Wie „träge“ Verbindungen Ionen stehlen können

Zellen produzieren viele verschiedene Komplexe. Diese Komplexe können 40 % des Zellvolumens einnehmen, was die Zelle zu einer ziemlich überfüllten Umgebung macht. Aus diesem Grund ist eine vollständige Beschreibung des komplexen Zellverhaltens eine Herausforderung, die eingehender untersucht werden muss. Um die überfüllte Natur der Zelle nachzuahmen, wenden Forscher normalerweise chemisch inerte Moleküle wie nichtionische Polymere an und stellen Lösungen her, die als Hindernisse für biologisch aktive Moleküle wirken, während sie reagieren. Diese inerten Verbindungen sind jedoch nicht so inert, wie sie sein sollten. Wie sich herausstellt, neigen sie dazu, Ionen zu „stehlen“, und das war ein ziemliches Problem für die Forscher. Selbst eine geringfügige Änderung der Ionenkonzentration in der Zelle kann biochemische Reaktionen dramatisch beeinflussen. Kürzlich haben Wissenschaftler des Instituts für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Prof. Robert Holyst, präsentierte Forschungsergebnisse, die uns dem Verständnis von bis zu 1000-fachen Änderungen der Gleichgewichtskonstanten der biochemischen Komplexbildung näher bringen, die in einer sehr überfüllten Umgebung auftreten.

Unser Körper besteht aus vielen komplexen Strukturen, die zusammenarbeiten. Es enthält Billionen von Zellen – wesentliche Bausteine ​​– und jede von ihnen ist auf eine andere Funktion spezialisiert. Ihre internen Mechanismen sind noch nicht vollständig verstanden, insbesondere was die spezifischen Wechselwirkungen zwischen bestimmten Molekülen betrifft. Darüber hinaus hängt der Mechanismus von der Ionenkonzentration in einem bestimmten Bereich in der Zelle ab. Da unser Körper jede Sekunde Milliarden solcher Operationen durchführt, bemerken wir sie nicht einmal. Biochemische Reaktionen, die innerhalb einer Zelle stattfinden, hängen häufig von der Ionenstärke ab, die die Konzentration von Ionen in einem bestimmten Teil der Zelle definiert. Daher kann sich das Gleichgewicht der Bildung vieler biochemischer Komplexe (z. B. Protein-Protein-, Protein-RNA-Komplexe oder die Bildung eines DNA-Doppelstrangs) in Abhängigkeit von der Ionenstärke erheblich ändern. Darüber hinaus hat auch die Enge der Zelle einen Einfluss auf solche chemischen Prozesse.

Schauen wir uns das Zytoplasma im Inneren der Zelle genauer an. Es kann mit einem Pool voller Komponenten unterschiedlicher Größe und Form verglichen werden. Neben Wasser enthält Zytoplasma auch Ribosomen, kleine Moleküle, Proteine ​​oder Protein-RNA-Komplexe, fadenförmige Bestandteile des Zytoskeletts, Ionen und Zellkompartimente (z. B. Mitochondrien, Lysosomen, Zellkern usw.). Dies macht das Zytoplasma zu einer recht komplexen und überfüllten Umgebung. Unter solchen Bedingungen kann jeder Parameter wie Ionenstärke oder pH-Wert die Biologie lebender Zellen erheblich beeinflussen. Einer der Mechanismen, die das richtige Ionengleichgewicht in der Zelle aufrechterhalten, sind Natrium-Kalium-Pumpen, die in den biologischen Membranen der Zellen eines lebenden Menschen platziert sind. Sie regulieren ständig den Ionenspiegel in jeder Zelle.

Klassische Ansätze zur Bestimmung der zellulären Mechanismen basieren häufig auf Messungen in einer künstlichen Umgebung unter Verwendung vieler chemischer Verbindungen, die das Innere der Zelle nachahmen. Bisher grenzt sich die Erforschung des genauen Ablaufs zellulärer Mechanismen stark von den natürlich ablaufenden Prozessen ab, insbesondere wenn es um Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen geht. Die Untersuchung der biochemischen Komplexierungsprozesse ist eine Herausforderung, insbesondere unter den äußeren Bedingungen, bei denen die in den verwendeten Lösungen vorhandenen Ionen auch die experimentellen Endergebnisse beeinflussen. Um die überfüllte zelluläre Umgebung nachzuahmen, wurden viele verschiedene kettenähnliche Moleküle wie Polyethylen und Ethylenglycol, Glycerin, Ficoll und Dextrane in hohen Konzentrationen (sogar bei 40–50 % der Masse der Lösung) verwendet, um als viskose Medien zu dienen. Warum sind sie so beliebt? Wegen ihrer inerten Natur. Neuere Studien zeigen jedoch, dass diese Eigenschaft etwas anders ist, als wir denken. Überraschenderweise können sie bei biochemischen Reaktionen Ionen „stehlen“.

