고분자 군집

Macromolecular crowding
세포의 세포에 고분자가 몰리면 단백질과 [1]핵산과 같은 고분자의 특성이 변한다.

고분자 밀집 현상은 단백질과 같은 고농도의 고분자가 [2]존재할 때 용액 속 분자의 특성을 변화시킨다.이러한 조건은 살아있는 세포에서 일상적으로 발생한다. 예를 들어 대장균의 세포골에는 약 300~400mg/[3]ml의 고분자가 포함되어 있다.고농도의 고분자가 용액의 다른 분자가 사용할 수 있는 용제의 부피를 감소시켜 유효 농도를 증가시키기 때문에 밀집이 발생합니다.크라우딩은 콜로이드상 분리에 의해 생체분자 응축수의 형성을 촉진할 수 있다.

이 밀집 효과는 세포 내 분자들을 시험관 [4]분석과 근본적으로 다른 방식으로 움직이게 할 수 있다.따라서 묽은 용액에서 실험실(in vitro)에서 이루어지는 효소 또는 신진대사의 과정의 특성 측정은 살아있는 세포(in vivo)에서 볼 수 있는 진정한 값과 많은 차수만큼 다를 수 있다.현실적으로 복잡한 조건에서의 생화학적 과정의 연구는 매우 중요하다. 왜냐하면 이러한 조건들은 모든 세포의 유비쿼터스 특성이고 많은 사람들이 신진대사의 효율적인 작동에 필수적일 수 있기 때문이다.실제로, 체외 연구는 밀집이 DNA에 [5]대한 단백질의 결합 안정성에 큰 영향을 미친다는 것을 보여주었다.

원인과 결과

세포 내부는 혼잡한 환경이다.예를 들어 대장균 세포는 길이가 약 2마이크로미터(μm), 직경이 0.5μm에 불과하며 세포 부피는 0.6~0.7μm이다3.[6]그러나 대장균은 최대 4,288종의 단백질을 [7]포함할 수 있으며, 이들 중 약 1,000종의 단백질이 쉽게 [8]검출될 수 있을 만큼 높은 수준에서 생산된다.이 혼합물에 다양한 형태의 RNA와 세포의 DNA 염색체가 추가되어 총 300~400mg/[3]ml의 고분자 농도를 제공한다.진핵생물에서 세포 골격을 구성하는 단백질 필라멘트에 의해 세포 내부는 더욱 복잡해지고, 이 그물코 구조는 세포들을 좁은 [9]모공의 네트워크로 나눕니다.

고농도의 고분자(회색 원)에서 매우 다른 크기의 두 분자에 대한 접근 가능한 용제(빨간색)의 부피입니다.사용 가능한 부피를 줄이면 고분자의 유효 농도가 높아집니다.

이러한 고농도의 고분자는 세포 부피의 많은 부분을 차지하는데, 이것은 다른 고분자가 사용할 수 있는 용제의 부피를 감소시킨다.이 제외된 체적 효과는 고분자의 유효 농도를 증가시키고([10]화학 활동을 증가시키고), 고분자의 반응 속도와 평형 상수를 변화시킨다.특히 이 효과는 여러 단백질이 함께 모여 단백질 복합체를 형성하거나 DNA 결합 단백질이 [11]게놈의 표적에 결합할 때처럼 고분자의 연관성을 선호함으로써 해리 상수를 변화시킨다.만약 반응이 [10]효소의 형태에 큰 변화를 수반한다면, 밀집은 또한 작은 분자를 포함한 효소 반응에 영향을 미칠 수 있다.

크라우딩 효과의 크기는 분자 질량과 관련된 분자의 모양에 따라 달라지지만, 질량이 주요 요인인 것 같습니다. 분자가 [10]클수록 효과가 더 강해집니다.특히 효과의 크기는 비선형이기 때문에 고분자는 아미노산이나 단당과 같은 작은 분자보다 훨씬 더 강하게 영향을 받는다.따라서 고분자 집결은 다른 큰 분자의 특성에 큰 분자에 의해 작용되는 영향이다.

중요성

고분자 집결은 생화학 및 세포생물학에서 중요한 영향이다.예를 들어, 밀집에 의해 생성된 단백질과 DNA[5] 사이의 상호작용 강도의 증가는 전사 및 DNA [12][13]복제와 같은 과정에서 매우 중요할 수 있다.또한 적혈구 질환에서 헤모글로빈의 집적,[4] 그리고 세포의 부피 변화에 대한 반응과 같이 다양한 과정과 관련된 것으로 제안되었습니다.

