El fenómeno del apiñamiento macromolecular altera las propiedades de las moléculas en una solución cuando están presentes altas concentraciones de macromoléculas como las proteínas . [2] Estas condiciones ocurren de forma rutinaria en las células vivas ; por ejemplo, el citosol de Escherichia coli contiene alrededor de 300–400 mg / ml de macromoléculas. [3] El apiñamiento ocurre debido a que estas altas concentraciones de macromoléculas reducen el volumen de solvente disponible para otras moléculas en la solución, lo que tiene el resultado de incrementar sus concentraciones efectivas. El apiñamiento puede promover la formación de un condensado biomolecular por separación de fases coloidal .
Este efecto de apiñamiento puede hacer que las moléculas en las células se comporten de formas radicalmente diferentes a las de los ensayos de probeta. [4] En consecuencia, las mediciones de las propiedades de las enzimas o procesos en el metabolismo que se realizan en el laboratorio ( in vitro ) en soluciones diluidas pueden diferir en muchos órdenes de magnitud de los valores reales observados en células vivas ( in vivo ). El estudio de los procesos bioquímicos en condiciones realistas de hacinamiento es muy importante, ya que estas condiciones son una propiedad ubicua de todas las células y el hacinamiento puede ser esencial para el funcionamiento eficiente del metabolismo. De hecho, los estudios in vitro mostraron que el hacinamiento influye en gran medida en la estabilidad de unión de las proteínas al ADN. [5]
Causa y efectos
El interior de las celdas es un entorno abarrotado. Por ejemplo, una célula de Escherichia coli tiene solo unos 2 micrómetros (μm) de largo y 0,5 μm de diámetro, con un volumen celular de 0,6 - 0,7 μm 3 . [6] Sin embargo, E. coli puede contener hasta 4288 tipos diferentes de proteínas, [7] y alrededor de 1000 de estos tipos se producen a un nivel lo suficientemente alto como para ser detectado fácilmente. [8] A esta mezcla se añaden varias formas de ARN y el cromosoma del ADN de la célula , lo que da una concentración total de macromoléculas de entre 300 y 400 mg / ml. [3] En los eucariotas, el interior de la célula está aún más poblado por los filamentos de proteínas que forman el citoesqueleto , esta red divide el citosol en una red de poros estrechos. [9]
Estas altas concentraciones de macromoléculas ocupan una gran proporción del volumen de la célula, lo que reduce el volumen de disolvente disponible para otras macromoléculas. Este efecto de volumen excluido aumenta la concentración efectiva de macromoléculas (aumentando su actividad química ), lo que a su vez altera las velocidades y las constantes de equilibrio de sus reacciones. [10] En particular, este efecto altera las constantes de disociación al favorecer la asociación de macromoléculas, 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 . [11] El hacinamiento también puede afectar las reacciones enzimáticas que involucran moléculas pequeñas si la reacción involucra un gran cambio en la forma de la enzima. [10]
El tamaño del efecto de apiñamiento depende tanto de la masa molecular como de la forma de la molécula involucrada, aunque la masa parece ser el factor principal, y el efecto es más fuerte con moléculas más grandes. [10] En particular, el tamaño del efecto no es lineal, por lo que las macromoléculas se ven mucho más afectadas que las moléculas pequeñas como los aminoácidos o los azúcares simples . El apiñamiento macromolecular es, por tanto, un efecto que ejercen las moléculas grandes sobre las propiedades de otras moléculas grandes.
