Макромолекулярная скученность
Явление скученности макромолекул изменяет свойства молекул в растворе высокие концентрации макромолекул, таких как белки . , когда присутствуют [2] Такие состояния обычно возникают в живых клетках ; например, цитозоль Escherichia coli содержит около 300–400 мг / мл макромолекул. [3] Скученность возникает, поскольку эти высокие концентрации макромолекул уменьшают объем растворителя, доступного для других молекул в растворе, что приводит к увеличению их эффективных концентраций. Скученность может способствовать образованию биомолекулярного конденсата за счет коллоидного разделения фаз.
Этот эффект скученности может привести к тому, что молекулы в клетках будут вести себя совершенно иначе, чем при анализе в пробирке. [4] Следовательно, измерения свойств ферментов или процессов метаболизма , проводимые в лаборатории ( in vitro ) в разбавленных растворах, могут на многие порядки отличаться от истинных значений, наблюдаемых в живых клетках ( in vivo ). Изучение биохимических процессов в реально густонаселенных условиях очень важно, поскольку эти условия являются повсеместным 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 следствие
[ редактировать ]Внутреннее пространство клеток представляет собой многолюдную среду. Например, клетка Escherichia coli имеет длину всего около 2 микрометров (мкм), диаметр 0,5 мкм и объем клетки 0,6–0,7 мкм. 3 . [6] Однако кишечная палочка может содержать до 4288 различных типов белков. [7] и около 1000 из этих типов производятся на достаточно высоком уровне, чтобы их можно было легко обнаружить. [8] К этой смеси добавляются различные формы РНК клетки и хромосомы ДНК , что дает общую концентрацию макромолекул от 300 до 400 мг/мл. [3] У эукариот внутренняя часть клетки заполнена белковыми нитями , составляющими цитоскелет ; эта сеть делит цитозоль на сеть узких пор. [9]
Эти высокие концентрации макромолекул занимают большую часть объема клетки, что уменьшает объем растворителя, доступного для других макромолекул. Этот исключенный объемный эффект увеличивает эффективную концентрацию макромолекул (повышая их химическую активность ), что, в свою очередь, изменяет скорости и константы равновесия их реакций. [10] В частности, этот эффект изменяет константы диссоциации, благоприятствуя ассоциации макромолекул, например, когда несколько белков собираются вместе, образуя белковые комплексы , или когда ДНК-связывающие белки связываются со своими мишенями в геноме . [11] Скученность также может влиять на ферментативные реакции с участием небольших молекул, если реакция включает в себя значительное изменение формы фермента. [10]
Размер эффекта краудинга зависит как от молекулярной массы , так и от формы задействованной молекулы, хотя масса, по-видимому, является основным фактором – причем эффект сильнее с более крупными молекулами. [10] Примечательно, что величина эффекта нелинейна, поэтому макромолекулы подвергаются гораздо более сильному воздействию, чем небольшие молекулы, такие как аминокислоты или простые сахара . Таким образом, макромолекулярная скученность — это эффект, оказываемый большими молекулами на свойства других крупных молекул.
