stringtranslate.com

Макромолекулярная скученность

Макромолекулярная скученность в цитозоле клеток изменяет свойства макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты . [1]

Явление макромолекулярной скученности изменяет свойства молекул в растворе , когда присутствуют высокие концентрации макромолекул , таких как белки . [2] Такие условия 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 путем коллоидного фазового разделения.

Этот эффект скученности может заставить молекулы в клетках вести себя совершенно иначе, чем в пробирочных анализах. [4] Следовательно, измерения свойств ферментов или процессов метаболизма , которые производятся в лабораторных условиях ( in vitro ) в разбавленных растворах, могут отличаться на много порядков от истинных значений, наблюдаемых в живых клетках ( in vivo ). Изучение биохимических процессов в реалистично скученных условиях очень важно, поскольку эти условия являются повсеместным свойством всех клеток, и скученность может быть необходима для эффективной работы метаболизма. Действительно, исследования in vitro показали, что скученность сильно влияет на стабильность связывания белков с ДНК. [5]

Причина и следствие

Внутренняя часть клеток представляет собой переполненную среду. Например, клетка Escherichia coli имеет длину всего около 2 микрометров (мкм) и диаметр 0,5 мкм, объем клетки составляет 0,6–0,7 мкм3 . [ 6] Однако E. coli 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 и ДНК- хромосомы клетки , что дает общую концентрацию макромолекул от 300 до 400 мг/мл. [3] У эукариот внутренняя часть клетки еще больше переполнена белковыми нитями , которые составляют цитоскелет , эта сетка делит цитозоль на сеть узких пор. [9]

Объем доступного растворителя (красный) для двух молекул сильно различающихся размеров (черные круги) при высоких концентрациях макромолекул (серые круги). 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 , благоприятствуя ассоциации макромолекул, например, когда несколько белков объединяются для формирования белковых комплексов , или когда ДНК-связывающие белки связываются со своими мишенями в геноме . [11] Крауднинг также может влиять на ферментативные реакции с участием малых молекул, если реакция включает в себя большое изменение формы фермента. [10]

Размер эффекта скученности зависит как от молекулярной массы , так и от формы вовлеченной молекулы, хотя масса, по-видимому, является основным фактором — при этом эффект сильнее с более крупными молекулами. [10] Примечательно, что размер эффекта нелинейный, поэтому макромолекулы подвергаются гораздо более сильному влиянию, чем небольшие молекулы, такие как аминокислоты или простые сахара . Таким образом, макромолекулярное скученность — это эффект, оказываемый большими молекулами на свойства других больших молекул.

Важность

Макромолекулярная скученность является важным эффектом в биохимии и клеточной биологии . Например, увеличение силы взаимодействия между белками и ДНК [5], вызванное скученностью, может иметь ключевое значение в таких процессах, как транскрипция и репликация ДНК . [12] [13] Также предполагалось, что скученность участвует в таких разнообразных процессах, как агрегация гемоглобина при серповидноклеточной анемии и реакциях клеток на изменения их объема. [4]

Важность скученности в сворачивании белка представляет особый интерес для биофизики . Здесь эффект скученности может ускорить процесс сворачивания, поскольку компактный 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 шаперонных белков, таких как GroEL в клетке, [17], что может противодействовать этому снижению эффективности сворачивания. [18] Также было показано, что макромолекулярная скученность влияет на динамику сворачивания белка, а также на общую форму белка, где отдельные конформационные изменения сопровождаются изменениями вторичной структуры, что подразумевает, что изменения формы, вызванные скученностью, могут быть важны для функции белка и его сбоя in vivo. [19]

Особенно ярким примером важности эффектов скученности являются кристаллины , заполняющие внутреннюю часть хрусталика . 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 эффекты скученности очень сильны. Большой эффект скученности увеличивает термическую стабильность кристаллинов, увеличивая их устойчивость к денатурации . [21] Этот эффект может частично объяснить необычайную устойчивость, проявляемую хрусталиком к повреждениям, вызванным высокими температурами. [22]

Скученность также может играть роль в заболеваниях, связанных с агрегацией белков, таких как серповидноклеточная 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

Из-за макромолекулярного скопления ферментные анализы и биофизические измерения, проводимые в разбавленном растворе, могут не отражать фактический процесс и его кинетику, происходящие в цитозоле. [24] Одним из подходов для получения более точных измерений было бы 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, эффекты скопления имитируются in vitro путем добавления высоких концентраций относительно инертных молекул, таких как полиэтиленгликоль , фиколл , декстран или сывороточный альбумин , в экспериментальные среды. [5] [25] Однако использование таких искусственных агентов скопления может быть сложным, поскольку эти молекулы скопления иногда могут взаимодействовать другими способами с изучаемым процессом, например, путем слабого связывания с одним из компонентов. [2]