단백질 접힘의 중요성은 생물물리학에서 특히 관심을 끈다.여기서, 밀집 효과는 접힌 단백질은 펼쳐진 단백질 [14]사슬보다 적은 부피를 차지하기 때문에 접힘 과정을 가속화할 수 있다.그러나, 혼잡은 단백질 [15][16]응집을 증가시킴으로써 올바르게 접힌 단백질의 수율을 감소시킬 수 있다.크라우딩은 또한 세포에서 [17]GroEL과 같은 샤페론 단백질의 효과를 증가시킬 수 있으며, 이는 접힘 [18]효율의 감소를 상쇄할 수 있다.또한 고분자 크라우딩은 단백질 접힘 역학뿐만 아니라 전체적인 단백질 형태에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이때 크라우딩 유도 형상 변화는 단백질 기능 및 생체 [19]내 오작동에 중요할 수 있음을 암시하는 2차 구조 변화가 수반된다.

크라우드 효과의 중요성에 대한 특히 주목할 만한 예로는 렌즈 내부를 채우는 크리스털린이 있습니다.이 단백질들은 수정체가 투명하기 위해 안정적이고 용액 속에 있어야 합니다; 크리스탈린의 침전이나 집적은 백내장을 [20]유발합니다.수정체에는 500mg/ml 이상의 매우 높은 농도로 크리스탈린이 존재하며, 이 수준에서는 쇄도 효과가 매우 강하다.크라우드 효과가 크면 크리스털린의 열 안정성이 높아져 [21]변성에 대한 저항성이 높아집니다.이 효과는 고온으로 [22]인한 손상에 대한 렌즈의 비정상적인 저항성을 부분적으로 설명할 수 있습니다.

또한 돌연변이 헤모글로빈이 응집체를 형성하는 겸상적혈구 빈혈이나 [4][23]타우 단백질이 뉴런 내의 혼잡한 조건에서 신경섬유 엉킴을 형성하는 알츠하이머병과 같은 단백질 응집과 관련된 질병에도 영향을 미칠 수 있습니다.

스터디

고분자 밀집으로 인해 묽은 용액에서 수행되는 효소 분석 및 생물물리 측정은 세포에서 [24]일어나는 실제 과정과 그 역학을 반영하지 못할 수 있다.보다 정확한 측정을 하기 위한 한 가지 방법은 고농축 세포 추출물을 사용하여 세포 함량을 보다 자연스러운 상태로 유지하는 것입니다.그러나 이러한 추출물들은 많은 종류의 생물학적으로 활성 분자를 포함하고 있어 [2]연구되는 현상을 방해할 수 있다.따라서 [5][25]폴리에틸렌 글리콜, 피콜, 덱스트란, 혈청 알부민 등의 비교적 불활성 분자를 고농도로 첨가함으로써 크라우딩 효과를 체외에서 모방할 수 있다.그러나 이러한 인공 크라우딩제를 사용하는 것은 복잡할 수 있다.왜냐하면 이러한 크라우딩 분자는 때때로 성분 [2]중 하나에 약하게 결합함으로써 검사되는 과정과 다른 방식으로 상호작용할 수 있기 때문이다.

고분자 군집 및 단백질 접힘

생물학적 시스템에 대한 고분자 집결의 가장 중요한 중요성은 단백질 접힘에 대한 영향에서 비롯됩니다.고분자 크라우더가 접힌 상태에서 단백질을 안정시키는 데 도움을 주는 기본적인 물리적 메커니즘은 종종 배제된 부피 - 고분자 [26][27]크라우더와의 상호작용으로 인해 단백질에 접근할 수 없는 부피로 설명된다.이 개념은 아사쿠라와 오오사와로 거슬러 올라간다.아사쿠라와 오오사와는 입체적이고 단단한 [28][29]상호작용으로 인한 고갈력을 기술해 왔다.위에서 추론한 메커니즘의 특징은 효과가 완전히 a-thermal이며, 따라서 완전히 엔트로피라는 것이다.이러한 아이디어는 또한 단백질에서 우선적으로 배제되는 작은 여분열물, 즉 보호 삼분해가 단백질 접힘 평형을 접힌 [30]상태로 전환하는 이유를 설명하기 위해 제안되었다.그러나, 고갈력이 본질적으로 항상 엔트로피적인 것은 아니라는 것은 실험적이고[31][32][33] [34][35][36]이론적인 다양한 방법으로 증명되었다.

