Ateigamento macromolecular

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Saltar para a navegação Saltar para a pesquisa
O ateigamento macromolecular no citosol das células altera as propiedades de macromoléculas como as proteínas e ácidos nucleicos.[1]

O fenómeno do ateigamento macromolecular, aglomeración macromolecular ou crowding macromolecular (en inglés macromolecular crowding) consiste nos efectos de que exista unha gran concentración de moléculas, como as proteínas, na célula, que altera as propiedades das moléculas que están en solución.[2] Tales condicións ocorren rutinariamente nas células vivas; por exemplo, o citosol de Escherichia coli contén uns 300-400 mg/mL de macromoléculas.[3] O ateigamento ou aglomeración ocorre porque estas altas concentracións de macromoléculas reducen o volume do solvente dispoñible para outras moléculas da solución, o cal ten como resultado o incremento das súas concentracións efectivas.

Este efecto pode facer que as moléculas das células se comporten de xeito radicalmente diferente ao que se observa nos tubos de ensaio.[4] En consecuencia, a medida das propiedades dos encimas ou procesos do metabolismo que se fan no laboratorio (in vitro) en solucións diluídas pode ser diferente en moitas ordes de magnitude dos verdadeiros valores que se dan nas células vivas (in vivo). O estudo dos procesos bioquímicos en condicións de ateigamento de moléculas realistas é moi importante, xa que estas condicións son unha propiedade omnipresente de todas as células e o ateigamento de moléculas pode ser esencial para o funcionamento eficiente do metabolismo. Os estudos in vitro mostraron que o ateigamento inflúe grandemente na estabilidade da unión das proteínas ao ADN.[5]

Causa e efectos[editar | editar a fonte]

O interior das células é un ambiente ateigado. Por exemplo, unha célula de Escherichia coli só mide uns 2 micrómetros (μm) de longo e 0,5 μm de diámetro, e ten un volume celular de 0,6-0,7 μm3.[6] Porén, E. coli pode conter 4 288 tipos de proteínas,[7] e deles uns 1 000 prodúcense en cantidades suficientemente altas como para poder ser detectadas doadamente.[8] A esta mestura engádense varias formas de ARN e o cromosoma de ADN da célula, o que xera unha concentración total de macromoléculas de entre 300 e 400 mg/mL.[3] En eucariotas o interior da célula está aínda máis ateigado pola presenza dos filamentos proteicos que forman o citoesqueleto; este retículo de filamentos divide o citosol nunha rede de malla con poros estreitos.[9]

Volume do solvente accesible (vermello) para dúas moléculas de tamaños moi diferentes (círculos negros) a altas concentracións de macromoléculas (círculos grises). Reducindo o volume dispoñible increméntase a concentración efectiva das macromoléculas.

Estas altas concentrcións de macromoléculas ocupan unha gran porción do volume da célula, o que reduce o volume do solvente que está dispoñible para outras macromoléculas. Este efecto de volume excluído incementa a concentración efectiva das macromoléculas (incrementando a súa actividade química), o cal á súa vez altera as velocidades e constantes de equilibrio das súas reaccións.[10] En especial, este efecto altera as constantes de disociación ao favorecer a asociación de macromoléculas, como cando se xuntan moitas proteínas para formar complexos proteicos, ou cando as proteínas que se unen ao ADN se ligan ás súas dianas no xenoma.[11] O ateigamento de moléculas pode tamén afectar ás reaccións encimáticas nas que intervelen pequenas moléculas se a reacción supón un gran cambio na forma do encima.[10]

A magnitude que teña o efecto do ateigamento de moléculas depende tanto da masa molecular coma da forma da molécula implicada, aínda que a masa parace ser o factor principal, e o efecto é maior nas moléculas máis grandes.[10] A magnitude do efecto é non linear, polo que as macromoléculas son moito máis afectadas que as pequenas moléculas, como os aminoácidos ou azucres simples. O ateigamento macromolecular é, por tanto, un efecto exercido polas grandes moléculas sobre as propiedades doutras moléculas grandes.

