Las células producen muchos complejos diferentes. Estos complejos pueden ocupar el 40% del volumen de la célula, lo que convierte a la célula en un entorno bastante abarrotado. Por esa razón, una descripción completa del comportamiento celular complejo es un desafío que requiere una investigación más profunda. Para imitar la naturaleza abarrotada de la célula, los investigadores suelen aplicar moléculas químicamente inertes, como polímeros no iónicos, creando soluciones que funcionan como obstáculos para las moléculas biológicamente activas mientras reaccionan. Sin embargo, estos compuestos inertes no son tan inertes como deberían ser. Resulta que tienden a "robar" iones y eso fue un gran problema para los investigadores. Incluso un cambio menor en la concentración de iones en la célula puede afectar dramáticamente las reacciones bioquímicas. Recientemente, científicos del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia, dirigidos por el prof. Robert Holyst, presentó una investigación que nos acerca a la comprensión de los cambios de hasta 1000 veces en las constantes de equilibrio de la formación de complejos bioquímicos que ocurren en un entorno muy concurrido.

Nuestro cuerpo está hecho de muchas estructuras complejas que trabajan juntas. Contiene trillones de células, bloques de construcción esenciales, y cada una de ellas está especializada en una función diferente. Sus mecanismos internos aún no se comprenden completamente, especialmente cuando se trata de interacciones específicas entre moléculas particulares. Además, el mecanismo depende de la concentración de iones en un área determinada de la célula. Dado que nuestro cuerpo se ocupa de miles de millones de operaciones de este tipo cada segundo, ni siquiera las notamos. Las reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro de una célula dependen frecuentemente de la fuerza iónica que define la concentración de iones en una parte determinada de la célula. Por lo tanto, el equilibrio de la formación de muchos complejos bioquímicos (por ejemplo, complejos proteína-proteína, proteína-ARN o la formación de una cadena doble de ADN) puede cambiar significativamente dependiendo de la fuerza iónica. Además, la naturaleza poblada de la célula también influye en tales procesos químicos.

Echemos un vistazo más de cerca al citoplasma dentro de la célula. Se puede comparar con una piscina llena de componentes de diferentes tamaños y formas. Además de agua, el citoplasma también contiene ribosomas, moléculas pequeñas, proteínas o complejos proteína-ARN, componentes filamentosos del citoesqueleto, iones y compartimentos celulares (por ejemplo, mitocondrias, lisosomas, núcleos, etc.). Esto hace que el citoplasma sea un entorno bastante complejo y abarrotado. En tales condiciones, cada parámetro como la fuerza iónica o el pH puede afectar significativamente la biología de las células vivas. Uno de los mecanismos que mantienen el equilibrio adecuado de iones en la célula son las bombas de sodio y potasio colocadas en las membranas biológicas de las células humanas vivas. Regulan constantemente el nivel de iones dentro de cada célula.

Los enfoques clásicos para la determinación de los mecanismos celulares a menudo se basan en mediciones realizadas en un entorno artificial con el uso de muchos compuestos químicos que imitan el interior de las células. Hasta ahora, la investigación sobre el curso exacto de los mecanismos celulares es muy distinta de los procesos que ocurren naturalmente, especialmente cuando se trata de interacciones entre macromoléculas. La investigación de los procesos de complejación bioquímica es un desafío, especialmente en las condiciones externas donde los iones presentes en las soluciones utilizadas también afectan los resultados experimentales finales. Para imitar el entorno celular abarrotado, se usaron muchas moléculas diferentes en forma de cadena como polietileno y etilenglicol, glicerol, ficoll y dextranos en altas concentraciones (incluso al 40-50% de la masa de la solución) para servir como medios viscosos. ¿Por qué son tan populares? Por su naturaleza inerte. Sin embargo, estudios recientes muestran que esta propiedad es un poco diferente de lo que pensamos. Sorprendentemente, pueden "robar" iones durante reacciones bioquímicas.

Investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia, dirigidos por el profesor Robert Holyst, presentaron un nuevo enfoque en este campo. Investigaron la hibridación del ADN. Como esta reacción compleja es sensible a la concentración de iones debido a la carga de cadenas de doble hélice en ciertos entornos, se seleccionó un buen indicador para este experimento. Basándose en ese modelo, los investigadores investigaron la formación de complejos de iones particulares como el sodio Na ⁺ en presencia de diferentes moléculas manteniendo un ambiente lleno de gente. También cambiaron la viscosidad de la solución mediante el uso de moléculas que aumentaban el hacinamiento.

"Exploramos una reacción bioquímica compleja en función de la fuerza iónica que describe la concentración de iones en la solución y la distancia de repulsión electrostática efectiva entre moléculas particulares", comenta el primer autor Krzysztof Bielec.

Los experimentos realizados han demostrado que las interacciones entre las moléculas mejoran a una mayor concentración de sal. Además, la adición de polímeros que aumentan el hacinamiento molecular y la viscosidad del medio de reacción también influye en la dinámica de los procesos bioquímicos, lo que dificulta la formación de complejos. En un entorno abarrotado, la complejación puede ser incluso 1000 veces menos favorable que en un tampón puro. Estos resultados muestran que las reacciones bioquímicas pueden alterarse incluso con cambios menores en las condiciones experimentales.

Krzysztof Bielec afirma que "la formación de un esqueleto de ADN de doble cadena se basa en la interacción electrostática entre dos cadenas complementarias cargadas negativamente. Supervisamos el efecto del entorno abarrotado en la hibridación de cadenas complementarias en el régimen de concentración bioquímica nanomolar, y luego , determinamos la complejación de los iones de sodio por los agrupadores. A continuación, determinamos la complejación de los iones de sodio según el entorno de agrupamiento. El sitio de unión para el catión dentro de la estructura del agrupador puede diferir incluso entre agrupadores del mismo resto de unión (grupo funcional). Por lo tanto, calculamos la interacción con crowder por molécula o monómero (en el caso de los polímeros). Este modelo simplifica las interacciones entre iones y moléculas crowder".

Para sorpresa de los investigadores, resultó que los polímeros no iónicos no reactivos comúnmente considerados utilizados para imitar las condiciones citoplasmáticas pueden complejar (en cierto sentido, "robar") los iones necesarios para la hibridación efectiva del ADN. Aunque no es una interacción dominante entre estos polímeros y los iones, cuando se usa una gran concentración de polímeros (varias docenas por ciento de la masa de la solución), el efecto es notable e importante para el curso de los procesos bioquímicos. Al determinar la estabilidad de los complejos formados en presencia de multitudes particulares, los autores afirman que pueden demostrar la influencia de los iones a nivel molecular imitando la naturaleza. Estos experimentos arrojan luz sobre los mecanismos poco claros en las células y señalan la importancia de un análisis más profundo de las reacciones investigadas en el entorno artificial.

Gracias a los resultados presentados por investigadores de IPC PAS, estamos un paso más cerca de comprender procesos moleculares particulares en células vivas. Una descripción detallada de los mecanismos a escala molecular tiene implicaciones prácticas; por ejemplo, es extremadamente importante para diseñar nuevos medicamentos, especialmente para predecir procesos particulares que ocurren en las celdas atestadas durante el tratamiento. Puede ser útil en la planificación precisa de los experimentos en.

La investigación fue publicada en The Journal of Physical Chemistry Letters . + Explora más

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