Le cellule producono molti complessi diversi. Questi complessi possono occupare il 40% del volume della cellula, rendendo la cellula un ambiente piuttosto affollato. Per questo motivo, una descrizione completa del comportamento cellulare complesso è una sfida che richiede un'indagine più approfondita. Per imitare la natura affollata della cellula, i ricercatori di solito applicano molecole chimicamente inerti, come i polimeri non ionici, creando soluzioni che funzionano come ostacoli per le molecole biologicamente attive mentre reagiscono. Tuttavia, questi composti inerti non sono così inerti come dovrebbero. A quanto pare, tendono a "rubare" ioni e questo è stato un bel problema per i ricercatori. Anche un piccolo cambiamento della concentrazione di ioni nella cellula può influenzare drammaticamente le reazioni biochimiche. Di recente, gli scienziati dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia delle scienze polacca, guidati dal prof. Robert Holyst, ha presentato una ricerca che ci avvicina alla comprensione di cambiamenti fino a 1000 volte nelle costanti di equilibrio della formazione di complessi biochimici che si verificano in ambienti molto affollati.

Il nostro corpo è composto da molte strutture complesse che lavorano insieme. Contiene trilioni di cellule, elementi costitutivi essenziali, e ognuna di esse è specializzata in una funzione diversa. I loro meccanismi interni non sono ancora completamente compresi, specialmente quando si tratta delle interazioni specifiche tra particolari molecole. Inoltre, il meccanismo dipende dalla concentrazione di ioni in una determinata area della cellula. Poiché il nostro corpo si occupa di miliardi di tali operazioni ogni secondo, non ce ne accorgiamo nemmeno. Le reazioni biochimiche che avvengono all'interno di una cellula dipendono spesso dalla forza ionica che definisce la concentrazione di ioni in una data parte della cellula. Pertanto, l'equilibrio della formazione di molti complessi biochimici (ad es. Complessi proteina-proteina, proteina-RNA o la formazione di un doppio filamento di DNA) può cambiare in modo significativo a seconda della forza ionica. Inoltre, la natura affollata della cellula ha anche un'influenza su tali processi chimici.

Diamo un'occhiata più da vicino al citoplasma all'interno della cellula. Si può paragonare ad una piscina ricca di componenti di diverse dimensioni e forme. Oltre all'acqua, il citoplasma contiene anche ribosomi, piccole molecole, proteine ​​o complessi proteico-RNA, componenti filamentosi del citoscheletro, ioni e compartimenti cellulari (ad es. mitocondri, lisosomi, nucleo, ecc.). Questo rende il citoplasma un ambiente piuttosto complesso e affollato. In tali condizioni, ogni parametro come la forza ionica o il pH può avere un impatto significativo sulla biologia delle cellule viventi. Uno dei meccanismi che mantengono il corretto equilibrio degli ioni nella cellula sono le pompe sodio-potassio poste nelle membrane biologiche delle cellule di un essere umano vivente. Regolano costantemente il livello di ioni all'interno di ogni cellula.

Gli approcci classici per la determinazione dei meccanismi cellulari si basano molto spesso su misurazioni eseguite in un ambiente artificiale con l'uso di molti composti chimici che imitano l'interno delle cellule. Finora, la ricerca sull'esatto corso dei meccanismi cellulari è nettamente distinta dai processi che si verificano naturalmente, specialmente quando si tratta di interazioni tra macromolecole. L'indagine sui processi di complessazione biochimica è impegnativa, soprattutto nelle condizioni esterne in cui gli ioni presenti nelle soluzioni utilizzate influiscono anche sui risultati sperimentali finali. Per imitare l'affollato ambiente cellulare, molte diverse molecole a catena come polietilene e glicole etilenico, glicerolo, ficoll e destrani sono state utilizzate in alte concentrazioni (anche al 40-50% di massa della soluzione) per fungere da mezzi viscosi. Perché sono così popolari? Per la loro natura inerte. Tuttavia, studi recenti mostrano che questa proprietà è leggermente diversa da quanto pensiamo. Sorprendentemente, possono "rubare" ioni durante le reazioni biochimiche.