Importancia[editar | editar a fonte]

O ateigamento macromolecular é un importante efecto en bioquímica e bioloxía celular. Por exemplo, o incremento da forza das interaccións entre as proteínas e o ADN[5] producido polo ateigamento molecular pode ser de vital importancia en procesos como a transcrición e a replicación do ADN.[12][13] Tamén se suxeriu que este fenómeno está implicado en procesos tan diversos como a agregación da hemoglobina na anemia falciforme e as respostas das células aos cambios no seu volume.[4]

A importancia do ateigmento no pregamento das proteínas é de particular interese en biofísica. Aquí, o efecto do ateigamento pode acelerar o proceso de pregamento, xa que unha proteína pregada compacta ocupará menos volume que unha cadea proteica non pregada.[14] Porén, o ateigamento de moléculas pode reducir o rendemento de proteínas correctamente pregadas ao incrementar a agregación de proteínas.[15][16] O ateigamento pode tamén incrementar a efectividade na célula das proteínas chaperonas como GroEL,[17] o cal podería contrarrestar esta redución na eficiencia do pregamento.[18] Ademais, o ateigamento macromolecular afecta á dinámica do pregamento das proteínas así como á forma global que adopta a proteína na que distintos cambios conformacionais van acompañados de alteracións da estrutura secundria, que implican que os cambios de forma inducidos polo ateigamento de moléculas poden ser importantes para o funcionamento correcto ou incorrecto das proteínas in vivo.[19]

Un exemplo especialmente claro da importancia dos efectos do ateigamento é o das proteínas chamadas cristalinas que enchen o interior da lente do ollo, o cristalino. Estas proteínas teñen que permanecer estables e en disolución para que o cristalino sexa transparente; a precipitación ou agregación de cristlinas causa as cataratas.[20] As cristalinas están presentes no cristalino en concentracións extremadamente altas, duns 500 mg/mL, e a estes niveis os efectos do ateigamento son moi fortes. Os grandes efectos do ateigamento engádense á estabilidade térmica das cristalinas, incrementando a súa resistencia á denaturalización.[21] Este efecto pode explicar en parte a extraordinaria resistencia mostrada polo cristalino aos danos causados polas altas temperaturas.[22]

Estudo[editar | editar a fonte]

Debido ao ateigmento macromolecular, os ensaios encimáticos e medidas biofísicas realizadas en solucións diluídas poden non reflectir os procesos reais e a súas cinéticas tal como ocorren no citosol.[23] Unha estratexia para obter medidas máis precisas é usar extractos de células moi concentrados, para así tratar de manter os contidos celulares en estado máis natural. Con todo, ditos extractos conteñen moitos tipos de moléculas activas bioloxicamente, as cales poden interferir no fenómeno que se está a estudar.[2] En consecuencia, os efectos do ateigamento de moléculas poden imitarse in vitro engadindo ao medio experimental altas concentracións de moléculas relativamente inertes como polietilén glicol, ficoll, dextrano ou albumina sérica.[5][24] Porén, usar ditos axentes causantes de ateigamento artificial pode ser complicado, xa que ditas moléculas poden ás veces interaccionar doutras maneiras co proceso que está sendo examinado, como pode ser uníndose feblemente a un dos compoñentes.[2]

No pregamento de proteínas[editar | editar a fonte]

A principal importancia do ateigamento macromolecular para os sistemas biolóxicos deriva do seu efecto sobre o pregmento de proteínas. Os mecanismos físicos subxacentes a este ateigamento macromolecular que axudan a estabilizar as proteínas no seu estado pregado explícanse xeralmente polo volume excluído (o volume inaccesible ás proteínas debido á súa interacción coas macromoléculas ateigantes).[25][26] Esta noción remóntase a Asakura e Oosawa, que describiran as forzas de depleción inducidas por interaccións estéricas.[27][28] Unha marca distintiva do mecanismo que se infire do dito anteriormente é que o efecto é completamente atérmico, e, por tanto, completamente entrópico. Estas ideas foron tamén propostas para explicar por que pequenos cosolutos, concretamente osmólitos protectores, que son excluídos preferencialmente das proteínas, tamén cambian o equilibrio de pregamento das proteínas cara ao estado pregado. Porén, demostrouse por varios métodos, tanto experimentais[29][30][31] coma teóricos,[32][33][34] que as forzas de depleción non son sempre de natureza entrópica.

