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Apiñamiento macromolecular

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

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] 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 apiñamiento se produce porque estas altas concentraciones de macromoléculas reducen el volumen de disolvente disponible para otras moléculas en la solución, lo que tiene como resultado un aumento de sus concentraciones efectivas. El hacinamiento puede promover la formación de un condensado biomolecular mediante separación de fases coloidales .

Este efecto de apiñamiento puede hacer que las moléculas en las células se comporten de maneras radicalmente diferentes que en 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 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 hacinamiento realistas 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, estudios in vitro han demostrado que el hacinamiento influye en gran medida en la estabilidad de la unión de las proteínas al ADN. [5]

Causa y efectos

El interior de las celdas es un ambiente abarrotado. Por ejemplo, una célula de Escherichia coli mide sólo 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 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]

El volumen de disolvente accesible (rojo) para dos moléculas de tamaños muy diferentes (círculos negros) en altas concentraciones de macromoléculas (círculos grises). La reducción del volumen disponible 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 (aumentando su actividad química ), lo que a su vez altera las velocidades y 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 las reacciones enzimáticas que involucran moléculas pequeñas si la reacción implica un gran cambio en la forma de la enzima. [10]

La magnitud 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, 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 . Por tanto, el apiñamiento macromolecular es un efecto ejercido por moléculas grandes sobre las propiedades de otras moléculas grandes.

Importancia

El apiñamiento macromolecular es un efecto importante en bioquímica y biología celular . Por ejemplo, el aumento en la fuerza de las interacciones entre las proteínas y el ADN [5] producidas 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 apiñamiento está involucrado en procesos tan diversos como la agregación de hemoglobina en la anemia falciforme 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 apiñamiento 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 proteínas correctamente plegadas al aumentar la agregación de proteínas . [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 apiñamiento macromolecular afecta la dinámica de plegamiento de proteínas, así como la forma general de la proteína, donde los distintos cambios conformacionales van acompañados 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 sorprendente de la importancia de los efectos de apiñamiento tiene que ver con las cristalinas que llenan el interior de la lente . 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, superiores a 500 mg/ml, y en estos niveles los efectos de apiñamiento son muy fuertes. El gran efecto de apiñamiento aumenta la estabilidad térmica de las cristalinas, aumentando su resistencia a la desnaturalización . [21] Este efecto puede explicar en parte la extraordinaria resistencia que muestra la lente al daño causado por las 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 de las células en un estado más natural. Sin embargo, estos extractos contienen muchos tipos de moléculas biológicamente activas que pueden interferir con los fenómenos en estudio. [2] En consecuencia, los efectos de apiñamiento se imitan in vitro añadiendo altas concentraciones de moléculas relativamente inertes como polietilenglicol , ficoll , dextrano o albúmina sérica a los medios experimentales. [5] [25] Sin embargo, el uso de tales agentes de apiñamiento artificiales puede ser complicado, ya que estas moléculas de apiñamiento a veces pueden interactuar de otras maneras con el proceso que se examina, como uniéndose débilmente a uno de los componentes. [2]

Apiñamiento macromolecular y plegamiento de proteínas.

Una gran importancia del hacinamiento macromolecular para los sistemas biológicos surge 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 se explica a menudo en términos de volumen excluido: el volumen inaccesible a las proteínas debido a su interacción con los apiñamientos macromoleculares. [26] [27] Esta noción se remonta a Asakura y Oosawa, quienes han descrito fuerzas de agotamiento inducidas por interacciones estéricas y de núcleo duro. [28] [29] Una característica distintiva 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 cosolutos pequeños, es decir, los osmolitos protectores , que están preferentemente excluidos de las proteínas, también desplazan el equilibrio de plegamiento de las proteínas hacia el estado plegado. [30] Sin embargo, se ha demostrado mediante varios métodos, tanto experimentales [31] [32] [33] como teóricos, [34] [35] [36] que las fuerzas de agotamiento no siempre son de naturaleza entrópica.

Apiñamiento macromolecular en medicina regenerativa

Satyam et al. 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 muy poblado/denso y, por lo tanto, la conversión del procolágeno sintetizado de novo en colágeno I es rápida. Sin embargo, en condiciones de cultivo incluso sustancialmente más diluidas que los fluidos corporales (p. ej., orina: 36–50 g/L; sangre: 80 g/L) (p. ej., medio nutritivo HAM F10: 16,55 g/L; medio DMEM/F12: 16,78 g/L; medio DMEM alto en 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, al imitar la densidad localizada del tejido nativo, se puede utilizar para modular eficazmente los microambientes in vitro y, en última instancia, producir sustitutos celulares ricos en ECM, en cuestión de horas en lugar de días o meses en cultivo, sin comprometer las funciones celulares fundamentales. [37] [38] [39] [40] Un estudio reciente realizado por investigadores de la Universidad de Twente ha demostrado que emular el apiñamiento molecular fisiológico puede mejorar las propiedades condrogénicas de los condrocitos dañados. [41]

Ver también

Referencias

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