Hvordan inerte forbindelser kan stjæle ioner

Celler producerer mange forskellige komplekser. Disse komplekser kan optage 40% af cellens volumen, hvilket gør cellen til et ret overfyldt miljø. Af den grund er en fuldstændig beskrivelse af kompleks cellulær adfærd en udfordring, der kræver dybere undersøgelser. For at efterligne cellens overfyldte natur anvender forskere normalt kemisk inerte molekyler, som ikke-ioniske polymerer, og laver løsninger, der fungerer som forhindringer for biologisk aktive molekyler, mens de reagerer. Disse inerte forbindelser er dog ikke så inerte, som de burde være. Som det viser sig, har de en tendens til at "stjæle" ioner, og det var noget af et problem for forskerne. Selv en mindre ændring af ionkoncentrationen i cellen kan dramatisk påvirke biokemiske reaktioner. For nylig har forskere fra Institut for Fysisk Kemi, det polske Videnskabsakademi, ledet af prof. Robert Holyst, præsenterede forskning, der bringer os tættere på at forstå op til 1000 gange ændringer i ligevægtskonstanterne for biokemisk kompleksdannelse, der forekommer i meget overfyldte omgivelser.

Vores krop er lavet af mange komplekse strukturer, der arbejder sammen. Den indeholder billioner af celler - essentielle byggesten - og hver af dem er specialiseret i en anden funktion. Deres interne mekanismer er endnu ikke fuldt ud forstået, især når det kommer til de specifikke interaktioner mellem bestemte molekyler. Desuden afhænger mekanismen af ​​ionkoncentrationen i et bestemt område i cellen. Da vores krop håndterer milliarder af sådanne operationer hvert sekund, bemærker vi dem ikke engang. Biokemiske reaktioner, der finder sted inde i en celle, afhænger ofte af den ionstyrke, der definerer koncentrationen af ​​ioner i en given del af cellen. Derfor kan balancen i dannelsen af ​​mange biokemiske komplekser (f.eks. protein-protein, protein-RNA-komplekser eller dannelsen af ​​en DNA-dobbeltstreng) ændre sig væsentligt afhængigt af ionstyrken. Desuden har cellens overfyldte natur også indflydelse på sådanne kemiske processer.

Lad os se nærmere på cytoplasmaet inde i cellen. Det kan sammenlignes med en pool fyldt med komponenter i forskellige størrelser og former. Udover vand indeholder cytoplasma også ribosomer, små molekyler, proteiner eller protein-RNA-komplekser, filamentøse cytoskeletkomponenter, ioner og cellulære rum (f.eks. mitokondrier, lysosomer, kerne osv.). Dette gør cytoplasmaet til et ret komplekst og overfyldt miljø. Under sådanne forhold kan hver parameter som ionstyrke eller pH signifikant påvirke levende cellers biologi. En af mekanismerne til at holde den rette balance mellem ioner i cellen er natrium-kalium-pumper placeret i de biologiske membraner af et levende menneskes celler. De regulerer konstant ionernes niveau inde i hver celle.

Klassiske tilgange til bestemmelse af de cellulære mekanismer er ganske ofte baseret på målinger udført i et kunstigt miljø med brug af mange kemiske forbindelser, der efterligner cellernes indre. Indtil videre er forskning i det nøjagtige forløb af cellulære mekanismer alvorligt adskilt fra de processer, der forekommer naturligt, især når det drejer sig om interaktioner mellem makromolekyler. Undersøgelse af de biokemiske kompleksdannelsesprocesser er udfordrende, især i de ydre forhold, hvor ionerne til stede i de anvendte opløsninger også påvirker de endelige eksperimentelle resultater. For at efterligne det overfyldte cellulære miljø blev mange forskellige kædelignende molekyler som polyethylen og ethylenglycol, glycerol, ficoll og dextraner brugt i høje koncentrationer (selv ved 40-50% masse af opløsningen) til at tjene som viskøse medier. Hvorfor er de så populære? På grund af deres inerte natur. Nylige undersøgelser viser dog, at denne ejendom er en smule anderledes, end vi tror. Overraskende nok kan de "stjæle" ioner under biokemiske reaktioner.

