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Hacinamiento macromolecular

El hacinamiento macromolecular en el citosol de las células altera las propiedades de macromoléculas como las proteínas y los ácidos nucleicos . [1]

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 células vivas ; por ejemplo, el citosol de Escherichia coli contiene alrededor de 300–400  mg / ml de macromoléculas. [3] El hacinamiento ocurre porque estas altas concentraciones de macromoléculas reducen el volumen de solvente disponible para otras moléculas en la solución, lo que tiene el resultado de aumentar sus concentraciones efectivas. El hacinamiento puede promover la formación de un condensado biomolecular por separación de fases coloidales .

Este efecto de aglomeración puede hacer que las moléculas en las células se comporten de maneras radicalmente diferentes a las de los ensayos en tubos de ensayo. [4] En consecuencia, las mediciones de las propiedades de las enzimas o de los procesos del metabolismo que se realizan en el laboratorio ( in vitro ) en soluciones diluidas pueden ser diferentes en muchos órdenes de magnitud de los valores reales observados en células vivas ( in vivo ). El estudio de los procesos bioquímicos en condiciones de aglomeración realistas es muy importante, ya que estas condiciones son una propiedad ubicua de todas las células y la aglomeración puede ser esencial para el funcionamiento eficiente del metabolismo. De hecho, los estudios in vitro han demostrado que la aglomeración influye en gran medida en la estabilidad de la unión de las proteínas al ADN. [5]

Causa y efectos

El interior de las células es un entorno abarrotado. Por ejemplo, una célula de Escherichia coli tiene sólo 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 4.288 tipos diferentes de proteínas, [7] y alrededor de 1.000 de estos tipos se producen a un nivel suficientemente alto como para ser fácilmente detectados. [8] A esta mezcla se suman 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 los eucariotas, el interior de la célula está abarrotado aún más por los filamentos de proteínas que forman el citoesqueleto , esta red divide el citosol en una red de poros estrechos. [9]

Volumen de disolvente accesible (rojo) para dos moléculas de tamaños muy diferentes (círculos negros) en altas concentraciones de macromoléculas (círculos grises). Al reducir el volumen disponible se aumenta la concentración efectiva de macromoléculas.

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 (incrementando 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 proteicos , o cuando las proteínas de unión al ADN se unen a sus objetivos en el genoma . [11] El hacinamiento también puede afectar a 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 aglomeración 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] Cabe destacar que 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 . Por lo tanto, la aglomeración macromolecular es un efecto ejercido por moléculas grandes sobre las propiedades de otras moléculas grandes.

Importancia

El hacinamiento macromolecular es un efecto importante en la bioquímica y la 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 los cambios en su volumen. [4]

La importancia del hacinamiento en el plegamiento de proteínas es de particular interés en biofísica . Aquí, el efecto de hacinamiento puede acelerar el proceso de plegamiento, ya que una proteína plegada compacta ocupará menos volumen que una cadena proteica desplegada. [14] Sin embargo, el hacinamiento puede reducir el rendimiento de la proteína plegada correctamente al aumentar la agregación proteica . [15] [16] El hacinamiento también puede aumentar la eficacia de las proteínas chaperonas como GroEL en la célula, [17] lo que podría contrarrestar esta reducción en la eficiencia del plegamiento. [18] También se ha demostrado que el hacinamiento macromolecular afecta la dinámica del plegamiento de proteínas, así como la forma general de la proteína, donde los cambios conformacionales distintivos están acompañados de alteraciones estructurales secundarias, lo que implica que los cambios de forma inducidos por el hacinamiento pueden ser importantes para la función y el mal funcionamiento de la proteína in vivo. [19]

Un ejemplo particularmente llamativo de la importancia de los efectos de apiñamiento son las cristalinas que llenan el interior del cristalino . Estas proteínas tienen que permanecer estables y en solución para que el cristalino sea transparente; la precipitación o agregación de cristalinas causa cataratas . [20] Las cristalinas están presentes en el cristalino en concentraciones extremadamente altas, más de 500 mg/ml, y en 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 que muestra el cristalino al daño causado por altas temperaturas. [22]

El hacinamiento también puede desempeñar un papel en enfermedades que implican agregación de proteínas, como la anemia de células falciformes , donde la hemoglobina mutante forma agregados, y la enfermedad de Alzheimer , donde la proteína tau forma ovillos neurofibrilares en condiciones de hacinamiento dentro de las neuronas. [4] [23]

Estudiar

Debido al hacinamiento 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. [24] Un enfoque para producir mediciones más precisas sería utilizar extractos de células altamente concentrados, para tratar de mantener el contenido celular 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 hacinamiento se imitan in vitro agregando altas concentraciones de moléculas relativamente inertes como polietilenglicol , ficoll , dextrano o albúmina sérica a medios experimentales. [5] [25] Sin embargo, el uso de tales agentes de hacinamiento artificiales puede ser complicado, ya que estas moléculas de hacinamiento a veces pueden interactuar de otras maneras con el proceso que se está examinando, como uniéndose débilmente a uno de los componentes. [2]

Aglomeración macromolecular y plegamiento de proteínas

Una de las principales importancias del hacinamiento macromolecular para los sistemas biológicos se deriva de su efecto sobre el plegamiento de proteínas . El mecanismo físico subyacente por el cual el hacinamiento macromolecular ayuda a estabilizar las proteínas en su estado plegado se explica a menudo en términos de volumen excluido: el volumen inaccesible a las proteínas debido a su interacción con los aglomerantes macromoleculares. [26] [27] Esta noción se remonta a Asakura y Oosawa, quienes han descrito fuerzas de agotamiento inducidas por interacciones estéricas de núcleo duro. [28] [29] Una característica distintiva del mecanismo inferido de lo anterior es que el efecto es completamente a-térmico y, por lo tanto, completamente entrópico. Estas ideas también se propusieron para explicar por qué los cosolutos pequeños, es decir, los osmolitos protectores , que se excluyen preferentemente de las proteínas, también desplazan el equilibrio de plegamiento de las proteínas hacia el estado plegado. [30] Sin embargo, se ha demostrado mediante diversos métodos, tanto experimentales [31] [32] [33] como teóricos, [34] [35] [36] que las fuerzas de agotamiento no siempre son de naturaleza entrópica.


Véase también

Referencias

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