Важность
[ редактировать ]Макромолекулярная скученность является важным эффектом в биохимии и клеточной биологии . Например, увеличение силы взаимодействий между белками и ДНК. [5] Образующиеся в результате скученности могут иметь ключевое значение в таких процессах, как транскрипция и репликация ДНК . [12] [13] Было также высказано предположение, что скученность участвует в таких разнообразных процессах, как агрегация гемоглобина при серповидно-клеточной анемии и реакции клеток на изменения их объема. [4]
Важность скученности при сворачивании белков представляет особый интерес в биофизике . Здесь эффект краудинга может ускорить процесс сворачивания, поскольку компактно свернутый белок будет занимать меньший объем, чем развернутая белковая цепь. [14] Однако скученность может снизить выход правильно свернутого белка за счет увеличения агрегации белка . [15] [16] Скученность может также повысить эффективность белков-шаперонов, таких как GroEL, в клетке. [17] что могло бы противодействовать этому снижению эффективности складывания. [18] Также было показано, что скученность макромолекул влияет на динамику сворачивания белков, а также на общую форму белка, при этом отчетливые конформационные изменения сопровождаются изменениями вторичной структуры, что означает, что изменения формы, вызванные скученностью, могут быть важны для функции и нарушения функций белка in vivo. [19]
Особенно ярким примером важности эффектов краудинга являются кристаллины , заполняющие внутреннюю часть хрусталика . Эти белки должны оставаться стабильными и в растворе, чтобы хрусталик был прозрачным; Преципитация или агрегация кристаллинов вызывает катаракту . [20] Кристаллины присутствуют в хрусталике в чрезвычайно высоких концентрациях, более 500 мг/мл, и при этих уровнях эффект краудинга очень силен. Большой эффект скученности повышает термическую стабильность кристаллинов, повышая их устойчивость к денатурации . [21] Этот эффект может частично объяснить исключительную устойчивость линзы к повреждениям, вызванным высокими температурами. [22]
Скученность может также играть роль в заболеваниях, которые включают агрегацию белков, таких как серповидно-клеточная анемия , при которой мутантный гемоглобин образует агрегаты, и болезнь Альцгеймера , при которой тау-белок образует нейрофибриллярные клубки в условиях скученности внутри нейронов. [4] [23]
Изучать
[ редактировать ]Из-за скученности макромолекул ферментные анализы и биофизические измерения, выполняемые в разбавленном растворе, могут не отражать реальный процесс и его кинетику, происходящие в цитозоле. [24] Одним из подходов к получению более точных измерений было бы использование высококонцентрированных экстрактов клеток, чтобы попытаться сохранить содержимое клеток в более естественном состоянии. Однако такие экстракты содержат множество видов биологически активных молекул, которые могут мешать изучаемым явлениям. [2] Следовательно, эффекты краудинга имитируются in vitro путем добавления в экспериментальную среду высоких концентраций относительно инертных молекул, таких как полиэтиленгликоль , фиколл , декстран или сывороточный альбумин . [5] [25] Однако использование таких искусственных агентов краудинга может быть затруднено, поскольку эти молекулы краудинга иногда могут взаимодействовать с исследуемым процессом другими способами, например, путем слабого связывания с одним из компонентов. [2]
Макромолекулярная скученность и сворачивание белков
[ редактировать ]Основное значение скученности макромолекул для биологических систем обусловлено ее влиянием на сворачивание белков . Основной физический механизм, с помощью которого краудинг макромолекул помогает стабилизировать белки в их свернутом состоянии, часто объясняется с точки зрения исключенного объема - объема, недоступного белкам из-за их взаимодействия с макромолекулярными краудерами. [26] [27] Это понятие восходит к Асакуре и Осаве, которые описали силы истощения, вызванные стерическими, жесткими взаимодействиями. [28] [29] Отличительной чертой механизма, выведенного из вышеизложенного, является то, что эффект является полностью атепловым и, следовательно, полностью энтропийным. Эти идеи были также предложены для объяснения того, почему небольшие сорастворы, а именно защитные осмолиты , которые преимущественно исключены из белков, также смещают равновесие сворачивания белка в сторону свернутого состояния. [30] Однако это было показано различными методами, как экспериментальными, так и экспериментальными. [31] [32] [33] и теоретические, [34] [35] [36] что силы истощения не всегда энтропийны по своей природе.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гудселл Д.С. (1991). «Внутри живой клетки». Тенденции биохимии. Наука . 16 (6): 203–6. дои : 10.1016/0968-0004(91)90083-8 . ПМИД 1891800 .
- ^ Перейти обратно: а б с Эллис Р.Дж. (октябрь 2001 г.). «Макромолекулярная скученность: очевидна, но недооценена». Тенденции биохимии. Наука . 26 (10): 597–604. дои : 10.1016/S0968-0004(01)01938-7 . ПМИД 11590012 .
- ^ Перейти обратно: а б Циммерман С.Б., Трач С.О. (декабрь 1991 г.). «Оценка концентраций макромолекул и исключенных объемных эффектов для цитоплазмы Escherichia coli» . Дж. Мол. Биол . 222 (3): 599–620. дои : 10.1016/0022-2836(91)90499-В . ПМИД 1748995 .
