El fenómeno del hacinamiento macromolecular altera las propiedades de las moléculas en una solución cuando están presentes altas concentraciones de macromoléculas como las proteínas . [2] Tales condiciones ocurren rutinariamente en las células vivas ; por ejemplo, el citosol de Escherichia coli contiene alrededor de 300–400 mg/ml de macromoléculas. [3] El hacinamiento ocurre ya que estas altas concentraciones de macromoléculas reducen el volumen de solvente disponible para otras moléculas en la solución, lo que tiene como resultado aumentar sus concentraciones efectivas. El hacinamiento puede promover la formación de un condensado biomolecular por separación de fases coloidal .
Este efecto de hacinamiento puede hacer que las moléculas en las células se comporten de formas radicalmente diferentes que en los ensayos de probeta. [4] En consecuencia, las mediciones de las propiedades de las enzimas o los procesos del 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 las 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 han demostrado que el hacinamiento influye en gran medida en la estabilidad de unión de las proteínas al ADN.[5]
El interior de las celdas es un ambiente lleno de gente. Por ejemplo, una célula de Escherichia coli mide solo unos 2 micrómetros (μm) de largo y 0,5 μm de diámetro, con un volumen celular de 0,6 a 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 en un nivel lo suficientemente alto como para ser detectados fácilmente. [8] A esta mezcla se añaden varias formas de ARN y el cromosoma de ADN de la célula , lo que da una concentración total de macromoléculas de entre 300 y 400 mg/ml. [3] En eucariotasel interior de la célula está aún más ocupado por los filamentos de proteínas que forman el citoesqueleto , esta malla divide el citosol en una red de poros estrechos. [9]
Estas altas concentraciones de macromoléculas ocupan una gran proporción del volumen de la celda, 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 implica un gran cambio en la forma de la enzima. [10]
El tamaño del efecto de hacinamiento depende tanto de la masa molecular como de la forma de la molécula involucrada, aunque la masa parece ser el factor principal, siendo el efecto 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 hacinamiento macromolecular es, por lo tanto, un efecto ejercido por moléculas grandes sobre las propiedades de otras moléculas grandes.
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] producidas por el hacinamiento puede tener una 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 los cambios en su volumen. [4]