Encombrement macromoléculaire - Macromolecular crowding

L'entassement macromoléculaire dans le cytosol des cellules modifie les propriétés des macromolécules telles que les protéines et les acides nucléiques .

Le phénomène d' encombrement macromoléculaire altère les propriétés des molécules dans une solution lorsque de fortes concentrations de macromolécules telles que des protéines sont présentes. De telles conditions se produisent couramment dans les cellules vivantes ; par exemple, le cytosol d' Escherichia coli contient environ 300–400  mg/ml de macromolécules. L'encombrement se produit car ces concentrations élevées de macromolécules réduisent le volume de solvant disponible pour les autres molécules dans la solution, ce qui a pour conséquence d'augmenter leurs concentrations efficaces. Le surpeuplement peut favoriser la formation d'un condensat biomoléculaire par séparation de phase colloïdale .

Cet effet d'encombrement peut faire en sorte que les molécules dans les cellules se comportent de manière radicalement différente de celle des tests en éprouvette. Par conséquent, les mesures des propriétés des enzymes ou des processus métaboliques effectuées en laboratoire ( in vitro ) dans des solutions diluées peuvent différer de plusieurs ordres de grandeur des valeurs réelles observées dans les cellules vivantes ( in vivo ). L'étude des processus biochimiques dans des conditions de surpeuplement réalistes est très importante, car ces conditions sont une propriété omniprésente de toutes les cellules et le surpeuplement peut être essentiel pour le fonctionnement efficace du métabolisme. En effet, des études in vitro ont montré que l'encombrement influence grandement la stabilité de liaison des protéines à l'ADN.

Cause et effets

L'intérieur des cellules est un environnement surpeuplé. Par exemple, une cellule d' Escherichia coli ne mesure qu'environ 2 micromètres (μm) de long et 0,5 m de diamètre, avec un volume cellulaire de 0,6 à 0,7 m 3 . Cependant, E. coli peut contenir jusqu'à 4 288 types différents de protéines, et environ 1 000 de ces types sont produits à un niveau suffisamment élevé pour être facilement détectés. A ce mélange s'ajoutent différentes formes d' ARN et le chromosome d' ADN de la cellule , donnant une concentration totale de macromolécules comprise entre 300 et 400 mg/ml. Chez les eucaryotes, l'intérieur de la cellule est en outre encombré par les filaments de protéines qui composent le cytosquelette , ce maillage divise le cytosol en un réseau de pores étroits.

Le volume de solvant accessible (rouge) pour deux molécules de tailles très différentes (cercles noirs) à des concentrations élevées de macromolécules (cercles gris). La réduction du volume disponible augmente la concentration efficace des macromolécules.

Ces fortes concentrations de macromolécules occupent une grande partie du volume de la cellule, ce qui réduit le volume de solvant disponible pour les autres macromolécules. Cet effet de volume exclu augmente la concentration effective des macromolécules (augmentant leur activité chimique ), ce qui à son tour modifie les vitesses et les constantes d'équilibre de leurs réactions. En particulier, cet effet modifie les constantes de dissociation en favorisant l'association de macromolécules, comme lorsque plusieurs protéines se réunissent pour former des complexes protéiques , ou lorsque des protéines liant l'ADN se lient à leurs cibles dans le génome . L'encombrement peut également affecter les réactions enzymatiques impliquant de petites molécules si la réaction implique un changement important dans la forme de l'enzyme.

La taille de l'effet d'encombrement dépend à la fois de la masse moléculaire et de la forme de la molécule impliquée, bien que la masse semble être le facteur principal – l'effet étant plus fort avec des molécules plus grosses. Notamment, la taille de l'effet n'est pas linéaire, de sorte que les macromolécules sont beaucoup plus fortement affectées que les petites molécules telles que les acides aminés ou les sucres simples . L'encombrement macromoléculaire est donc un effet exercé par les grosses molécules sur les propriétés d'autres grosses molécules.

Importance

L'encombrement macromoléculaire est un effet important en biochimie et en biologie cellulaire . Par exemple, l'augmentation de la force des interactions entre les protéines et l'ADN produites par l'encombrement peut être d'une importance clé dans des processus tels que la transcription et la réplication de l'ADN . La surpopulation a également été suggérée comme étant impliquée dans des processus aussi divers que l'agrégation de l' hémoglobine dans la drépanocytose et les réponses des cellules aux changements de leur volume.

