Jump to content

Макромолекулярная толпа

(Перенаправлено из молекулярной скопления )
Макромолекулярное скопление в цитозоле клеток изменяет свойства макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты . [ 1 ]

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 ]

Объем доступного растворителя (красный) для двух молекул широко разных размеров (черные круги) при высоких концентрациях макромолекул (серые круги). Сокращение доступного объема увеличивает эффективную концентрацию макромолекул.

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 ]

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 ]
  1. ^ Goodsell DS (1991). "Внутри живой камеры". Тенденции Biochem. Наука 16 (6): 203–6. doi : 10.1016/0968-0004 (91) 90083-8 . PMID   1891800 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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.
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ Бенедек ГБ (1 сентября 1997 г.). «Катаракта как заболевание конденсации белка: лекция Proctor» . Инвестировать Офтальмол. Визит Наука 38 (10): 1911–21. PMID   9331254 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
  26. ^ Минтон, А. (1981). «Исключенный объем как определяющий макромолекулярную структуру и реактивность». Биополимеры . 20 (10): 2093–2120. doi : 10.1002/bip.1981.360201006 . S2CID   97753189 .
  27. ^ 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 )
  28. ^ 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 .
  29. ^ 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 .
  30. ^ 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 .
  31. ^ Politi, R; Harries, D. (2010). «Энтальпически управляемая пептидная стабилизация защитными осмолитами». Химический Общение 46 (35): 6449–6451. doi : 10.1039/c0cc01763a . PMID   20657920 .
  32. ^ 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 .
  33. ^ 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 .
  34. ^ Sapir, L; Харрис Д. (2014). «Происхождение сил энтальпического истощения». J. Phys Химический Летал 5 (7): 1061–1065. doi : 10.1021/jz5002715 . PMID   26274449 .
  35. ^ 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 .
  36. ^ 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 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 46cdba39017e817891f35331e2c5d8e0__1720811880
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/46/e0/46cdba39017e817891f35331e2c5d8e0.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Macromolecular crowding - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)