En medicina rexenerativa[editar | editar a fonte]

Satyam et al. da Universidade Nacional de Irlanda, Galway (NUI Galway) propuxeron o uso do ateigamento macromolecular como un medio para crear equivalentes de tecido ricos en medio extracelular (MEC ou ECM). O principio do ateigamento macromolecular deriva da noción de que in vivo as células se encontran nun espazo extracelular moi ateigado/denso e, por tanto, a conversión do procoláxeno sintetizado de novo a coláxeno I é rápida. Porén, nas condicións de cultivo (por exemplo, medio nutriente HAM F10: 16.55 g/L; medio DMEM/ F12: 16.78 g/L; medio con alta glicosa e L-glutamina DMEM: 17.22 g/L) aínda substancialmente máis diluídas que as dos fluídos corporais (por exemplo, urina: 36–50 g/L; sangue: 80 g/L), a conversión limitante da velocidade de procoláxeno a coláxeno I é moi lenta. Confirmouse que a adición de macromoléculas polidispersadas inertes (presentadas como obxectos esféricos de diámetro variable en medios de cultivo) facilitará a amplificación da produción de substitutos vivos ricos en medio extracelular. O ateigamento macromolecular ao imitar a densidade localizada dos tecidos nativos, pode utilizarse par modular efectivamente microambientes in vitro e finalmente producir substitutos de células ricos en medio extracelular, en só horas de cultivo en vez de en días ou meses, sen comprometer as funcións celulares fundamentais.[35][36][37][38]

Notas[editar | editar a fonte]