재생의학에서의 고분자 군집중

아일랜드 국립대학 골웨이(NUI Galway)의 Satyam 외 연구진은 ECM이 풍부한 조직 등가물을 만들기 위한 수단으로 고분자 크라우딩을 제안했다.고분자 크라우딩의 원리는 생체 내 세포가 고밀도/고밀도 세포외 공간에 존재하기 때문에 데노보 합성 프로콜라겐의 콜라겐 I로의 전환이 빠르다는 개념에서 도출된다.단, 체액보다 실질적으로 희석된 것(예를 들어 소변: 36~50g/L, 혈액: 80g/L) 배양조건(예를 들어 HAM F10 영양배지: 16.55g/L, DMEM/F12배지: 16.78g/L, DMEM 고글루트 및 L-22g/17)은 배양조건이다.배지에 불활성 다분산 고분자(가변 직경의 구형 개체로 표시됨)를 추가하면 ECM이 풍부한 생활 대체물의 증폭 생산을 촉진할 것으로 확인되었다.고분자 집단은 기본 세포 기능을 [37][38][39][40]훼손하지 않고 체외 미세 환경을 효과적으로 조절하고 배양 기간 중 수일 또는 수개월이 아닌 수 시간 내에 ECM이 풍부한 세포 대체물을 생산하기 위해 사용될 수 있다.