- ^ Перейти обратно: а б с Минтон AP (июль 2006 г.). «Чем биохимические реакции внутри клеток могут отличаться от тех, что происходят в пробирках?». Дж. Клеточная наука . 119 (Часть 14): 2863–9. дои : 10.1242/jcs.03063 . ПМИД 16825427 . S2CID 32418833 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ганджи, Махипал; Доктер, Маргрит; Ле Грайс, Стюарт Ф.Дж.; Аббонданциери, Элио А. (30 сентября 2016 г.). «ДНК-связывающие белки исследуют множество локальных конфигураций во время стыковки посредством быстрого повторного связывания» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (17): 8376–8384. дои : 10.1093/nar/gkw666 . ISSN 0305-1048 . ПМК 5041478 . ПМИД 27471033 .
- ^ Кубичек Х.Э. (1 января 1990 г.). «Увеличение объема клеток Escherichia coli после перехода на более богатую среду» . Дж. Бактериол . 172 (1): 94–101. дои : 10.1128/jb.172.1.94-101.1990 . ПМК 208405 . ПМИД 2403552 .
- ^ Блаттнер Ф.Р., Планкетт Г., Блох К.А. и др. (сентябрь 1997 г.). «Полная последовательность генома Escherichia coli K-12» . Наука . 277 (5331): 1453–74. дои : 10.1126/science.277.5331.1453 . ПМИД 9278503 .
- ^ Хан М.Дж., Ли С.Ю. (июнь 2006 г.). «Протеом Escherichia coli: прошлое, настоящее и будущие перспективы» . Микробиол. Мол. Биол. Преподобный . 70 (2): 362–439. дои : 10.1128/MMBR.00036-05 . ПМЦ 1489533 . ПМИД 16760308 .
- ^ Минтон АП (октябрь 1992 г.). «Удержание как фактор, определяющий структуру макромолекул и реакционную способность» . Биофиз. Дж . 63 (4): 1090–100. Бибкод : 1992BpJ....63.1090M . дои : 10.1016/S0006-3495(92)81663-6 . ПМЦ 1262248 . ПМИД 1420928 . Архивировано из оригинала 7 сентября 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Минтон АП (2001). «Влияние макромолекулярной скученности и макромолекулярного удержания на биохимические реакции в физиологических средах» . Ж. Биол. Хим . 276 (14): 10577–80. дои : 10.1074/jbc.R100005200 . ПМИД 11279227 .
- ^ Чжоу Х.С., Ривас Дж., Минтон А.П. (2008). «Макромолекулярная скученность и удержание: биохимические, биофизические и потенциальные физиологические последствия» . Анну Рев Биофиз . 37 (1): 375–97. doi : 10.1146/annurev.biophys.37.032807.125817 . ПМЦ 2826134 . ПМИД 18573087 .
- ^ Циммерман С.Б. (ноябрь 1993 г.). «Влияние макромолекулярной скученности на макромолекулярные взаимодействия: некоторые последствия для структуры и функции генома» . Биохим. Биофиз. Акта . 1216 (2): 175–85. дои : 10.1016/0167-4781(93)90142-Z . ПМИД 8241257 .
- ^ Циммерман С.Б., Харрисон Б. (апрель 1987 г.). «Макромолекулярная скученность увеличивает связывание ДНК-полимеразы с ДНК: адаптивный эффект» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 84 (7): 1871–5. Бибкод : 1987PNAS...84.1871Z . дои : 10.1073/pnas.84.7.1871 . ПМК 304543 . ПМИД 3550799 .
- ^ ван ден Берг Б., Уэйн Р., Добсон С.М., Эллис Р.Дж. (август 2000 г.). «Макромолекулярная скученность нарушает кинетику рефолдинга белка: последствия для сворачивания внутри клетки» . ЭМБО Дж . 19 (15): 3870–5. дои : 10.1093/emboj/19.15.3870 . ПМК 306593 . ПМИД 10921869 .