  1. Goodsell DS (1991). "Inside a living cell". Trends Biochem. Sci. 16 (6): 203–6. PMID 1891800. doi:10.1016/0968-0004(91)90083-8. 
  2. 2,0 2,1 2,2 Ellis RJ (October 2001). "Macromolecular crowding: obvious but underappreciated". Trends Biochem. Sci. 26 (10): 597–604. PMID 11590012. doi:10.1016/S0968-0004(01)01938-7. 
  3. 3,0 3,1 Zimmerman SB, Trach SO (December 1991). "Estimation of macromolecule concentrations and excluded volume effects for the cytoplasm of Escherichia coli". J. Mol. Biol. 222 (3): 599–620. PMID 1748995. doi:10.1016/0022-2836(91)90499-V. 
  4. 4,0 4,1 Minton AP (July 2006). "How can biochemical reactions within cells differ from those in test tubes?". J. Cell. Sci. 119 (Pt 14): 2863–9. PMID 16825427. doi:10.1242/jcs.03063. 
  5. 5,0 5,1 5,2 Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Le Grice, Stuart F. J.; Abbondanzieri, Elio A. (2016-09-30). "DNA binding proteins explore multiple local configurations during docking via rapid rebinding". Nucleic Acids Research 44 (17): 8376–8384. ISSN 0305-1048. PMC 5041478. PMID 27471033. doi:10.1093/nar/gkw666. 
  6. Kubitschek HE (1 January 1990). "Cell volume increase in Escherichia coli after shifts to richer media". J. Bacteriol. 172 (1): 94–101. PMC 208405. PMID 2403552. 
  7. Blattner FR, Plunkett G, Bloch CA, et al. (September 1997). "The complete genome sequence of Escherichia coli K-12". Science 277 (5331): 1453–74. PMID 9278503. doi:10.1126/science.277.5331.1453. 
  8. Han MJ, Lee SY (June 2006). "The Escherichia coli proteome: past, present, and future prospects". Microbiol. Mol. Biol. Rev. 70 (2): 362–439. PMC 1489533. PMID 16760308. doi:10.1128/MMBR.00036-05. 
  9. Minton AP (October 1992). "Confinement as a determinant of macromolecular structure and reactivity". Biophys. J. 63 (4): 1090–100. Bibcode:1992BpJ....63.1090M. PMC 1262248. PMID 1420928. doi:10.1016/S0006-3495(92)81663-6. 
  10. 10,0 10,1 10,2 Minton AP (2001). "The influence of macromolecular crowding and macromolecular confinement on biochemical reactions in physiological media". J. Biol. Chem. 276 (14): 10577–80. PMID 11279227. doi:10.1074/jbc.R100005200. 
  11. Zhou HX, Rivas G, Minton AP (2008). "Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences". Annu Rev Biophys 37 (1): 375–97. PMC 2826134. PMID 18573087. doi:10.1146/annurev.biophys.37.032807.125817. 
  12. Zimmerman SB (November 1993). "Macromolecular crowding effects on macromolecular interactions: some implications for genome structure and function". Biochim. Biophys. Acta 1216 (2): 175–85. PMID 8241257. doi:10.1016/0167-4781(93)90142-Z. 
  13. Zimmerman SB, Harrison B (April 1987). "Macromolecular crowding increases binding of DNA polymerase to DNA: an adaptive effect". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 84 (7): 1871–5. Bibcode:1987PNAS...84.1871Z. PMC 304543. PMID 3550799. doi:10.1073/pnas.84.7.1871. 
  14. van den Berg B, Wain R, Dobson CM, Ellis RJ (August 2000). "Macromolecular crowding perturbs protein refolding kinetics: implications for folding inside the cell". EMBO J. 19 (15): 3870–5. PMC 306593. PMID 10921869. doi:10.1093/emboj/19.15.3870. 
  15. van den Berg B, Ellis RJ, Dobson CM (December 1999). "Effects of macromolecular crowding on protein folding and aggregation". EMBO J. 18 (24): 6927–33. PMC 1171756. PMID 10601015. doi:10.1093/emboj/18.24.6927. 
  16. Ellis RJ, Minton AP (May 2006). "Protein aggregation in crowded environments". Biol. Chem. 387 (5): 485–97. PMID 16740119. doi:10.1515/BC.2006.064. 
  17. Martin J, Hartl FU (February 1997). "The effect of macromolecular crowding on chaperonin-mediated protein folding". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94 (4): 1107–12. Bibcode:1997PNAS...94.1107M. PMC 19752. PMID 9037014. doi:10.1073/pnas.94.4.1107. 
  18. Ellis RJ (2007). "Protein misassembly: macromolecular crowding and molecular chaperones". Adv. Exp. Med. Biol. 594: 1–13. PMID 17205670. doi:10.1007/978-0-387-39975-1_1. 
  19. Dirar Homouz; Michael Perham; Antonios Samiotakis; Margaret S. Cheung & Pernilla Wittung-Stafshede (2008). "Crowded, cell-like environment induces shape changes in aspherical protein". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (33): 11754–11759. Bibcode:2008PNAS..10511754H. PMC 2515223. PMID 18697933. doi:10.1073/pnas.0803672105. 
