Hacinamiento macromolecular, Causas y efectos, Importancia, Estudiar

El fenómeno de la aglomeración macromolecular altera las propiedades de las moléculas en una solución cuando las altas concentraciones de macromoléculas tales como proteínas están presentes. Tales condiciones se producen de forma rutinaria en las células vivas, por ejemplo, el citosol de Escherichia coli contiene aproximadamente 300-400 mg/ml de macromoléculas. El hacinamiento se produce ya que estas altas concentraciones de macromoléculas reducir el volumen de disolvente disponible para otras moléculas en la solución, lo que tiene el resultado de aumentar sus concentraciones eficaces.

Este efecto de desplazamiento puede hacer que las moléculas en las células se comportan de maneras radicalmente diferentes que en los ensayos de probeta. Por consiguiente, las mediciones de las propiedades de las enzimas en el metabolismo o procesos que se realizan en el laboratorio en las soluciones diluidas pueden ser diferentes en muchos órdenes de magnitud de los verdaderos valores observados en las células vivas. El estudio de los procesos bioquímicos en virtud de manera realista las condiciones de hacinamiento es muy importante, ya que estas condiciones son una característica ubicua de todas las células y el hacinamiento puede ser esencial para el funcionamiento eficiente del metabolismo.

Causas y efectos

El interior de las células es un entorno lleno de gente. Por ejemplo, una célula de Escherichia coli es sólo alrededor de 2 micrómetros de longitud y 0,5 m de diámetro, con un volumen de celda de 0.6 - 0.7 m3. Sin embargo, la E. coli pueden contener hasta 4.288 tipos diferentes de proteínas, y cerca de 1.000 de este tipo se producen a un nivel lo suficientemente alto como para ser detectados fácilmente. Añadido a esta mezcla son diversas formas de ARN y ADN cromosómico de la célula, dando una concentración total de macromoléculas de entre 300 a 400 mg/ml. En eucariotas interior de la célula se llena aún más por los filamentos de la proteína que forman el citoesqueleto, esta malla divide el citosol en una red de poros estrechos.

Estas altas concentraciones de macromoléculas ocupan una gran proporción del volumen de la célula, lo que reduce el volumen de disolvente que está disponible para otras macromoléculas. Este efecto volumen excluido aumenta la concentración efectiva de macromoléculas, que a su vez altera las tasas y las constantes de equilibrio de sus reacciones. En particular, este efecto altera las constantes de disociación, al favorecer la asociación de macromoléculas, tales como cuando múltiples proteínas se unen para formar complejos de proteínas, o cuando las proteínas de unión al ADN se unen a sus objetivos en el genoma. El hacinamiento también puede afectar a las reacciones enzimáticas que implican moléculas pequeñas si la reacción implica un gran cambio en la forma de la enzima.

El tamaño del efecto de desplazamiento depende tanto de la masa molecular y la forma de la molécula implicada, aunque la masa parece ser el factor principal - siendo el efecto más fuerte con moléculas más grandes. En particular, el tamaño del efecto no es lineal, por lo que las macromoléculas son mucho más fuertemente afectados que son pequeñas moléculas tales como aminoácidos o azúcares simples. Por lo tanto, la aglomeración macromolecular es un efecto ejercido por las moléculas grandes en las propiedades de otras moléculas grandes.

Importancia

Hacinamiento macromolecular es un efecto importante en la bioquímica y la biología celular. Por ejemplo, el aumento de la fuerza de las interacciones entre las proteínas y el ADN producido por el hacinamiento puede ser de importancia clave en los procesos tales como la transcripción y la replicación del ADN. El hacinamiento también se ha sugerido que participan en procesos tan diversos como la agregación de la hemoglobina en la enfermedad de células falciformes, y las respuestas de las células a los cambios en su volumen.

La importancia de hacinamiento en el plegamiento de proteínas es de particular interés en biofísica. Aquí, el efecto de desplazamiento puede acelerar el proceso de plegado, ya que una proteína plegada compacta ocupará menos volumen de una cadena de proteína desplegada. Sin embargo, el hacinamiento puede reducir el rendimiento de proteína plegada correctamente mediante el aumento de la agregación de proteínas. El hacinamiento también puede aumentar la eficacia de las proteínas chaperonas tales como GroEL en la célula, lo que podría contrarrestar esta reducción en la eficiencia de plegado. También se ha demostrado que la aglomeración macromolecular afecta a la dinámica de plegamiento de proteínas, así como de proteína de forma general en donde los cambios conformacionales distintos están acompañadas por alteraciones de estructura secundaria que implican que los cambios de forma inducidos por el hacinamiento pueden ser importantes para la función de la proteína y el mal funcionamiento in vivo.

Un ejemplo particularmente sorprendente de la importancia de los efectos de aglomeración implica las proteínas cristalinas que llenan el interior de la lente. Estas proteínas tienen que permanecer estables y en solución para la lente de ser transparente; precipitación o agregación de las proteínas cristalinas causa de las cataratas. Cristalinas están presentes en la lente a concentraciones extremadamente altas, más de 500 mg/ml, y en estos niveles hacinamiento efectos son muy fuertes. El gran efecto de desplazamiento se suma a la estabilidad térmica de las proteínas cristalinas, aumentando su resistencia a la desnaturalización. Este efecto puede explicar en parte la extraordinaria resistencia mostrada por la lente a los daños causados por las altas temperaturas.

Estudiar

Debido a macromoleculares ensayos enzimáticos hacinamiento y mediciones biofísicas realizadas en solución diluida puede no reflejar el proceso real y su cinética que tiene lugar en el citosol. Un método para producir mediciones más precisas sería el uso de extractos altamente concentradas de las células, para tratar de mantener los contenidos de la celda en un estado más natural. Sin embargo, cuando el uso de tales extractos es muy difícil de estudiar en un proceso de aislamiento. Por consiguiente, los efectos hacinamiento pueden ser imitados in vitro mediante la adición de altas concentraciones de una molécula inerte, tal como polietilenglicol o Ficoll para ensayos que contienen componentes purificados. Sin embargo, el uso de tales agentes de hacinamiento artificiales puede ser complicado, ya que estas moléculas de hacinamiento a veces pueden interactuar de otras formas con el proceso a ser examinado, tales como mediante la unión débilmente a uno de los componentes.