Vanliga polymerer som används för att efterlikna den naturliga trängseln inuti cellen kan "stjäla" joner. De är riktiga jontjuvar! Kredit:IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski
Celler producerar många olika komplex. Dessa komplex kan uppta 40 % av cellens volym, vilket gör cellen till en ganska trång miljö. Av den anledningen är en fullständig beskrivning av komplext cellulärt beteende en utmaning som kräver djupare utredning. För att efterlikna cellens trånga natur använder forskare vanligtvis kemiskt inerta molekyler, som icke-joniska polymerer, och gör lösningar som fungerar som hinder för biologiskt aktiva molekyler medan de reagerar. Dessa inerta föreningar är dock inte så inerta som de borde vara. Det visar sig att de tenderar att "stjäla" joner och det var ett stort problem för forskarna. Även en mindre förändring av jonkoncentrationen i cellen kan dramatiskt påverka biokemiska reaktioner. Nyligen har forskare från Institutet för fysikalisk kemi, polska vetenskapsakademin, ledd av prof. Robert Holyst, presenterade forskning som för oss närmare att förstå upp till 1000-faldiga förändringar i jämviktskonstanter för biokemisk komplexbildning som sker i mycket trång miljö.
Vår kropp är gjord av många komplexa strukturer som arbetar tillsammans. Den innehåller biljoner celler - väsentliga byggstenar - och var och en av dem är specialiserade på olika funktioner. Deras inre mekanismer är ännu inte helt klarlagda, särskilt när det kommer till de specifika interaktionerna mellan särskilda molekyler. Dessutom beror mekanismen på jonkoncentrationen i ett visst område i cellen. Eftersom vår kropp hanterar miljarder sådana operationer varje sekund, märker vi dem inte ens. Biokemiska reaktioner som äger rum inuti en cell beror ofta på jonstyrkan som definierar koncentrationen av joner i en given del av cellen. Därför kan balansen mellan bildandet av många biokemiska komplex (t.ex. protein-protein, protein-RNA-komplex eller bildandet av en dubbelsträng DNA) förändras avsevärt beroende på jonstyrkan. Dessutom har cellens trånga natur också en inverkan på sådana kemiska processer.
Låt oss ta en närmare titt på cytoplasman inuti cellen. Det kan jämföras med en pool full av komponenter i olika storlekar och former. Förutom vatten innehåller cytoplasman också ribosomer, små molekyler, proteiner eller protein-RNA-komplex, trådformiga cytoskelettkomponenter, joner och cellulära kompartment (t.ex. mitokondrier, lysosomer, kärna etc.). Detta gör cytoplasman till en ganska komplex och trång miljö. Under sådana förhållanden kan varje parameter som jonstyrka eller pH avsevärt påverka biologin hos levande celler. En av mekanismerna för att hålla balansen mellan joner i cellen är natrium-kaliumpumpar placerade i de biologiska membranen av en levande människas celler. De reglerar ständigt jonernas nivå inuti varje cell.
Klassiska tillvägagångssätt för bestämning av de cellulära mekanismerna är ganska ofta baserade på mätningar som utförs i en artificiell miljö med användning av många kemiska föreningar som efterliknar cellernas inre. Hittills är forskning om det exakta förloppet av cellulära mekanismer starkt skild från processerna som sker naturligt, särskilt när det gäller interaktioner mellan makromolekyler. Undersökningen av de biokemiska komplexbildningsprocesserna är utmanande, särskilt i de yttre förhållandena där jonerna som finns i de använda lösningarna också påverkar de slutliga experimentella resultaten. För att efterlikna den trånga cellmiljön användes många olika kedjeliknande molekyler som polyetylen och etylenglykol, glycerol, ficoll och dextraner i höga koncentrationer (även vid 40-50% av lösningens massa) för att fungera som trögflytande media. Varför är de så populära? På grund av deras inerta natur. Nyligen genomförda studier visar dock att den här egenskapen är lite annorlunda än vi tror. Överraskande nog kan de "stjäla" joner under biokemiska reaktioner.
