मैक्रोमोलेक्युलर भीड़

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कोशिकाओं के साइटोसोल में मैक्रो मोलेक्यूल भीड़ प्रोटीन और न्यूक्लिक अम्ल जैसे मैक्रोमोलेक्युलस के गुणों को बदल देती है।[1]

मैक्रोमोलेक्यूलर भीड़ की घटना समाधान (रसायन विज्ञान) में अणुओं के गुणों को बदल देती है जब प्रोटीन जैसे मैक्रोमोलेक्यूल्स की उच्च सांद्रता मौजूद होती है।[2] जीवित कोशिका (जीव विज्ञान) में ऐसी स्थितियां नियमित रूप से होती हैं; उदाहरण के लिए, इशरीकिया कोली के साइटोसोल में लगभग 300–{{val|400|ul=mg/ml}मैक्रोमोलेक्युलस की।[3] भीड़ इसलिए होती है क्योंकि मैक्रोमोलेक्यूल्स की ये उच्च सांद्रता समाधान में अन्य अणुओं के लिए उपलब्ध विलायक की मात्रा को कम कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप उनकी प्रभावी सांद्रता बढ़ जाती है। क्राउडिंग कोलाइडल चरण पृथक्करण द्वारा जैव आणविक घनीभूत के गठन को बढ़ावा दे सकता है।

यह भीड़ प्रभाव कोशिकाओं में अणुओं को टेस्ट-ट्यूब परख की तुलना में मौलिक रूप से भिन्न तरीके से व्यवहार कर सकता है।[4]नतीजतन, चयापचय में एंजाइमों या प्रक्रियाओं के गुणों का माप जो प्रयोगशाला में (कृत्रिम परिवेशीय में) तनु समाधानों में बनाया जाता है, जीवित कोशिकाओं (विवो में) में देखे गए वास्तविक मूल्यों से परिमाण के कई आदेशों से भिन्न हो सकता है। वास्तविक रूप से भीड़ वाली परिस्थितियों में जैव रासायनिक प्रक्रियाओं का अध्ययन बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि ये स्थितियाँ सभी कोशिकाओं की सर्वव्यापी संपत्ति हैं और चयापचय के कुशल संचालन के लिए भीड़ आवश्यक हो सकती है। दरअसल, इन विट्रो अध्ययनों से पता चला है कि भीड़ डीएनए को प्रोटीन की बाध्यकारी स्थिरता को बहुत प्रभावित करती है।[5]


कारण और प्रभाव

कोशिकाओं का आंतरिक भाग भीड़भाड़ वाला वातावरण होता है। उदाहरण के लिए, एक एस्चेरिचिया कोलाई कोशिका केवल 2 माइक्रोमीटर (माइक्रोन) लंबी और 0.5 माइक्रोन व्यास वाली होती है, जिसमें सेल की मात्रा 0.6 - 0.7 माइक्रोन होती है।3</उप>।[6] हालांकि, ई. कोलाई में 4,288 विभिन्न प्रकार के प्रोटीन हो सकते हैं,[7] और इनमें से लगभग 1,000 प्रकार के उच्च स्तर पर उत्पादित किए जाते हैं जिनका आसानी से पता लगाया जा सकता है।[8] इस मिश्रण में आरएनए और कोशिका के डीएनए क्रोमोसोम के विभिन्न रूप जोड़े जाते हैं, जो 300 और 400 मिलीग्राम/मिली के बीच मैक्रोमोलेक्युलस की कुल सांद्रता देते हैं।[3]यूकेरियोट्स में कोशिका के इंटीरियर को प्रोटीन रेशा ्स द्वारा आगे बढ़ाया जाता है जो cytoskeleton बनाते हैं, यह मेशवर्क साइटोसोल को संकीर्ण छिद्रों के एक नेटवर्क में विभाजित करता है।[9]

मैक्रोमोलेक्युलस (ग्रे सर्कल) की उच्च सांद्रता पर व्यापक रूप से विभिन्न आकारों (काले घेरे) के दो अणुओं के लिए सुलभ विलायक (लाल) की मात्रा। उपलब्ध आयतन को कम करने से मैक्रोमोलेक्युलस की गतिविधि (रसायन विज्ञान) बढ़ जाती है।