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레퍼런스

  1. ^ Goodsell DS (1991). "Inside a living cell". Trends Biochem. Sci. 16 (6): 203–6. doi:10.1016/0968-0004(91)90083-8. PMID 1891800.
  2. ^ a b c Ellis RJ (October 2001). "Macromolecular crowding: obvious but underappreciated". Trends Biochem. Sci. 26 (10): 597–604. doi:10.1016/S0968-0004(01)01938-7. PMID 11590012.
  3. ^ a b Zimmerman SB, Trach SO (December 1991). "Estimation of macromolecule concentrations and excluded volume effects for the cytoplasm of Escherichia coli". J. Mol. Biol. 222 (3): 599–620. doi:10.1016/0022-2836(91)90499-V. PMID 1748995.
  4. ^ a b c Minton AP (July 2006). "How can biochemical reactions within cells differ from those in test tubes?". J. Cell Sci. 119 (Pt 14): 2863–9. doi:10.1242/jcs.03063. PMID 16825427.
  5. ^ a b c Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Le Grice, Stuart F. J.; Abbondanzieri, Elio A. (2016-09-30). "DNA binding proteins explore multiple local configurations during docking via rapid rebinding". Nucleic Acids Research. 44 (17): 8376–8384. doi:10.1093/nar/gkw666. ISSN 0305-1048. PMC 5041478. PMID 27471033.
  6. ^ Kubitschek HE (1 January 1990). "Cell volume increase in Escherichia coli after shifts to richer media". J. Bacteriol. 172 (1): 94–101. doi:10.1128/jb.172.1.94-101.1990. PMC 208405. PMID 2403552.
  7. ^ Blattner FR, Plunkett G, Bloch CA, et al. (September 1997). "The complete genome sequence of Escherichia coli K-12". Science. 277 (5331): 1453–74. doi:10.1126/science.277.5331.1453. PMID 9278503.
  8. ^ Han MJ, Lee SY (June 2006). "The Escherichia coli proteome: past, present, and future prospects". Microbiol. Mol. Biol. Rev. 70 (2): 362–439. doi:10.1128/MMBR.00036-05. PMC 1489533. PMID 16760308.
  9. ^ Minton AP (October 1992). "Confinement as a determinant of macromolecular structure and reactivity". Biophys. J. 63 (4): 1090–100. Bibcode:1992BpJ....63.1090M. doi:10.1016/S0006-3495(92)81663-6. PMC 1262248. PMID 1420928. Archived from the original on 2008-09-07.
  10. ^ a b c Minton AP (2001). "The influence of macromolecular crowding and macromolecular confinement on biochemical reactions in physiological media". J. Biol. Chem. 276 (14): 10577–80. doi:10.1074/jbc.R100005200. PMID 11279227.
  11. ^ Zhou HX, Rivas G, Minton AP (2008). "Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences". Annu Rev Biophys. 37 (1): 375–97. doi:10.1146/annurev.biophys.37.032807.125817. PMC 2826134. PMID 18573087.
  12. ^ Zimmerman SB (November 1993). "Macromolecular crowding effects on macromolecular interactions: some implications for genome structure and function". Biochim. Biophys. Acta. 1216 (2): 175–85. doi:10.1016/0167-4781(93)90142-Z. PMID 8241257.
  13. ^ Zimmerman SB, Harrison B (April 1987). "Macromolecular crowding increases binding of DNA polymerase to DNA: an adaptive effect". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 84 (7): 1871–5. Bibcode:1987PNAS...84.1871Z. doi:10.1073/pnas.84.7.1871. PMC 304543. PMID 3550799.
  14. ^ van den Berg B, Wain R, Dobson CM, Ellis RJ (August 2000). "Macromolecular crowding perturbs protein refolding kinetics: implications for folding inside the cell". EMBO J. 19 (15): 3870–5. doi:10.1093/emboj/19.15.3870. PMC 306593. PMID 10921869.
  15. ^ van den Berg B, Ellis RJ, Dobson CM (December 1999). "Effects of macromolecular crowding on protein folding and aggregation". EMBO J. 18 (24): 6927–33. doi:10.1093/emboj/18.24.6927. PMC 1171756. PMID 10601015.
  16. ^ Ellis RJ, Minton AP (May 2006). "Protein aggregation in crowded environments". Biol. Chem. 387 (5): 485–97. doi:10.1515/BC.2006.064. PMID 16740119. S2CID 7336464.
  17. ^ Martin J, Hartl FU (February 1997). "The effect of macromolecular crowding on chaperonin-mediated protein folding". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94 (4): 1107–12. Bibcode:1997PNAS...94.1107M. doi:10.1073/pnas.94.4.1107. PMC 19752. PMID 9037014.
  18. ^ Ellis RJ (2007). Protein misassembly: macromolecular crowding and molecular chaperones. Adv. Exp. Med. Biol. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 594. pp. 1–13. doi:10.1007/978-0-387-39975-1_1. ISBN 978-0-387-39974-4. PMID 17205670.
  19. ^ Dirar Homouz; Michael Perham; Antonios Samiotakis; Margaret S. Cheung & Pernilla Wittung-Stafshede (2008). "Crowded, cell-like environment induces shape changes in aspherical protein". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (33): 11754–11759. Bibcode:2008PNAS..10511754H. doi:10.1073/pnas.0803672105. PMC 2515223. PMID 18697933.
  20. ^ Benedek GB (1 September 1997). "Cataract as a protein condensation disease: the Proctor Lecture". Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 38 (10): 1911–21. PMID 9331254.
  21. ^ Steadman BL, Trautman PA, Lawson EQ, et al. (December 1989). "A differential scanning calorimetric study of the bovine lens crystallins". Biochemistry. 28 (25): 9653–8. doi:10.1021/bi00451a017. PMID 2611254.