I ricercatori dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia delle scienze polacca guidati dal professor Robert Holyst hanno presentato un nuovo approccio in questo campo. Hanno studiato l'ibridazione del DNA. Poiché questa complessa reazione è sensibile alla concentrazione di ioni dovuta alla carica di filamenti a doppia elica in determinati ambienti, è stato selezionato un buon indicatore per questo esperimento. Sulla base di quel modello, i ricercatori hanno studiato la complessazione di particolari ioni come il sodio Na ⁺ in presenza di diverse molecole pur mantenendo un ambiente affollato. Hanno anche cambiato la viscosità della soluzione utilizzando molecole che aumentano l'affollamento.

"Abbiamo esplorato una complessa reazione biochimica in funzione della forza ionica che descrive la concentrazione di ioni nella soluzione e l'effettiva distanza di repulsione elettrostatica tra particolari molecole", osserva il primo autore Krzysztof Bielec.

Gli esperimenti condotti hanno dimostrato che le interazioni tra le molecole sono migliorate a una concentrazione di sale più elevata. Inoltre, l'aggiunta di polimeri aumentando l'affollamento molecolare e la viscosità all'ambiente di reazione influenza anche la dinamica dei processi biochimici, ostacolando la formazione di complessi. In un ambiente affollato, la complessazione può essere anche 1000 volte meno favorevole rispetto al buffer puro. Questi risultati mostrano che le reazioni biochimiche possono essere disturbate anche con piccoli cambiamenti nelle condizioni sperimentali.

Krzysztof Bielec afferma che "la formazione di una spina dorsale di DNA a doppio filamento si basa sull'interazione elettrostatica tra due filamenti complementari e caricati negativamente. Abbiamo monitorato l'effetto dell'ambiente affollato sull'ibridazione di filamenti complementari nel regime di concentrazione biochimica nanomolare, e quindi , abbiamo determinato la complessazione degli ioni sodio da parte dei crowder. Successivamente, abbiamo determinato la complessazione degli ioni sodio a seconda dell'ambiente di affollamento. Il sito di legame per il catione all'interno della struttura del crowder può differire anche tra crowder della stessa frazione di legame (gruppo funzionale). Pertanto, abbiamo calcolato l'interazione con il crowder per molecola o monomero (nel caso dei polimeri). Questo modello semplifica le interazioni tra ioni e molecole di crowder."

Con grande sorpresa dei ricercatori, si è scoperto che i polimeri non ionici comunemente considerati non reattivi usati per imitare le condizioni citoplasmatiche possono complessare (in un certo senso, "rubare") gli ioni necessari per un'efficace ibridazione del DNA. Sebbene non sia un'interazione dominante tra questi polimeri e gli ioni, quando viene utilizzata un'enorme concentrazione di polimeri (diverse dozzine percento della massa della soluzione), l'effetto è evidente e importante per il corso dei processi biochimici. Determinando la stabilità dei complessi formatisi in presenza di particolari crowder, gli autori affermano di poter dimostrare l'influenza degli ioni a livello molecolare imitando la natura. Questi esperimenti fanno luce sui meccanismi poco chiari nelle cellule e sottolineano l'importanza di un'analisi più approfondita delle reazioni studiate nell'ambiente artificiale.

Grazie ai risultati presentati dai ricercatori dell'IPC PAS, siamo un passo più vicini alla comprensione di particolari processi molecolari nelle cellule viventi. Una descrizione dettagliata dei meccanismi su scala molecolare ha implicazioni pratiche; ad esempio, è estremamente importante per la progettazione di nuovi farmaci, soprattutto per prevedere particolari processi che si verificano nelle cellule affollate durante il trattamento. Può essere utile nella pianificazione precisa degli esperimenti in.

La ricerca è stata pubblicata su The Journal of Physical Chemistry Letters . + Esplora ulteriormente

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