- ^ ван ден Берг Б., Эллис Р.Дж., Добсон К.М. (декабрь 1999 г.). «Влияние скученности макромолекул на сворачивание и агрегацию белков» . ЭМБО Дж . 18 (24): 6927–33. дои : 10.1093/emboj/18.24.6927 . ПМК 1171756 . ПМИД 10601015 .
- ^ Эллис Р.Дж., Minton AP (май 2006 г.). «Агрегация белков в многолюдных средах». Биол. Хим . 387 (5): 485–97. дои : 10.1515/BC.2006.064 . ПМИД 16740119 . S2CID 7336464 .
- ^ Мартин Дж., Хартл ФУ (февраль 1997 г.). «Влияние скученности макромолекул на шаперонин-опосредованное сворачивание белка» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 94 (4): 1107–12. Бибкод : 1997PNAS...94.1107M . дои : 10.1073/pnas.94.4.1107 . ЧВК 19752 . ПМИД 9037014 .
- ^ Эллис Р.Дж. (2007). «Неправильная сборка белка». Молекулярные аспекты реакции на стресс: шапероны, мембраны и сети . Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 594. стр. 1–13 . дои : 10.1007/978-0-387-39975-1_1 . ISBN 978-0-387-39974-4 . ПМИД 17205670 .
- ^ Дирар Хомуз; Майкл Перхэм; Антониос Самиотакис; Маргарет С. Чунг и Пернилла Виттунг-Стафшеде (2008). «Переполненная клеточная среда вызывает изменения формы асферических белков» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 105 (33): 11754–11759. Бибкод : 2008PNAS..10511754H . дои : 10.1073/pnas.0803672105 . ПМЦ 2515223 . ПМИД 18697933 .
- ^ Бенедек ГБ (1 сентября 1997 г.). «Катаракта как белково-конденсационная болезнь: лекция Проктора» . Инвестируйте. Офтальмол. Вис. Наука . 38 (10): 1911–21. ПМИД 9331254 .
- ^ Стедман Б.Л., Траутман П.А., Лоусон Э.К. и др. (декабрь 1989 г.). «Дифференциальное сканирующее калориметрическое исследование кристаллинов бычьего хрусталика». Биохимия . 28 (25): 9653–8. дои : 10.1021/bi00451a017 . ПМИД 2611254 .
- ^ Блумендал Х., де Йонг В., Янике Р., Лубсен Н.Х., Слингсби К., Тардье А. (ноябрь 2004 г.). «Старение и зрение: структура, стабильность и функции кристаллинов хрусталика» . Прог. Биофиз. Мол. Биол . 86 (3): 407–85. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2003.11.012 . ПМИД 15302206 .
- ^ Хохмайр Дж., Экснер С., Франк М., Домингес-Бакеро А., Диес Л., Броньяро Х., Краушар М.Л., Мильке Т., Радбрух Х., Канияппан С., Фальке С., Мандельков Е., Бетцель С., Вегманн С. (июнь 2022 г.). «Молекулярная скученность и РНК взаимодействуют, способствуя разделению фаз, взаимодействию микротрубочек и засеву конденсатов тау» . ЭМБО Дж . 41 (11): e108882. дои : 10.15252/embj.2021108882 . ПМЦ 9156969 . ПМИД 35298090 . S2CID 247498652 .
- ^ Норрис М.Г., Малис Н. (2011). «Какова истинная кинетика ферментов в биологической системе? Исследование влияния макромолекулярного краудинга на кинетику фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы». Биохим. Биофиз. Рез. Коммун . 405 (3): 388–92. дои : 10.1016/j.bbrc.2011.01.037 . ПМИД 21237136 .
- ^ Токурики Н., Киндзё М., Неги С. и др. (январь 2004 г.). «Складывание белков за счет эффекта скученности макромолекул» . Белковая наука . 13 (1): 125–33. дои : 10.1110/ps.03288104 . ПМК 2286514 . ПМИД 14691228 .