Макромолекулярная скученность и сворачивание белков

Большое значение макромолекулярного скопления для биологических систем обусловлено его влиянием на сворачивание белков . Основной физический механизм, посредством которого макромолекулярное скопление помогает стабилизировать белки в их свернутом состоянии, часто объясняется в терминах исключенного объема — объема, недоступного для белков из-за их взаимодействия с макромолекулярными скоплениями. [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 полностью атермический и, следовательно, полностью энтропийный. Эти идеи также были предложены для объяснения того, почему небольшие сорастворенные вещества, а именно защитные осмолиты , которые преимущественно исключаются из белков, также смещают равновесие сворачивания белка в сторону свернутого состояния. [30] Однако было показано различными методами, как экспериментальными [31] [32] [33] , так и теоретическими [34] [35] [36], что силы истощения не всегда имеют энтропийную природу.


Смотрите также

Ссылки

  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. ^ abc Ellis RJ (октябрь 2001 г.). «Макромолекулярная теснота: очевидная, но недооцененная». Trends Biochem. Sci . 26 (10): 597–604. doi :10.1016/S0968-0004(01)01938-7. PMID  11590012.
  3. ^ ab Zimmerman SB, Trach SO (декабрь 1991 г.). «Оценка концентраций макромолекул и исключенных объемных эффектов для цитоплазмы Escherichia coli». J. Mol. Biol . 222 (3): 599–620. doi :10.1016/0022-2836(91)90499-V. PMID  1748995.
  4. ^ abc Minton AP (июль 2006 г.). «Чем биохимические реакции внутри клеток могут отличаться от реакций в пробирках?». J. Cell Sci . 119 (Pt 14): 2863–9. doi :10.1242/jcs.03063. PMID  16825427. S2CID  32418833.
  5. ^ abc Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Le Grice, Stuart FJ; Abbondanzieri, Elio A. (2016-09-30). «ДНК-связывающие белки исследуют множественные локальные конфигурации во время стыковки посредством быстрого повторного связывания». Nucleic Acids Research . 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 перехода на более богатые среды». 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». Science . 277 (5331): 1453–74. doi : 10.1126/science.277.5331.1453 . PMID  9278503.
  8. ^ Han MJ, Lee SY (июнь 2006 г.). «Протеом Escherichia coli: прошлое, настоящее и будущие перспективы». Microbiol. Mol. Biol. Rev. 70 ( 2): 362–439. doi :10.1128/MMBR.00036-05. PMC 1489533 . PMID  16760308. 
  9. ^ Minton AP (октябрь 1992 г.). «Конфаймент как детерминант макромолекулярной структуры и реактивности». Biophys. J . 63 (4): 1090–100. Bibcode :1992BpJ....63.1090M. doi :10.1016/S0006-3495(92)81663-6. PMC 1262248 . PMID  1420928. Архивировано из оригинала 2008-09-07. 
  10. ^ abc Minton AP (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. ^ Zhou HX, Rivas G, Minton AP (2008). «Макромолекулярная скученность и ограничение: 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. ^ Циммерман СБ (ноябрь 1993 г.). «Эффекты макромолекулярного скопления на макромолекулярных взаимодействиях: некоторые последствия для структуры и функции генома». Biochim. Biophys. Acta . 1216 (2): 175–85. doi :10.1016/0167-4781(93)90142-Z. PMID  8241257.
  13. ^ Циммерман СБ, Харрисон Б (апрель 1987 г.). «Макромолекулярная скученность увеличивает связывание ДНК-полимеразы с ДНК: адаптивный эффект». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 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.). «Макромолекулярная скученность нарушает кинетику рефолдинга белков: последствия для фолдинга 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. ^ Эллис Р. Дж., Минтон А. П. (май 2006 г.). «Агрегация белков в переполненных средах». Biol. Chem . 387 (5): 485–97. doi :10.1515/BC.2006.064. PMID  16740119. S2CID  7336464.
  17. ^ Martin J, Hartl FU (февраль 1997 г.). «Влияние макромолекулярного краудинга на шаперонин-опосредованное сворачивание белков». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 94 (4): 1107–12. Bibcode : 1997PNAS...94.1107M. doi : 10.1073/pnas.94.4.1107 . PMC 19752. PMID  9037014 . 
