Внутриклеточной среды: не так мутной воде Understand article

Переводы Ilaria Ferlenghi. Джузеппе Закхая из Института Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция, описывает, как он и его коллеги обнаружили способ для изучения динамики…

Мертвое море
Права на фотографию
принадлежат EdwardShtern /
iStockphoto

По сравнению с другими жидкостями, вода имеет необыкновенные свойства. Поскольку вода имеет важное значение для всех живых организмов, его свойства также играют действительно важную роль на уровне молекулярной биологии — дисциплину, которая стремится понять жизненные процессы на уровне атомов, молекул и их взаимодействий.

Гидрофобный эффект является одним из таких собственности. Он описывает наблюдения, что в жидкий раствор, вода и масло не смешиваются. Причина в том, что молекулы воды могут образовывать водородные связи друг с другом и другими молекулами (которые называются гидрофильными), но не с нефтью, как молекулы (которые называются гидрофобными) (более подробно об этой теме см. Чиконьяни, 2006). Это фундаментальные последствия в области молекулярной биологии. Гидрофобный эффект приводит к спонтанной организации молекул липидов в форме мембран, которые окружают клетки. Он также вносит свой вклад в формирование трехмерных структур белков, РНК и ДНК, способствуя их складывать таким образом, чтобы скрыть гидрофобные части их структуры от контакта с водой и подвергать гидрофильных частей.

Марион Jasnin и Джузеппе
Закхая на МБА

Права на фотографию
принадлежат Giuseppe Zaccai

Гидрофобного эффекта, как это понимается, в решающей степени зависит от специальных динамических свойств молекул воды в жидком состоянии. Следствием этого эффекта в мембранном формирования и высокомолекулярных складывающиеся была выведена из пробирки эксперименты на решения, в которых вода четко в жидком состоянии. Там были предложения, однако, что вода в клетках не в нормальном жидком состоянии, но как-то «приручить» и не может двигаться так же свободно, внутри вязкой внутриклеточной среды, густой суп из белков и других молекул.

Поэтому было очень важно для оценки динамического состояния воды непосредственно в живых клетках. Это не было легкой задачей, но особые свойства нейтронного помогли ученым из моей исследовательской группой ILLw1, а также исследователи из Института де Biologie Structurale CEA-НЦНИ-UJFw2 в Гренобле, Франция, справиться с ней успешно.

колбу дейтерированных
marismortui клетки
Haloarcula. Обратите
внимание на красный цвет
галофильных организмов,
которые в естественных
условиях цветов соленых
озер и прудов соли. Это
связано с каротиноидов в
клеточные мембраны,
которые входят в пищевую
цепь, а также отвечают,
например, для цвета
розового фламинго

Права на фотографию
принадлежат Giuseppe Zaccai

Первые эксперименты по динамике вод в живых клетках проводились при МБА на клетки из организмов, которые живут в очень соленой условия Мертвого моря (Tehei и др.., 2007). Соль используется в качестве консерванта, поскольку при высоких концентрациях он обычно убивает микроорганизмы. Галофильных Мертвого моря (соли любящих) организмы эволюционировали, чтобы справиться с очень высокой концентрации соли при наличии макромолекул с заметно увеличилось гидрофильных поверхностей. Эти поверхности воды влияет на динамику внутри клетки, что приводит к наблюдению компонента важные медленно воды в Мертвом море клетки.

Ясно, что если бы это было верно для всех организмов, это приведет к полной переоценке не только из гидрофобного эффекта, но и роль воды в биологии в целом. Поэтому важно, чтобы проверить, является ли такое поведение было особенным галофильных организмов или может быть обобщена (Jasnin и др.., 2008).

В ILL, ученые используют пучки нейтронов для исследования различных твердых и жидких материалов. В экспериментах нейтронной спектрометрии для определения динамики (как атомы движутся в веществе), нейтронов в пучке сталкиваются с атомами для изучения, как бильярдные шары отскакивают друг от друга. Нейтронов и атомов обмена энергией и импульсом — нейтроны рассеиваются. Таким образом, измерения, как эти изменения значений для нейтронов после столкновения дает нам указание на энергию и импульс атома они столкнулись, и, следовательно, о том, как эти перемещения атомов.

Но как мы можем различать движения различных атомов в образце комплекса, таких, как клетка, которая содержит не только воды, но и многие другие молекулы, атомы движутся по-разному? Нейтроны рассеиваются с различными власти различных атомов. Для исследования сложных систем, ученые используют трюк, чтобы уменьшить рассеяние мощности всего, они не хотят, чтобы меры. Водород рассеивает нейтроны гораздо сильнее, чем всех других типов атома (около 10-100 раз, в зависимости от типа атома вы сравните ее с). В отличие, дейтерий, тяжелый изотоп водорода (его ядро содержит один нейтрон в дополнение к одному протона), рассеивает нейтронов примерно в 40 раз слабее, чем водород. Используя это свойство, ученые заменить водорода дейтерием в компонент комплексной системы они не заинтересованы и делают их практически «невидимыми». Вклад в рассеяние сигнала молекул, содержащих дейтерий можно пренебречь, и мы «видеть» только движений молекул, содержащих водород.