Forskere fra Institute of Physical Chemistry, det polske videnskabsakademi ledet af professor Robert Holyst præsenterede en ny tilgang på dette område. De undersøgte hybridiseringen af ​​DNA'et. Da denne komplekse reaktion er følsom over for koncentrationen af ​​ioner på grund af opladningen af ​​dobbelthelixstrenge i visse omgivelser, blev den valgt som en god indikator for dette eksperiment. Baseret på denne model undersøgte forskerne kompleksdannelsen af ​​bestemte ioner som natrium Na ⁺ i tilstedeværelse af forskellige molekyler og samtidig opretholde et overfyldt miljø. De ændrede også viskositeten af ​​opløsningen ved at bruge molekyler, hvilket øgede crowding.

"Vi undersøgte en kompleks biokemisk reaktion i funktion af ionstyrken, der beskriver ionkoncentrationen i opløsningen og den effektive elektrostatiske frastødningsafstand mellem bestemte molekyler" bemærker førsteforfatter Krzysztof Bielec.

De udførte forsøg har vist, at interaktionerne mellem molekylerne forstærkes ved en højere saltkoncentration. Desuden påvirker tilsætningen af ​​polymerer, der øger den molekylære trængsel og viskositeten til reaktionsmiljøet, også dynamikken i biokemiske processer, hvilket hindrer dannelsen af ​​komplekser. I et overfyldt miljø kan kompleksdannelsen være endda 1000 gange mindre gunstig end i ren buffer. Disse resultater viser, at de biokemiske reaktioner kan forstyrres selv med mindre ændringer i de eksperimentelle forhold.

Krzysztof Bielec hævder, at "dannelsen af ​​en dobbeltstrenget DNA-rygrad er baseret på elektrostatisk interaktion mellem to komplementære, negativt ladede strenge. Vi overvågede effekten af ​​det overfyldte miljø på hybridiseringen af ​​komplementære strenge i det nanomolære biokemiske koncentrationsregime, og derefter , bestemte vi kompleksdannelsen af ​​natriumioner af crowders. Dernæst bestemte vi natriumionkomplekseringen afhængigt af crowding-miljøet. Bindingsstedet for kation i crowder-strukturen kan variere selv mellem crowders af den samme bindingsdel (funktionel gruppe). Derfor, vi beregnede interaktionen med crowder pr. molekyle eller monomer (i tilfælde af polymerer). Denne model forenkler interaktionerne mellem ioner og crowder-molekyler."

Til forskernes store overraskelse viste det sig, at almindeligt betragtede ikke-reaktive ikke-ioniske polymerer, der bruges til at efterligne cytoplasmatiske tilstande, kan komplicere (i en vis forstand "stjæle") de ioner, der er nødvendige for effektiv DNA-hybridisering. Selvom det ikke er en dominerende vekselvirkning mellem disse polymerer og ioner, når en enorm koncentration af polymerer (adskillige dusin procent af opløsningsmassen) bruges, er effekten mærkbar og vigtig for forløbet af biokemiske processer. Ved at bestemme stabiliteten af ​​de komplekser, der dannes i nærværelse af særlige crowders, hævder forfatterne, at de kan demonstrere ionernes indflydelse på det molekylære niveau, der efterligner naturen. Disse eksperimenter kaster lys over de uklare mekanismer i cellerne og påpeger vigtigheden af ​​den dybere analyse af de undersøgte reaktioner i det kunstige miljø.

Takket være resultaterne præsenteret af forskere fra IPC PAS er vi et skridt tættere på at forstå bestemte molekylære processer i levende celler. En detaljeret beskrivelse af mekanismerne på molekylær skala har praktiske implikationer; for eksempel er det ekstremt vigtigt for at designe nye lægemidler, især for at forudsige særlige processer, der opstår i de overfyldte celler under behandlingen. Det kan være nyttigt i den præcise planlægning af eksperimenterne i.

Forskningen blev offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters . + Udforsk yderligere

Forskere udvikler et molekyle, der hæmmer degenerative processer relateret til Alzheimers sygdom