 31522448 .