As células produzem muitos complexos diferentes. Esses complexos podem ocupar 40% do volume da célula, tornando a célula um ambiente bastante lotado. Por essa razão, uma descrição completa do comportamento celular complexo é um desafio que requer investigação mais profunda. Para imitar a natureza lotada da célula, os pesquisadores costumam aplicar moléculas quimicamente inertes, como polímeros não iônicos, criando soluções que funcionam como obstáculos para moléculas biologicamente ativas enquanto reagem. No entanto, esses compostos inertes não são tão inertes quanto deveriam ser. Acontece que eles tendem a "roubar" íons e isso foi um grande problema para os pesquisadores. Mesmo uma pequena mudança na concentração de íons na célula pode afetar drasticamente as reações bioquímicas. Recentemente, cientistas do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências, liderados pelo prof. Robert Holyst, apresentou uma pesquisa que nos aproxima da compreensão de mudanças de até 1000 vezes nas constantes de equilíbrio da formação de complexos bioquímicos que ocorrem em ambientes muito lotados.
Nosso corpo é feito de muitas estruturas complexas trabalhando juntas. Ele contém trilhões de células – blocos de construção essenciais – e cada uma delas é especializada em uma função diferente. Seus mecanismos internos ainda não são totalmente compreendidos, especialmente quando se trata de interações específicas entre moléculas específicas. Além disso, o mecanismo depende da concentração de íons em uma determinada área da célula. Como nosso corpo lida com bilhões de tais operações a cada segundo, nem sequer as notamos. As reações bioquímicas que ocorrem dentro de uma célula frequentemente dependem da força iônica que define a concentração de íons em uma determinada parte da célula. Portanto, o equilíbrio da formação de muitos complexos bioquímicos (por exemplo, complexos proteína-proteína, proteína-RNA ou a formação de uma fita dupla de DNA) pode mudar significativamente dependendo da força iônica. Além disso, a natureza aglomerada da célula também influencia esses processos químicos.

Vamos dar uma olhada no citoplasma dentro da célula. Pode ser comparado a uma piscina cheia de componentes de diferentes tamanhos e formas. Além da água, o citoplasma também contém ribossomos, pequenas moléculas, proteínas ou complexos proteína-RNA, componentes filamentosos do citoesqueleto, íons e compartimentos celulares (por exemplo, mitocôndrias, lisossomos, núcleo etc.). Isso torna o citoplasma um ambiente bastante complexo e lotado. Em tais condições, cada parâmetro como força iônica ou pH pode impactar significativamente a biologia das células vivas. Um dos mecanismos que mantêm o equilíbrio adequado de íons na célula são as bombas de sódio-potássio colocadas nas membranas biológicas das células de um ser humano vivo. Eles regulam constantemente o nível de íons dentro de cada célula.

As abordagens clássicas para a determinação dos mecanismos celulares são muitas vezes baseadas em medições realizadas em um ambiente artificial com o uso de muitos compostos químicos que mimetizam o interior das células. Até agora, a pesquisa sobre o curso exato dos mecanismos celulares é severamente distinta dos processos que ocorrem naturalmente, especialmente quando se trata de interações entre macromoléculas. A investigação dos processos de complexação bioquímica é desafiadora, principalmente nas condições externas onde os íons presentes nas soluções utilizadas também afetam os resultados experimentais finais. Para imitar o ambiente celular lotado, muitas moléculas semelhantes a cadeias, como polietileno e etilenoglicol, glicerol, ficoll e dextranos, foram usadas em altas concentrações (mesmo em 40-50% da massa da solução) para servir como meio viscoso. Por que eles são tão populares? Por causa de sua natureza inerte. No entanto, estudos recentes mostram que essa propriedade é um pouco diferente do que pensamos. Surpreendentemente, eles podem "roubar" íons durante as reações bioquímicas.

Pesquisadores do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências liderados pelo professor Robert Holyst apresentaram uma nova abordagem neste campo. Eles investigaram a hibridização do DNA. Como essa reação complexa é sensível à concentração de íons devido ao carregamento das fitas de dupla hélice em determinados ambientes, foi selecionado um bom indicador para este experimento. Com base nesse modelo, os pesquisadores investigaram a complexação de íons específicos, como sódio Na ⁺ na presença de moléculas diferentes, mantendo um ambiente lotado. Eles também alteraram a viscosidade da solução usando moléculas aumentando a aglomeração.

"Nós exploramos uma reação bioquímica complexa em função da força iônica que descreve a concentração de íons na solução e a distância de repulsão eletrostática efetiva entre moléculas particulares", comenta o primeiro autor Krzysztof Bielec.

Os experimentos realizados mostraram que as interações entre as moléculas são aumentadas em uma concentração de sal mais alta. Além disso, a adição de polímeros aumentando a aglomeração molecular e a viscosidade ao meio reacional também influencia a dinâmica dos processos bioquímicos, dificultando a formação de complexos. Em um ambiente lotado, a complexação pode ser até 1000 vezes menos favorável do que em buffer puro. Esses resultados mostram que as reações bioquímicas podem ser perturbadas mesmo com pequenas alterações nas condições experimentais.

Krzysztof Bielec afirma que "a formação de uma cadeia dupla de DNA é baseada na interação eletrostática entre duas fitas complementares, carregadas negativamente. Monitoramos o efeito do ambiente lotado na hibridização de fitas complementares no regime de concentração bioquímica nanomolar e, em seguida, , determinamos a complexação de íons de sódio por crowders. Em seguida, determinamos a complexação de íons de sódio dependendo do ambiente de aglomeração. O local de ligação para cátion dentro da estrutura de aglomeração pode diferir mesmo entre aglomeradores da mesma porção de ligação (grupo funcional). Portanto, calculamos a interação com o crowder por molécula ou monômero (no caso de polímeros). Esse modelo simplifica as interações entre íons e moléculas de crowder."

Para grande surpresa dos pesquisadores, descobriu-se que polímeros não-iônicos não reativos comumente considerados usados ​​para imitar condições citoplasmáticas podem complexar (em certo sentido, "roubar") os íons necessários para uma hibridização de DNA eficaz. Embora não seja uma interação dominante entre esses polímeros e íons, quando uma grande concentração de polímeros (várias dezenas por cento da massa da solução) é utilizada, o efeito é perceptível e importante para o curso dos processos bioquímicos. Ao determinar a estabilidade dos complexos formados na presença de crowders particulares, os autores afirmam que podem demonstrar a influência dos íons no nível molecular imitando a natureza. Esses experimentos lançam luz sobre os mecanismos obscuros nas células e apontam a importância da análise mais profunda das reações investigadas no ambiente artificial.

Graças aos resultados apresentados por pesquisadores do IPC PAS, estamos um passo mais perto de entender processos moleculares particulares em células vivas. Uma descrição detalhada dos mecanismos em escala molecular tem implicações práticas; por exemplo, é extremamente importante para projetar novos medicamentos, especialmente para prever processos específicos que ocorrem nas células lotadas durante o tratamento. Pode ser útil no planejamento preciso dos experimentos em.

A pesquisa foi publicada no The Journal of Physical Chemistry Letters . + Explorar mais

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