Forscher des Instituts für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Professor Robert Holyst stellten einen neuen Ansatz auf diesem Gebiet vor. Sie untersuchten die Hybridisierung der DNA. Da diese komplexe Reaktion aufgrund der Aufladung von Doppelhelixsträngen in bestimmten Umgebungen empfindlich auf die Konzentration von Ionen reagiert, wurde sie als guter Indikator für dieses Experiment ausgewählt. Basierend auf diesem Modell untersuchten die Forscher die Komplexierung bestimmter Ionen wie Natrium Na+ in Gegenwart verschiedener Moleküle, während eine überfüllte Umgebung aufrechterhalten wurde. Sie veränderten auch die Viskosität der Lösung, indem sie Moleküle verwendeten, die die Verdichtung verstärkten.

„Wir haben eine komplexe biochemische Reaktion in Abhängigkeit von der Ionenstärke untersucht, die die Ionenkonzentration in der Lösung und den effektiven elektrostatischen Abstoßungsabstand zwischen bestimmten Molekülen beschreibt“, bemerkt Erstautor Krzysztof Bielec.

Die durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen bei einer höheren Salzkonzentration verstärkt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Zugabe von Polymeren, die die molekulare Verdrängung und die Viskosität der Reaktionsumgebung erhöhen, auch die Dynamik biochemischer Prozesse und behindert die Bildung von Komplexen. In einer überfüllten Umgebung kann die Komplexierung sogar 1000-mal ungünstiger sein als in reinem Puffer. Diese Ergebnisse zeigen, dass die biochemischen Reaktionen selbst bei geringfügigen Änderungen der experimentellen Bedingungen gestört werden können.

Krzysztof Bielec behauptet, dass „die Bildung eines doppelsträngigen DNA-Rückgrats auf elektrostatischer Wechselwirkung zwischen zwei komplementären, negativ geladenen Strängen beruht haben wir die Komplexierung von Natriumionen durch Crowder bestimmt. Als nächstes haben wir die Komplexierung von Natriumionen in Abhängigkeit von der Crowding-Umgebung bestimmt. Die Bindungsstelle für Kationen innerhalb der Crowder-Struktur kann sich sogar zwischen Crowdern der gleichen Bindungseinheit (funktionelle Gruppe) unterscheiden. Wir haben die Wechselwirkung mit Crowder pro Molekül oder Monomer (im Fall von Polymeren) berechnet. Dieses Modell vereinfacht die Wechselwirkungen zwischen Ionen und Crowder-Molekülen.“

Zur großen Überraschung der Forscher stellte sich heraus, dass allgemein als nicht-reaktive nichtionische Polymere, die zur Nachahmung zytoplasmatischer Bedingungen verwendet werden, die für eine effektive DNA-Hybridisierung erforderlichen Ionen komplexieren (in gewissem Sinne „stehlen“) können. Obwohl es sich nicht um eine dominierende Wechselwirkung zwischen diesen Polymeren und Ionen handelt, ist der Effekt bei Verwendung einer großen Konzentration von Polymeren (mehrere Dutzend Prozent der Lösungsmasse) spürbar und wichtig für den Ablauf biochemischer Prozesse. Durch die Bestimmung der Stabilität der gebildeten Komplexe in Gegenwart bestimmter Crowder behaupten die Autoren, dass sie den Einfluss der Ionen auf molekularer Ebene nachweisen können, die die Natur nachahmen. Diese Experimente beleuchten die unklaren Mechanismen in den Zellen und weisen auf die Bedeutung der tieferen Analyse der in der künstlichen Umgebung untersuchten Reaktionen hin.

Dank der von Forschern des IPC PAS präsentierten Ergebnisse sind wir dem Verständnis bestimmter molekularer Prozesse in lebenden Zellen einen Schritt näher gekommen. Eine detaillierte Beschreibung der Mechanismen auf molekularer Ebene hat praktische Implikationen; Beispielsweise ist es für die Entwicklung neuer Medikamente äußerst wichtig, insbesondere für die Vorhersage bestimmter Prozesse, die während der Behandlung in den überfüllten Zellen ablaufen. Es kann bei der genauen Planung der Experimente hilfreich sein.

Die Studie wurde veröffentlicht in Das Journal of Physical Chemistry Letters.