“Molecular crowding” Effekte

  Stokes-Einstein Relation Diffusionskoeffizienten eines Proteins welche mit Hilfe von FCS-Messungen bei verschiedenen Pufferviskositäten bestimmt wurden.

Der überwiegende Teil unseres Wissens aus dem Bereich der biologischen Chemie oder der Biochemie stammt aus Experimenten mit biologischen Makromolekülen, die hochverdünnt in Pufferlösungen mit Konzentrationen von einigen Gramm pro Liter vorliegen. Allerdings sind diese Bedingungen sehr verschieden von denen, wie sie in der lebenden Zelle vorliegen. Das zelluläre Zytoplasma ist mit vielen verschieden Makromolekülen angereichert (die bis zu 20% des Zellvolumens ausmachen), so dass eine Konzentration von einigen hundert Gramm pro Liter vorliegen („molecular crowding“). Dieser sogenannte „excluded volume“ Effekt kann zu erhöhten effektiven Konzentrationen der Biomoleküle führen und wesentliche physikalischen Eigenschaften der Lösung verändern. So wird im Zytosol in diesen begrenzten Volumina z.B. die molekulare Beweglichkeit und Dynamik der Biomoleküle verringert. Mögliche Konsequenzen dieses „molecular crowdings“ sind verringerte Diffusionsraten, Verschiebungen in Protein-Protein bzw. Protein-Substrat Assoziationsgleichgewichten, und Änderungen der Konformationsdynamik einzelner Proteine. Wir führen in diesem Zusammenhang FCS-Studien mit zahlreichen Proteinen durch, welche sich in hochkonzentrierten Ficoll Lösungen befinden. Ficoll-Polymere mit molekularen Massen von 5 – 400 kDa ahmen dabei das „molecular crowding“ nach, wie es im Zytosol vorliegt.