  18. ^ Эллис Р. Дж. (2007). «Неправильная сборка белков». Молекулярные аспекты реакции на стресс: шапероны, мембраны и сети . Достижения в экспериментальной медицине и биологии. Т. 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 Перхам; Антониос Самиотакис; Маргарет С. Чунг и Пернилла Виттунг-Стафшеде (2008). «Переполненная, клеточноподобная среда вызывает изменения формы асферического белка». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 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 Проктора». Invest. Ophthalmol. Vis. Sci . 38 (10): 1911–21. PMID  9331254.
  21. ^ Steadman BL, Trautman PA, Lawson EQ и др. (декабрь 1989 г.). «Дифференциальное сканирующее калориметрическое исследование кристаллинов хрусталика быка». 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 хрусталика». Prog. Biophys. Mol. Biol . 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.). «Молекулярное скопление и РНК действуют синергетически, способствуя разделению фаз, взаимодействию микротрубочек и засеву конденсатов тау». EMBO J . 41 (11): e108882. doi :10.15252/embj.2021108882. PMC 9156969 . PMID  35298090. S2CID  247498652. 
  24. ^ Норрис МГ, Малис Н (2011). «Какова истинная кинетика фермента в биологической системе? Исследование эффекта макромолекулярного краудинга на кинетику фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы». Biochem. Biophys. Res. Commun . 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). «Сворачивание белков под воздействием макромолекулярного скопления». Protein Sci . 13 (1): 125–33. doi :10.1110/ps.03288104. PMC 2286514 . PMID  14691228. 
  26. ^ Минтон, А. (1981). «Исключенный объем как детерминант макромолекулярной структуры и реакционной способности». Биополимеры . 20 (10): 2093–2120. doi :10.1002/bip.1981.360201006. S2CID  97753189.
  27. ^ Parsegian, VA. (2002). Взаимодействие белка с водой . International Review of Cytology. Vol. 215. pp. 1–31. doi :10.1016/S0074-7696(02)15003-0. ISBN 9780123646194. PMID  11952225. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  28. ^ Асакура, Шо; Осава, Ф (1 января 1954 г.). «О взаимодействии двух тел, погруженных в раствор макромолекул». Журнал химической физики . 22 (7): 1255. Bibcode : 1954JChPh..22.1255A. doi : 10.1063/1.1740347.
  29. ^ Асакура, Шо; Осава, Ф. (1958). «Взаимодействие между частицами, взвешенными в растворах макромолекул». Журнал полимерной науки . 33 (126): 183–192. Bibcode : 1958JPoSc..33..183A. doi : 10.1002/pol.1958.1203312618.
  30. ^ Stagg, Loren; Zhang, Shao-Qing; Cheung, Margaret S.; Wittung-Stafshede, Pernilla (2007-11-27). «Молекулярное краудсорсинг усиливает нативную структуру и стабильность белка α/β 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  . 
  31. ^ Politi, R; Harries, D. (2010). «Стабилизация пептидов, обусловленная энтальпией, с помощью защитных осмолитов». Chem. Commun . 46 (35): 6449–6451. doi :10.1039/c0cc01763a. PMID  20657920.
  32. ^ Бентон, LA; Смит, AE; Янг, GB; Пиелак, GJ (2012). «Неожиданные эффекты макромолекулярного краудинга на стабильность белка». Биохимия . 51 (49): 9773–9775. doi :10.1021/bi300909q. PMID  23167542.
  33. ^ Sukenik, S; Sapir, L.; Harries, D. (2013). «Баланс энтальпии и энтропии в силах истощения». Curr. Opin. Colloid Interface Sci . 18 (6): 495–501. arXiv : 1310.2100 . doi :10.1016/j.cocis.2013.10.002. S2CID  18847346.
  34. ^ Сапир, Л.; Харрис, Д. (2014). «Происхождение сил истощения энтальпии». J. Phys. Chem. Lett . 5 (7): 1061–1065. doi :10.1021/jz5002715. PMID  26274449.
  35. ^ Сапир, Л.; Харрис, Д. (2015). «Является ли сила истощения энтропийной? Молекулярное скопление за пределами стерических взаимодействий». Curr. Opin. Colloid Interface Sci . 20 : 3–10. doi :10.1016/j.cocis.2014.12.003.
  36. ^ Сапир, Л.; Харрис, Д. (2015). «Стабилизация макромолекул исключенными косолютами: теория среднего поля переполненных растворов». J. Chem. Theory Comput . 11 (7): 3478–3490. doi :10.1021/acs.jctc.5b00258. PMID  26575781.

Внешние ссылки