- ^ Минтон, А. (1981). «Исключенный объем как фактор, определяющий макромолекулярную структуру и реакционную способность». Биополимеры . 20 (10): 2093–2120. дои : 10.1002/bip.1981.360201006 . S2CID 97753189 .
- ^ Парсегян, В.А. (2002). Белково-водные взаимодействия . Международный обзор цитологии. Том. 215. стр. 1–31. дои : 10.1016/S0074-7696(02)15003-0 . ISBN 9780123646194 . ПМИД 11952225 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Асакура, Шо; Осава, Ф (1 января 1954 г.). «О взаимодействии двух тел, погруженных в раствор макромолекул». Журнал химической физики . 22 (7): 1255. Бибкод : 1954ЖЧФ..22.1255А . дои : 10.1063/1.1740347 .
- ^ Асакура, Шо; Осава, Ф. (1958). «Взаимодействие частиц, взвешенных в растворах макромолекул». Журнал полимерной науки . 33 (126): 183–192. Бибкод : 1958JPoSc..33..183A . дои : 10.1002/pol.1958.1203312618 .
- ^ Стэгг, Лорен; Чжан, Шао-Цин; Чунг, Маргарет С.; Виттунг-Стафшеде, Пернилла (27 ноября 2007 г.). «Молекулярная скученность усиливает нативную структуру и стабильность α/β-белка флаводоксина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (48): 18976–18981. Бибкод : 2007PNAS..10418976S . дои : 10.1073/pnas.0705127104 . ISSN 0027-8424 . ПМК 2141893 . ПМИД 18024596 .
- ^ Полити, Р; Харрис, Д. (2010). «Энтальпийная стабилизация пептидов защитными осмолитами». хим. Коммун . 46 (35): 6449–6451. дои : 10.1039/c0cc01763a . ПМИД 20657920 .
- ^ Бентон, Луизиана; Смит, А.Е.; Янг, Великобритания; Пилак, Г.Дж. (2012). «Неожиданное влияние макромолекулярной скученности на стабильность белка». Биохимия . 51 (49): 9773–9775. дои : 10.1021/bi300909q . ПМИД 23167542 .
- ^ Сукеник, С; Сапир, Л.; Харрис, Д. (2013). «Баланс энтальпии и энтропии в силах истощения». Курс. Мнение. Коллоидный интерфейс . 18 (6): 495–501. arXiv : 1310.2100 . дои : 10.1016/j.cocis.2013.10.002 . S2CID 18847346 .
- ^ Сапир, Л; Харрис, Д. (2014). «Происхождение энтальпийных сил истощения». Дж. Физ. хим. Летт . 5 (7): 1061–1065. дои : 10.1021/jz5002715 . ПМИД 26274449 .
- ^ Сапир, Л; Харрис, Д. (2015). «Является ли сила истощения энтропийной? Молекулярное скопление за пределами стерических взаимодействий». Курс. Мнение. Коллоидный интерфейс . 20 : 3–10. дои : 10.1016/j.cocis.2014.12.003 .
- ^ Сапир, Л; Харрис, Д. (2015). «Макромолекулярная стабилизация исключенными косольными веществами: теория среднего поля переполненных растворов». Дж. Хим. Теория вычислений . 11 (7): 3478–3490. дои : 10.1021/acs.jctc.5b00258 . ПМИД 26575781 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Ривас Г., Ферроне Ф., Херцфельд Дж. (декабрь 2003 г.). «Жизнь в перенаселенном мире: семинар по биологическим последствиям макромолекулярной скученности» . Отчеты ЭМБО . 5 (1): 23–7. дои : 10.1038/sj.embor.7400056 . ПМК 1298967 . ПМИД 14710181 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - Сатьям А; и др. (май 2014 г.). «Макромолекулярная скученность встречается с тканевой инженерией путем самосборки: сдвиг парадигмы в регенеративной медицине». Продвинутые материалы . 26 (19): 3024–3034. Бибкод : 2014AdM....26.3024S . дои : 10.1002/adma.201304428 . hdl : 10379/15414 . ПМИД 24505025 . S2CID 31522448 .