मैक्रोमोलेक्युलस की ये उच्च सांद्रता कोशिका के आयतन के एक बड़े हिस्से पर कब्जा कर लेती है, जो विलायक की मात्रा को कम कर देती है जो अन्य मैक्रोमोलेक्युलस के लिए उपलब्ध है। यह बहिष्कृत मात्रा प्रभाव मैक्रोमोलेक्युलस (उनकी गतिविधि (रसायन विज्ञान) में वृद्धि) की प्रभावी एकाग्रता को बढ़ाता है, जो बदले में प्रतिक्रिया की दर और उनकी प्रतिक्रियाओं के संतुलन स्थिरांक को बदल देता है।[10] विशेष रूप से यह प्रभाव मैक्रोमोलेक्यूल्स के जुड़ाव के पक्ष में पृथक्करण स्थिरांक को बदल देता है, जैसे कि जब प्रोटीन कॉम्प्लेक्स बनाने के लिए कई प्रोटीन एक साथ आते हैं, या जब डीएनए-बाध्यकारी प्रोटीन जीनोम में अपने लक्ष्य से जुड़ते हैं।[11] यदि प्रतिक्रिया में एंजाइम के आकार में एक बड़ा परिवर्तन शामिल है, तो भीड़ छोटे अणुओं को शामिल करने वाली एंजाइम प्रतिक्रियाओं को भी प्रभावित कर सकती है।[10]

भीड़ प्रभाव का आकार आणविक द्रव्यमान और शामिल अणु के आकार दोनों पर निर्भर करता है, हालांकि द्रव्यमान प्रमुख कारक लगता है - प्रभाव बड़े अणुओं के साथ मजबूत होता है।[10]विशेष रूप से, प्रभाव का आकार गैर-रैखिक है, इसलिए एमिनो एसिड या मोनोसैकराइड जैसे छोटे अणुओं की तुलना में मैक्रोमोलेक्यूल्स बहुत अधिक दृढ़ता से प्रभावित होते हैं। मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडिंग इसलिए बड़े अणुओं द्वारा अन्य बड़े अणुओं के गुणों पर डाला गया प्रभाव है।

महत्व

मैक्रोमोलेक्युलर भीड़ जैव रसायन और कोशिका जीव विज्ञान में एक महत्वपूर्ण प्रभाव है। उदाहरण के लिए, प्रोटीन और डीएनए के बीच परस्पर क्रियाओं की शक्ति में वृद्धि[5] प्रतिलेखन (आनुवांशिकी) और डीएनए प्रतिकृति जैसी प्रक्रियाओं में भीड़ द्वारा उत्पादित महत्वपूर्ण महत्व हो सकता है।[12][13] सिकल सेल रोग में हीमोग्लोबिन के एकत्रीकरण और उनकी मात्रा में परिवर्तन के लिए कोशिकाओं की प्रतिक्रियाओं के रूप में भीड़ को प्रक्रियाओं में शामिल होने का भी सुझाव दिया गया है।[4] प्रोटीन की तह में क्राउडिंग का महत्व जीव पदाथ-विद्य में विशेष रुचि रखता है। यहां, क्राउडिंग प्रभाव फोल्डिंग प्रक्रिया को तेज कर सकता है, क्योंकि कॉम्पैक्ट फोल्डेड प्रोटीन अनफोल्डेड प्रोटीन चेन की तुलना में कम मात्रा में कब्जा करेगा।[14] हालांकि, भीड़ प्रोटीन एकत्रीकरण को बढ़ाकर सही ढंग से मुड़े हुए प्रोटीन की उपज को कम कर सकती है।[15][16] भीड़ सेल में चैपरोन (प्रोटीन) जैसे ग्रेल की प्रभावशीलता को भी बढ़ा सकती है,[17] जो तह दक्षता में इस कमी का प्रतिकार कर सकता है।[18] यह भी दिखाया गया है कि मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडिंग प्रोटीन-फोल्डिंग डायनेमिक्स के साथ-साथ समग्र प्रोटीन आकार को प्रभावित करता है, जहां द्वितीयक संरचना परिवर्तनों के साथ अलग-अलग परिवर्तनकारी परिवर्तन होते हैं, जिसका अर्थ है कि भीड़-प्रेरित आकार परिवर्तन प्रोटीन कार्य और विवो में खराबी के लिए महत्वपूर्ण हो सकते हैं।[19] क्राउडिंग प्रभावों के महत्व का एक विशेष रूप से आकर्षक उदाहरण में क्रिस्टल शामिल हैं जो लेंस (शरीर रचना) के इंटीरियर को भरते हैं। लेंस के पारदर्शी होने के लिए इन प्रोटीनों को स्थिर और विलयन में रहना पड़ता है; प्रोटीन वर्षा या क्रिस्टलीय कण एकत्रीकरण मोतियाबिंद का कारण बनता है।[20] 500 मिलीग्राम/मिली से अधिक, अत्यधिक उच्च सांद्रता में लेंस में क्रिस्टलीय मौजूद होते हैं, और इन स्तरों पर भीड़ प्रभाव बहुत मजबूत होते हैं। बड़ी भीड़ का प्रभाव क्रिस्टलीय की थर्मल स्थिरता को जोड़ता है, विकृतीकरण (जैव रसायन) के प्रति उनके प्रतिरोध को बढ़ाता है।[21] यह प्रभाव आंशिक रूप से उच्च तापमान के कारण होने वाले नुकसान के लिए लेंस द्वारा दिखाए गए असाधारण प्रतिरोध की व्याख्या कर सकता है।[22] भीड़ उन बीमारियों में भी भूमिका निभा सकती है जिनमें प्रोटीन एकत्रीकरण शामिल होता है, जैसे कि दरांती कोशिका अरक्तता जहां उत्परिवर्ती हीमोग्लोबिन समुच्चय और अल्जाइमर रोग बनाता है, जहां प्रोटीन संख्या न्यूरॉन्स के भीतर भीड़ वाली परिस्थितियों में न्यूरोफिब्रिलरी उलझन बनाता है।[4][23]