  22. ^ Bloemendal H, de Jong W, Jaenicke R, Lubsen NH, Slingsby C, Tardieu A (November 2004). "Ageing and vision: structure, stability and function of lens crystallins". Prog. Biophys. Mol. Biol. 86 (3): 407–85. doi:10.1016/j.pbiomolbio.2003.11.012. PMID 15302206.
  23. ^ {Hochmair J-폰 엑스너에 바르텐 C, 프랑크 M, Dominguez-Baquero A, Diez L, Brognaro H, Kraushar 맥스, 밀케 T, 라드 부르흐 H, Kaniyappan S, Falke S, Mandelkow E, Betzel C, Wegmann S(6월 2022년)."분자 기계와 RNA단계 분리,microtubule 상호 작용하고 싶고, Taucondensates의 씨 뿌리기이므로 synergize".EMBO J.41(11):e108882.doi:10.15252/embj.2021108882.PMID 35298090.
  24. ^ Norris MG, Malys N (2011). "What is the true enzyme kinetics in the biological system? An investigation of macromolecular crowding effect upon enzyme kinetics of glucose-6-phosphate dehydrogenase". Biochem. Biophys. Res. Commun. 405 (3): 388–92. doi:10.1016/j.bbrc.2011.01.037. PMID 21237136.
  25. ^ Tokuriki N, Kinjo M, Negi S, et al. (January 2004). "Protein folding by the effects of macromolecular crowding". Protein Sci. 13 (1): 125–33. doi:10.1110/ps.03288104. PMC 2286514. PMID 14691228.
  26. ^ Minton, A. (1981). "Excluded Volume as a Determinant of Macromolecular Structure and Reactivity". Biopolymers. 20 (10): 2093–2120. doi:10.1002/bip.1981.360201006. S2CID 97753189.
  27. ^ Parsegian, VA. (2002). Protein-water interactions. Int. Rev. Cytol. International Review of Cytology. Vol. 215. pp. 1–31. doi:10.1016/S0074-7696(02)15003-0. ISBN 9780123646194. PMID 11952225.
  28. ^ Asakura, Sho; Oosawa, F (1 January 1954). "On Interaction between Two Bodies Immersed in a Solution of Macromolecules". The Journal of Chemical Physics. 22 (7): 1255. Bibcode:1954JChPh..22.1255A. doi:10.1063/1.1740347.
  29. ^ Asakura, Sho; Oosawa, F. (1958). "Interaction between Particles Suspended in Solutions of Macromolecules". Journal of Polymer Science. 33 (126): 183–192. Bibcode:1958JPoSc..33..183A. doi:10.1002/pol.1958.1203312618.
  30. ^ Stagg, Loren; Zhang, Shao-Qing; Cheung, Margaret S.; Wittung-Stafshede, Pernilla (2007-11-27). "Molecular crowding enhances native structure and stability of α/β protein flavodoxin". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (48): 18976–18981. Bibcode:2007PNAS..10418976S. doi:10.1073/pnas.0705127104. ISSN 0027-8424. PMC 2141893. PMID 18024596.
  31. ^ Politi, R; Harries, D. (2010). "Enthalpically Driven Peptide Stabilization by Protective Osmolytes". Chem. Commun. 46 (35): 6449–6451. doi:10.1039/c0cc01763a. PMID 20657920.
  32. ^ Benton, L.A.; Smith, A.E.; Young, G.B.; Pielak, G.J. (2012). "Unexpected Effects of Macromolecular Crowding on Protein Stability". Biochemistry. 51 (49): 9773–9775. doi:10.1021/bi300909q. PMID 23167542.
  33. ^ Sukenik, S; Sapir, L.; Harries, D. (2013). "Balance of enthalpy and entropy in depletion forces". Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 18 (6): 495–501. arXiv:1310.2100. doi:10.1016/j.cocis.2013.10.002. S2CID 18847346.
  34. ^ Sapir, L; Harries, D. (2014). "Origin of Enthalpic Depletion Forces". J. Phys. Chem. Lett. 5 (7): 1061–1065. doi:10.1021/jz5002715. PMID 26274449.
  35. ^ Sapir, L; Harries, D. (2015). "Is the depletion force entropic? Molecular crowding beyond steric interactions". Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 20: 3–10. doi:10.1016/j.cocis.2014.12.003.
  36. ^ Sapir, L; Harries, D. (2015). "Macromolecular Stabilization by Excluded Cosolutes: Mean Field Theory of Crowded Solutions". J. Chem. Theory Comput. 11 (7): 3478–3490. doi:10.1021/acs.jctc.5b00258. PMID 26575781.
  37. ^ Satyam, Abhigyan; Kumar, Pramod; Fan, Xingliang; Gorelov, Alexander; Rochev, Yury; Joshi, Lokesh; Peinado, Héctor; Lyden, David; Thomas, Benjamin (2014-05-21). "Macromolecular crowding meets tissue engineering by self-assembly: a paradigm shift in regenerative medicine". Advanced Materials. 26 (19): 3024–3034. doi:10.1002/adma.201304428. hdl:10379/15414. ISSN 1521-4095. PMID 24505025.
  38. ^ Kumar, Pramod; Satyam, Abhigyan; Fan, Xingliang; Collin, Estelle; Rochev, Yury; Rodriguez, Brian J.; Gorelov, Alexander; Dillon, Simon; Joshi, Lokesh (2015-03-04). "Macromolecularly crowded in vitro microenvironments accelerate the production of extracellular matrix-rich supramolecular assemblies". Scientific Reports. 5: 8729. Bibcode:2015NatSR...5E8729K. doi:10.1038/srep08729. ISSN 2045-2322. PMC 4348624. PMID 25736020.
  39. ^ Satyam, Abhigyan; Kumar, Pramod; Cigognini, Daniela; Pandit, Abhay; Zeugolis, Dimitrios I. (2016-10-15). "Low, but not too low, oxygen tension and macromolecular crowding accelerate extracellular matrix deposition in human dermal fibroblast culture". Acta Biomaterialia. 44: 221–231. doi:10.1016/j.actbio.2016.08.008. ISSN 1878-7568. PMID 27506127.
  40. ^ EP 2532736, Zeugolis, Dimitrios & Satyam, Abigyan, "Engineered living tissue substitutions" 2012년 12월 12일 발행

외부 링크