Forskare från Institutet för fysikalisk kemi, polska vetenskapsakademin under ledning av professor Robert Holyst presenterade ett nytt tillvägagångssätt inom detta område. De undersökte hybridiseringen av DNA:t. Eftersom denna komplexa reaktion är känslig för koncentrationen av joner på grund av laddningen av dubbla helixsträngar i vissa omgivningar, valdes den som en bra indikator för detta experiment. Baserat på den modellen undersökte forskarna komplexbildningen av vissa joner som natrium Na + i närvaro av olika molekyler samtidigt som en trång miljö bibehålls. De ändrade också lösningens viskositet genom att använda molekyler som ökade trängseln.
"Vi utforskade en komplex biokemisk reaktion som funktion av jonstyrkan som beskriver jonkoncentrationen i lösningen och det effektiva elektrostatiska avstötningsavståndet mellan särskilda molekyler", säger första författaren Krzysztof Bielec.
De utförda experimenten har visat att interaktionerna mellan molekylerna förbättras vid en högre saltkoncentration. Dessutom påverkar tillsatsen av polymerer som ökar den molekylära trängseln och viskositeten till reaktionsmiljön också dynamiken i biokemiska processer, vilket hindrar bildandet av komplex. I en trång miljö kan komplexbildningen vara till och med 1000 gånger mindre gynnsam än i ren buffert. Dessa resultat visar att de biokemiska reaktionerna kan störas även med mindre förändringar i de experimentella förhållandena.
Krzysztof Bielec hävdar att "bildningen av en dubbelsträngad DNA-ryggrad är baserad på elektrostatisk interaktion mellan två komplementära, negativt laddade strängar. Vi övervakade effekten av den trånga miljön på hybridiseringen av komplementära strängar i den nanomolära biokemiska koncentrationsregimen, och sedan , bestämde vi komplexbildningen av natriumjoner av crowders. Därefter bestämde vi natriumjonskomplexbildningen beroende på trängningsmiljön. Bindningsstället för katjon inom crowderstrukturen kan skilja sig även mellan crowders av samma bindningsgrupp (funktionell grupp). Därför, vi beräknade interaktionen med crowder per molekyl eller monomer (när det gäller polymerer). Denna modell förenklar interaktionerna mellan joner och crowder-molekyler."
Mycket till forskarnas förvåning visade det sig att allmänt betraktade icke-reaktiva nonjoniska polymerer som används för att efterlikna cytoplasmatiska förhållanden kan komplexbilda (på sätt och vis "stjäla") de joner som är nödvändiga för effektiv DNA-hybridisering. Även om det inte är en dominerande interaktion mellan dessa polymerer och joner, när en enorm koncentration av polymerer (flera dussin procent av lösningens massa) används, är effekten märkbar och viktig för förloppet av biokemiska processer. Genom att bestämma stabiliteten hos de komplex som bildas i närvaro av speciella folkmassor, hävdar författarna att de kan visa jonernas inverkan på den molekylära nivån som efterliknar naturen. Dessa experiment belyser de oklara mekanismerna i cellerna och pekar på vikten av den djupare analysen av de reaktioner som undersöks i den konstgjorda miljön.
Tack vare resultaten som presenterats av forskare från IPC PAS är vi ett steg närmare att förstå specifika molekylära processer i levande celler. En detaljerad beskrivning av mekanismerna i molekylär skala har praktiska implikationer; till exempel är det oerhört viktigt för att designa nya läkemedel, särskilt för att förutsäga särskilda processer som inträffar i de trånga cellerna under behandlingen. Det kan vara till hjälp vid den exakta planeringen av experimenten i.
Forskningen publicerades i The Journal of Physical Chemistry Letters . + Utforska vidare