अध्ययन

मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडिंग के कारण, तनु विलयन में किए गए एंजाइम परख और बायोफिजिकल तकनीक साइटोसोल में होने वाली वास्तविक प्रक्रिया और इसके कैनेटीक्स को प्रतिबिंबित करने में विफल हो सकती हैं।[24] अधिक सटीक माप उत्पन्न करने के लिए एक दृष्टिकोण कोशिकाओं के अत्यधिक केंद्रित अर्क का उपयोग करना होगा, ताकि कोशिका सामग्री को अधिक प्राकृतिक अवस्था में बनाए रखने का प्रयास किया जा सके। हालांकि, ऐसे अर्क में कई प्रकार के जैविक रूप से सक्रिय अणु होते हैं, जो अध्ययन की जा रही घटनाओं में हस्तक्षेप कर सकते हैं।[2]नतीजतन, प्रायोगिक मीडिया में पॉलीथीन ग्लाइकॉल, ficoll, dextran , या सीरम एल्ब्युमिन जैसे अपेक्षाकृत अक्रिय अणुओं की उच्च सांद्रता जोड़कर इन विट्रो में क्राउडिंग प्रभाव की नकल की जाती है।[5][25] हालांकि, इस तरह के कृत्रिम क्राउडिंग एजेंटों का उपयोग करना जटिल हो सकता है, क्योंकि ये क्राउडिंग अणु कभी-कभी जांच की जा रही प्रक्रिया के साथ अन्य तरीकों से बातचीत कर सकते हैं, जैसे कि किसी एक घटक को कमजोर रूप से बांधना।[2]


मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडिंग और प्रोटीन फोल्डिंग

जैविक प्रणालियों के लिए मैक्रोमोलेक्यूलर क्राउडिंग का एक बड़ा महत्व प्रोटीन तह पर इसके प्रभाव से उपजा है। अंतर्निहित भौतिक तंत्र जिसके द्वारा मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडिंग प्रोटीन को उनकी मुड़ी हुई अवस्था में स्थिर करने में मदद करता है, को अक्सर बहिष्कृत मात्रा के संदर्भ में समझाया जाता है - मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडर के साथ उनकी बातचीत के कारण प्रोटीन के लिए दुर्गम मात्रा।[26][27] यह धारणा असाकुरा और ओसावा तक जाती है, जिन्होंने स्टेरिक, हार्ड-कोर, इंटरैक्शन से प्रेरित कमी बलों का वर्णन किया है। <रेफरी नाम = [1] असाकुरा>{{cite journal|last=Asakura|first=Sho|author2=Oosawa, F|title=मैक्रोमोलेक्युलस के घोल में डूबे दो निकायों के बीच परस्पर क्रिया पर|journal=The Journal of Chemical Physics|date=1 January 1954|volume=22|issue=7|pages=1255|doi=10.1063/1.1740347|bibcode = 1954JChPh..22.1255A }</ref> <रेफरी नाम = [2] असाकुरा>{{cite journal|last=Asakura|first=Sho|author2=Oosawa, F.|title=मैक्रोमोलेक्युलस के समाधान में निलंबित कणों के बीच सहभागिता|journal=Journal of Polymer Science|year=1958|volume=33|issue=126|pages=183–192|doi=10.1002/pol.1958.1203312618|bibcode = 1958JPoSc..33..183A }</ref> ऊपर से अनुमानित तंत्र की एक बानगी यह है कि प्रभाव पूरी तरह से थर्मल है, और इस तरह पूरी तरह से एंट्रोपिक है। इन विचारों को यह समझाने के लिए भी प्रस्तावित किया गया था कि क्यों छोटे कॉसोल्यूट्स, अर्थात् सुरक्षात्मक osmolytes, जिन्हें अधिमानतः प्रोटीन से बाहर रखा गया है, प्रोटीन तह संतुलन को तह अवस्था की ओर स्थानांतरित करते हैं। रेफरी>{{Cite journal|last1=Stagg|first1=Loren|last2=Zhang|first2=Shao-Qing|last3=Cheung|first3=Margaret S.|last4=Wittung-Stafshede|first4=Pernilla|date=2007-11-27|title=आणविक भीड़ मूल संरचना और α/β प्रोटीन फ्लेवोडॉक्सिन की स्थिरता को बढ़ाती है|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|volume=104|issue=48|pages=18976–18981|doi=10.1073/pnas.0705127104|issn=0027-8424|pmc=2141893|pmid=18024596|bibcode=2007PNAS..10418976S|doi-access=free}</ref> हालांकि, यह विभिन्न तरीकों से दिखाया गया है, दोनों प्रयोगात्मक रेफरी का नाम = राजनीति 2010>Politi, R; Harries, D. (2010). "सुरक्षात्मक ऑस्मोलिट्स द्वारा उत्साहपूर्वक संचालित पेप्टाइड स्थिरीकरण". Chem. Commun. 46 (35): 6449–6451. doi:10.1039/c0cc01763a. PMID 20657920.</ref>[28][29] और सैद्धांतिक,[30][31][32] कि कमी बल हमेशा प्रकृति में एन्ट्रोपिक नहीं होते हैं।

पुनर्योजी चिकित्सा में मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडिंग

सत्यम एट अल। आयरलैंड के राष्ट्रीय विश्वविद्यालय, गॉलवे (एनयूआई गॉलवे) ने मैक्रोमोलेक्युलर भीड़ को ईसीएम-समृद्ध ऊतक समकक्ष बनाने के साधन के रूप में प्रस्तावित किया। मैक्रोमोलेक्युलर क्राउडिंग का सिद्धांत इस धारणा से लिया गया है कि विवो कोशिकाएं अत्यधिक भीड़ / घने बाह्य अंतरिक्ष में निवास करती हैं और इसलिए डे नोवो संश्लेषित प्रोकोलेजेन का कोलेजन I में रूपांतरण तेजी से होता है। हालांकि, शरीर के तरल पदार्थों की तुलना में काफी अधिक तनु में (जैसे, मूत्र: 36-50 g/L; रक्त: 80 g/L) संस्कृति की स्थिति (जैसे, HAM F10 पोषक माध्यम: 16.55 g/L; DMEM/ F12 माध्यम: 16.78 g/L; DMEM उच्च ग्लूकोज और L-ग्लूटामाइन माध्यम: 17.22 g/L), कोलेजन I में प्रोकोलेजन के रूपांतरण को सीमित करने की दर बहुत धीमी है। यह पुष्टि की गई थी कि कल्चर मीडिया में इनर्ट पॉलीडिस्पर्स्ड मैक्रोमोलेक्यूल्स (परिवर्तनीय व्यास की गोलाकार वस्तुओं के रूप में प्रस्तुत) के अलावा ईसीएम-समृद्ध जीवित विकल्पों के प्रवर्धित उत्पादन की सुविधा होगी। मैक्रोमोलेक्युलर भीड़, मूल ऊतक स्थानीयकृत घनत्व की नकल करके, इन विट्रो सूक्ष्म वातावरण में प्रभावी रूप से संशोधित करने के लिए उपयोग किया जा सकता है और अंततः मौलिक सेलुलर कार्यों से समझौता किए बिना, संस्कृति में दिनों या महीनों के बजाय घंटों के भीतर ईसीएम-समृद्ध सेल विकल्प का उत्पादन कर सकता है।[33][34][35][36]


यह भी देखें

संदर्भ

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  36. ↑ EP 2532736, Zeugolis, Dimitrios & Satyam, Abhigyan, "इंजीनियर जीवित ऊतक स्थानापन्न", published Dec 12, 2012 


बाहरी संबंध

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