L'importance de l'encombrement dans le repliement des protéines est particulièrement intéressante en biophysique . Ici, l'effet d'encombrement peut accélérer le processus de repliement, puisqu'une protéine repliée compacte occupera moins de volume qu'une chaîne protéique dépliée. Cependant, le surpeuplement peut réduire le rendement en protéines correctement repliées en augmentant l'agrégation des protéines . Le surpeuplement peut également augmenter l'efficacité des protéines chaperonnes telles que GroEL dans la cellule, ce qui pourrait contrecarrer cette réduction de l'efficacité du repliement. Il a également été montré que l'encombrement macromoléculaire affecte la dynamique de repliement des protéines ainsi que la forme globale des protéines où des changements de conformation distincts sont accompagnés d'altérations de structure secondaires impliquant que les changements de forme induits par l'encombrement peuvent être importants pour la fonction et le dysfonctionnement des protéines in vivo.

Un exemple particulièrement frappant de l'importance des effets d'encombrement concerne les cristallines qui remplissent l'intérieur de la lentille . Ces protéines doivent rester stables et en solution pour que le cristallin soit transparent ; la précipitation ou l' agrégation des cristallins provoque des cataractes . Les cristallines sont présentes dans le cristallin à des concentrations extrêmement élevées, supérieures à 500 mg/ml, et à ces niveaux les effets d'encombrement sont très forts. Le grand effet d'encombrement s'ajoute à la stabilité thermique des cristallins, augmentant leur résistance à la dénaturation . Cet effet peut expliquer en partie l'extraordinaire résistance de la lentille aux dommages causés par les températures élevées.

Étudier

En raison de l'encombrement macromoléculaire, les dosages enzymatiques et les mesures biophysiques effectués dans une solution diluée peuvent ne pas refléter le processus réel et sa cinétique se déroulant dans le cytosol. Une approche pour produire des mesures plus précises serait d'utiliser des extraits de cellules très concentrés, pour essayer de maintenir le contenu des cellules dans un état plus naturel. Cependant, de tels extraits contiennent de nombreuses sortes de molécules biologiquement actives, qui peuvent interférer avec les phénomènes étudiés. Par conséquent, les effets d'encombrement sont imités in vitro en ajoutant des concentrations élevées de molécules relativement inertes telles que le polyéthylène glycol , le ficoll , le dextran ou la sérumalbumine aux milieux expérimentaux. Cependant, l'utilisation de tels agents d'encombrement artificiels peut être compliquée, car ces molécules d'encombrement peuvent parfois interagir d'autres manières avec le processus examiné, par exemple en se liant faiblement à l'un des composants.

Encombrement macromoléculaire et repliement des protéines

Une importance majeure de l'encombrement macromoléculaire pour les systèmes biologiques découle de son effet sur le repliement des protéines . Le mécanisme physique sous-jacent par lequel l'encombrement macromoléculaire aide à stabiliser les protéines dans leur état replié est souvent expliqué en termes de volume exclu - le volume inaccessible aux protéines en raison de leur interaction avec les encombrements macromoléculaires. Cette notion remonte à Asakura et Oosawa, qui ont décrit les forces d'appauvrissement induites par les interactions stériques, hard-core. Une caractéristique du mécanisme déduit de ce qui précède est que l'effet est complètement athermique, et donc complètement entropique. Ces idées ont également été proposées pour expliquer pourquoi les petits cosolutés, à savoir les osmolytes protecteurs , qui sont préférentiellement exclus des protéines, déplacent également l'équilibre de repliement des protéines vers l'état replié. Cependant, il a été montré par diverses méthodes, tant expérimentales que théoriques, que les forces d'épuisement ne sont pas toujours de nature entropique.

L'encombrement macromoléculaire en médecine régénérative

Satyam et al. de l'Université nationale d'Irlande, Galway (NUI Galway) a proposé l'encombrement macromoléculaire comme moyen de créer des équivalents de tissus riches en ECM. Le principe de l'encombrement macromoléculaire est dérivé de la notion selon laquelle les cellules in vivo résident dans un espace extracellulaire très encombré/dense et, par conséquent, la conversion du procollagène synthétisé de novo en collagène I est rapide. Cependant, dans des conditions de culture encore sensiblement plus diluées que les fluides corporels (par exemple, urine : 36-50 g/L ; sang : 80 g/L) (par exemple, milieu nutritif HAM F10 : 16,55 g/L ; milieu DMEM/F12 : 16,78 g/L ; milieu DMEM riche en glucose et L-glutamine : 17,22 g/L), la vitesse de conversion limitante du procollagène en collagène I est très lente. Il a été confirmé que l'ajout de macromolécules inertes polydispersées (présentées comme des objets sphériques de diamètre variable) dans les milieux de culture facilitera la production amplifiée de substituts vivants riches en ECM. L'encombrement macromoléculaire, en imitant la densité localisée des tissus natifs, peut être utilisé pour moduler efficacement les microenvironnements in vitro et finalement produire des substituts cellulaires riches en ECM, en quelques heures plutôt qu'en jours ou en mois de culture, sans compromettre les fonctions cellulaires fondamentales.

Voir également

Les références

Liens externes