“Molecular crowding” Effekte

  Urheberrecht: © Fitter Das relative Größenverhältnis zwischen diffundierendem dem Tracer-Molekül und dem Crowder-Molekül ist entscheidend für die Translationsdiffusion der biologischen Tracer-Moleküle.

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 biologischen Makromolekülen, wie z.B. Proteinen, Proteinkomplexen oder Ribosomen, durch, welche sich in hochkonzentrierten Polymerlösungen befinden. Hierbei werden synthetische Polymere (PEG, Ficoll) mit molekularen Massen von 5 – 400 kDa als „Crowder“-Substanzen benutzt, die das „cellular crowding“, wie es im Zytosol vorliegt, so gut wie möglich nachahmen.

 

Zugehörige Publikationen

Skóra T, Vaghefikia F, Fitter J, and Kondrat S.
Macromolecular Crowding: How Shape and Interactions Affect Diffusion
J. Phys. Chem. B 2020, 124,7537-7543.

Niklas O. Junker, Farzaneh Vaghefikia, Alyazan Albarghash, Henning Höfig, Daryan Kempe, Julia Walter, Julia Otten, Martina Pohl, Alexandros Katranidis, Simone Wiegand, and Jörg Fitter
Impact of Molecular Crowding on Translational Mobility and Conformational Properties of Biological Macromolecules
J Phys Chem B. 123, 4477-4486 (2019)