Importancia
El hacinamiento macromolecular es un efecto importante en bioquímica y biología celular . Por ejemplo, el aumento de la fuerza de las interacciones entre las proteínas y el ADN [5] producido por el hacinamiento puede ser de importancia clave en procesos como la transcripción y la replicación del ADN . [12] [13] También se ha sugerido que el hacinamiento está involucrado en procesos tan diversos como la agregación de hemoglobina en la enfermedad de células falciformes y las respuestas de las células a cambios en su volumen. [4]
La importancia del hacinamiento en el plegamiento de proteínas es de particular interés en biofísica . Aquí, el efecto de apiñamiento puede acelerar el proceso de plegado, ya que una proteína plegada compacta ocupará menos volumen que una cadena de proteína desplegada. [14] Sin embargo, el hacinamiento puede reducir el rendimiento de proteína correctamente plegada al aumentar la agregación de proteínas . [15] [16] El hacinamiento también puede aumentar la efectividad de las proteínas chaperonas como GroEL en la célula, [17] lo que podría contrarrestar esta reducción en la eficiencia del plegado. [18] También se ha demostrado que el apiñamiento macromolecular afecta la dinámica de plegamiento de proteínas, así como la forma general de la proteína, donde los cambios conformacionales distintos se acompañan de alteraciones de la estructura secundaria, lo que implica que los cambios de forma inducidos por el apiñamiento pueden ser importantes para la función y el mal funcionamiento de las proteínas in vivo. [19]
Un ejemplo particularmente llamativo de la importancia de los efectos de apiñamiento son los cristalinos que llenan el interior de la lente . Estas proteínas deben permanecer estables y en solución para que el cristalino sea transparente; la precipitación o agregación de cristalinas provoca cataratas . [20] Las cristalinas están presentes en el cristalino en concentraciones extremadamente altas, por encima de 500 mg / ml, ya estos niveles los efectos de apiñamiento son muy fuertes. El gran efecto de apiñamiento se suma a la estabilidad térmica de las cristalinas, aumentando su resistencia a la desnaturalización . [21] Este efecto puede explicar en parte la extraordinaria resistencia mostrada por la lente a los daños causados por las altas temperaturas. [22]
Estudio
Debido al apiñamiento macromolecular, los ensayos enzimáticos y las mediciones biofísicas realizadas en solución diluida pueden no reflejar el proceso real y su cinética que tiene lugar en el citosol. [23] Un enfoque para producir mediciones más precisas sería utilizar extractos de células altamente concentrados, para tratar de mantener el contenido de las células en un estado más natural. Sin embargo, dichos extractos contienen muchos tipos de moléculas biológicamente activas, que pueden interferir con los fenómenos que se están estudiando. [2] En consecuencia, los efectos de apiñamiento se imitan in vitro mediante la adición de altas concentraciones de moléculas relativamente inertes como polietilenglicol , ficoll , dextrano o albúmina sérica a los medios experimentales. [5] [24] Sin embargo, el uso de tales agentes de hacinamiento artificial puede ser complicado, ya que estas moléculas de hacinamiento a veces pueden interactuar de otras formas con el proceso que se está examinando, como uniéndose débilmente a uno de los componentes. [2]
Apiñamiento macromolecular y plegamiento de proteínas
Una gran importancia del apiñamiento macromolecular para los sistemas biológicos proviene de su efecto sobre el plegamiento de proteínas . El mecanismo físico subyacente por el cual el apiñamiento macromolecular ayuda a estabilizar las proteínas en su estado plegado a menudo se explica en términos de volumen excluido, el volumen inaccesible para las proteínas debido a su interacción con los agrupamientos macromoleculares. [25] [26] Esta noción se remonta a Asakura y Oosawa, quienes han descrito las fuerzas de agotamiento inducidas por interacciones estéricas y duras. [27] [28] Un sello distintivo del mecanismo inferido de lo anterior es que el efecto es completamente atérmico y, por lo tanto, completamente entrópico. Estas ideas también se propusieron para explicar por qué los pequeños cosolutos, a saber, los osmolitos protectores , que se excluyen preferentemente de las proteínas, también desplazan el equilibrio de plegamiento de proteínas hacia el estado plegado. [29] Sin embargo, se ha demostrado mediante varios métodos, tanto experimentales [30] [31] [32] como teóricos, [33] [34] [35] que las fuerzas de agotamiento no siempre son de naturaleza entrópica.
Hacinamiento macromolecular en medicina regenerativa
Satyam y col. de la Universidad Nacional de Irlanda, Galway (NUI Galway) propuso el apiñamiento macromolecular como medio para crear equivalentes de tejido ricos en ECM. El principio de apiñamiento macromolecular se deriva de la noción de que las células in vivo residen en un espacio extracelular denso / muy abarrotado y, por tanto, la conversión del procolágeno sintetizado de novo en colágeno I es rápida. Sin embargo, en las condiciones de cultivo incluso sustancialmente más diluidas que las corporales (p. Ej., Orina: 36-50 g / L; sangre: 80 g / L) condiciones de cultivo (p. Ej., Medio nutritivo HAM F10: 16,55 g / L; medio DMEM / F12: 16,78 g / L; medio DMEM con alto contenido de glucosa y L-glutamina: 17,22 g / L), la velocidad que limita la conversión de procolágeno en colágeno I es muy lenta. Se confirmó que la adición de macromoléculas polidispersas inertes (presentadas como objetos esféricos de diámetro variable) en los medios de cultivo facilitará la producción amplificada de sustitutos vivos ricos en ECM. El apiñamiento macromolecular, imitando la densidad localizada del tejido nativo, se puede utilizar para modular eficazmente microambientes in vitro y finalmente producir sustitutos celulares ricos en ECM, en cuestión de horas en lugar de días o meses en cultivo, sin comprometer las funciones celulares fundamentales. [36] [37] [38] [39]
Ver también
- Solución ideal
- Propiedades coligativas
Referencias
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