  20. Benedek GB (1 September 1997). "Cataract as a protein condensation disease: the Proctor Lecture". Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 38 (10): 1911–21. PMID 9331254. 
  21. Steadman BL, Trautman PA, Lawson EQ, et al. (December 1989). "A differential scanning calorimetric study of the bovine lens crystallins". Biochemistry 28 (25): 9653–8. PMID 2611254. doi:10.1021/bi00451a017. 
  22. Bloemendal H, de Jong W, Jaenicke R, Lubsen NH, Slingsby C, Tardieu A (November 2004). "Ageing and vision: structure, stability and function of lens crystallins". Prog. Biophys. Mol. Biol. 86 (3): 407–85. PMID 15302206. doi:10.1016/j.pbiomolbio.2003.11.012. 
  23. Norris MG, Malys N (2011). "What is the true enzyme kinetics in the biological system? An investigation of macromolecular crowding effect upon enzyme kinetics of glucose-6-phosphate dehydrogenase". Biochem. Biophys. Res. Commun. 405 (3): 388–92. PMID 21237136. doi:10.1016/j.bbrc.2011.01.037. 
  24. Tokuriki N, Kinjo M, Negi S, et al. (January 2004). "Protein folding by the effects of macromolecular crowding". Protein Sci. 13 (1): 125–33. PMC 2286514. PMID 14691228. doi:10.1110/ps.03288104. 
  25. Minton, A. (1981). "Excluded Volume as a Determinant of Macromolecular Structure and Reactivity". Biopolymers 20: 2093–2120. doi:10.1002/bip.1981.360201006. 
  26. Parsegian, VA. (2002). "Protein-water interactions.". Int. Rev. Cytol. 215: 1–31. doi:10.1016/S0074-7696(02)15003-0. 
  27. Asakura, Sho; Oosawa, F (1 January 1954). "On Interaction between Two Bodies Immersed in a Solution of Macromolecules". The Journal of Chemical Physics 22 (7): 1255. Bibcode:1954JChPh..22.1255A. doi:10.1063/1.1740347. 
  28. Asakura, Sho; Oosawa, F. (1958). "Interaction between Particles Suspended in Solutions of Macromolecules". Journal of Polymer Science 33: 183–192. Bibcode:1958JPoSc..33..183A. doi:10.1002/pol.1958.1203312618. 
  29. Politi, R; Harries, D. (2010). "Enthalpically Driven Peptide Stabilization by Protective Osmolytes". Chem. Commun. 46: 6449–6451. doi:10.1039/c0cc01763a. 
  30. Benton, L.A.; Smith, A.E.; Young, G.B.; Pielak, G.J. (2012). "Unexpected Effects of Macromolecular Crowding on Protein Stability.". Biochemistry 51: 9773–9775. PMID 23167542. doi:10.1021/bi300909q. 
  31. Sukenik, S; Sapir, L.; Harries, D. (2013). "Balance of enthalpy and entropy in depletion forces.". Curr. Opin. Coll. Sci. 18: 495–501. doi:10.1016/j.cocis.2013.10.002. 
  32. Sapir, L; Harries, D. (2014). "Origin of Enthalpic Depletion Forces.". J. Phys. Chem. Lett. 5: 1061–1065. doi:10.1021/jz5002715. 
  33. Sapir, L; Harries, D. (2015). "Is the depletion force entropic? Molecular crowding beyond steric interactions.". Curr. Opin. Coll. Int. Sci. 20: 3–10. doi:10.1016/j.cocis.2014.12.003. 
  34. Sapir, L; Harries, D. (2015). "Macromolecular Stabilization by Excluded Cosolutes: Mean Field Theory of Crowded Solutions.". J. Chem. Theory Comput. 11: 3478–3490. doi:10.1021/acs.jctc.5b00258. 
  35. Satyam, Abhigyan; Kumar, Pramod; Fan, Xingliang; Gorelov, Alexander; Rochev, Yury; Joshi, Lokesh; Peinado, Héctor; Lyden, David; Thomas, Benjamin (2014-05-21). "Macromolecular crowding meets tissue engineering by self-assembly: a paradigm shift in regenerative medicine". Advanced Materials (Deerfield Beach, Fla.) 26 (19): 3024–3034. ISSN 1521-4095. PMID 24505025. doi:10.1002/adma.201304428. 
  36. Kumar, Pramod; Satyam, Abhigyan; Fan, Xingliang; Collin, Estelle; Rochev, Yury; Rodriguez, Brian J.; Gorelov, Alexander; Dillon, Simon; Joshi, Lokesh (2015-03-04). "Macromolecularly crowded in vitro microenvironments accelerate the production of extracellular matrix-rich supramolecular assemblies". Scientific Reports 5: 8729. ISSN 2045-2322. PMC 4348624. PMID 25736020. doi:10.1038/srep08729. 
  37. Satyam, Abhigyan; Kumar, Pramod; Cigognini, Daniela; Pandit, Abhay; Zeugolis, Dimitrios I. (2016-10-15). "Low, but not too low, oxygen tension and macromolecular crowding accelerate extracellular matrix deposition in human dermal fibroblast culture". Acta Biomaterialia 44: 221–231. ISSN 1878-7568. PMID 27506127. doi:10.1016/j.actbio.2016.08.008. 
  38. Modelo desbotado. Use un dos modelos de citas no lugar deste marcador.

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Outros artigos[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]