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Aglomeración 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 de la concentr...

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

El fenómeno de la concentración macromolecular altera las propiedades de las moléculas en una solución cuando hay altas concentraciones de macromoléculas , como las proteínas . [ 2 ] Estas condiciones se dan habitualmente en las células vivas ; por ejemplo, el citosol de Escherichia coli contiene aproximadamente 300–400 mg / ml de macromoléculas. [ 3 ] La concentración macromolecular se produce porque estas altas concentraciones reducen el volumen de disolvente disponible para otras moléculas en la solución, lo que resulta en un aumento de sus concentraciones efectivas. La concentración macromolecular puede promover la formación de un condensado biomolecular mediante separación de fases coloidal . 

Este efecto de hacinamiento puede hacer que las moléculas en las células se comporten de maneras radicalmente diferentes a como lo hacen en los ensayos in vitro. [ 4 ] En consecuencia, las mediciones de las propiedades de las enzimas o los procesos metabólicos 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 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, los estudios in vitro han demostrado que el hacinamiento influye enormemente en la estabilidad de la unión de las proteínas al ADN. [ 5 ]

Causas y efectos

El interior de las células es un entorno densamente poblado. 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 - 0,7 μm³ . [ 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 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 aún más densamente poblado por los filamentos proteicos que componen 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) a altas concentraciones de macromoléculas (círculos grises). Al reducir el 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 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 dianas 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 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 en moléculas más grandes. [ 10 ] Cabe destacar que la magnitud 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, el hacinamiento macromolecular es 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 en la fuerza de las interacciones entre proteínas y ADN [ 5 ] producido por el hacinamiento puede ser de vital importancia 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 . En este caso, el efecto de hacinamiento puede acelerar el proceso de plegamiento, ya que una proteína plegada de forma 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 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 se acompañan de alteraciones de la estructura secundaria, lo que implica que los cambios de forma inducidos por el hacinamiento 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 aglomeración involucra a las cristalinas que llenan el interior del cristalino . Estas proteínas deben 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 a estos niveles los efectos de aglomeración son muy fuertes. El gran efecto de aglomeración aumenta la estabilidad térmica de las cristalinas, incrementando 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 la agregación de proteínas, como la anemia falciforme , 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 tienen lugar en el citosol. [ 24 ] Un enfoque para obtener mediciones más precisas sería utilizar extractos de células altamente concentrados, para intentar 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 estudian. [ 2 ] En consecuencia, los efectos de hacinamiento 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 estos 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 examina, como uniéndose débilmente a uno de los componentes. [ 2 ]

Aglomeración macromolecular y plegamiento de proteínas

Una de las principales razones de la aglomeración macromolecular para los sistemas biológicos radica en su efecto sobre el plegamiento de las proteínas . El mecanismo físico subyacente por el cual la aglomeración macromolecular ayuda a estabilizar las proteínas en su estado plegado se explica a menudo en términos de volumen excluido: el volumen inaccesible para las proteínas debido a su interacción con los macromoléculas que las aglomeran. [ 26 ] [ 27 ] Esta noción se remonta a Asakura y Oosawa, quienes describieron 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 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 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.

Véase también

Referencias

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