Марион Jasnin монтажа
образца на криостате жезл
спектрометра IN6. Криостата
контроля температуры
образца во время сбора
данных. Образец находится
в плоской коробке
алюминия на конце стержня.
Диски на стержне
перегородками для
поддержания постоянной
температуры в нижней
части криостата

Права на фотографию
принадлежат Giuseppe Zaccai

Марион Jasnin и ее коллеги использовали этот прием для анализа динамики вод в естественных условиях в цитоплазме бактерий кишечной палочки, используя источники нейтронов на ILL и ISISw3, Великобритания. Изучение физики с биологическими образцами всегда сложная задача, и человеческие клетки очень деликатный и сложный в работе. Кишечной палочки были хорошей альтернативой, поскольку они более просты в обращении, но жить в кишечнике человека в аналогичных физиологических условиях температуры и солености, как наши собственные клетки, и помните, адаптацию цитоплазмы к высокой солености считалось, что причиной из «замедлились» вода в галофилы.

Для замены атомов водорода в белках и других клеточных макромолекул на дейтерий, кишечная палочка Клетки, выращенные на дейтерированном питательных веществ и дейтерированного (тяжелые) водой. Для измерения, они были затем центрифугировали мягко и тяжелой воды был заменен на нормальный (водородсодержащих) воды, разбавляя из дейтерий-содержащих внутриклеточной воды, но не дейтерия в макромолекул. В этом образце, после разбавления из, рассеяние нейтронов сигнал поступает в основном из внутриклеточной воды. Гранулы живых клеток был помещен в держатель образца алюминия. Алюминий, как и все металлы, прозрачен для нейтронов — хотя, очевидно, не на свет или рентгеновские лучи.

Нейтронные энергия и импульс определяется до и после рассеяния путем измерения их длины волны (в диапазоне ангстрем). Двух основных методов, используемых для этого (в зависимости от спектрометра) являются для ‘время полета «, в котором скорость нейтрона (обратно пропорциональна длине волны, скорость в км / с Диапазон длин волн ангстрем) измеряется за определяется пути, и дифракции кристаллов (в соответствии с законом Брэгга, только определенной длины волны дифрагирует для данной периодичности кристалла и углового настройка — подробнее об этом законе в Хьюз, 2007 и Cornuéjols, 2009). Узнайте больше об этих методах onlinew4.

Тепло движения: скорость, при которой атомы материала перемещения зависит от температуры. Однако атомы в одном материале также можете переместить на различных скоростях при той же температуре, в зависимости от того, как они связаны с другими атомами вокруг них: молекулы воды, как известно, замедлился в результате прямого контакта с макромолекул, таких как белки или ДНК. Вопрос ученые попросили было: сделать сотовый молекул воды, которые не в прямом контакте с макромолекулами двигаться, как они, как правило, в жидкой воде, или они тоже значительно замедлились?

расположение рассеяния
IN6 нейтронного
спектрометра на ILL.
Нажмите на фотографию
для увеличения

Права на фотографию
принадлежат ILL

Каждый нейтронный спектрометр является специализированным для измерения атомных движений, происходящих в течение определенного масштаба масштабе времени окна. В принципе, Есть три типа: те, измерения в диапазоне от около 1 амплитуда Ангстрем, происходящих в около 1 пикосекундных (10-12 с), что соответствует теплового движения атомов водорода в жидкой воде при комнатной температуре (отметим, что это соответствует скоростью около 100 м / с); эти измерения в диапазоне 1-10 амплитуды Ангстрем в наносекунды (10-9 с), что бы забрать «замедлились» воды, и промежуточного типа для диапазона 1-10Ангстрем амплитуды в 100 пикосекунд.

С помощью пико-и наносекундной спектрометра, Марион Jasnin и ее коллеги установили, что динамики вод в бактериальную клетку аналогичны тем, которые в чистой воде. Молекулы воды вращаются, а также диффузные линейно в жидкость, и несколько замедленными вращательной диффузии была измерена. Из доля атомов водорода, которые переехали более медленно и средний поверхности макромолекул внутри ячейки кишечная палочка, ученые подсчитали, что эта доля соответствует один слой молекул воды рядом с макромолекул, замедляется, но остальные потоки так же свободно, как в жидкой воде.

Что происходит внутри клетки, то, похоже на то, что находится вокруг островов Венецианской лагуны в Италии. Воды близка к макромолекул (острова) держится, а между ними — всего лишь один слой молекул воды из макромолекул — вода восстанавливает свою текучесть. Это в отличие от «укрощения» гипотезы, которые утверждали, что вся вода в ячейке будет замедляться.

Вслед за кишечной палочки экспериментов, группа в настоящее время также удалось изучить динамику вод в эритроциты человека на источники нейтронов в Германии (FRM IIw5) и Швейцарии (PSIw6). Же поведение, как в кишечной палочки было подтверждено, с жидкой водой течет свободно после первого слоя, который находится в контакте с гемоглобином, основного белка, содержащегося в этих клетках (Стадлер и др., 2009).

Ученые могут вздохнуть с облегчением — и продолжают делать свои эксперименты в жидких растворах воды, благодаря этому подтверждение того, что такие эксперименты действительно модель для того, что происходит в клетках.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Cicognani G (2006): Defying the laws of physics? Science in School 1: 19-21. www.scienceinschool.org/2006/issue1/defying
  • Cornuéjols D (2009): Biological crystals: at the interface between physics, chemistry and biology. Science in School 11: 70-76. www.scienceinschool.org/2009/issue11/crystallography
  • Hughes D (2007) Taking the stress out of engineering. Science in School 5: 61-65. www.scienceinschool.org/2007/issue5/stress
  • Jasnin M, Moulin M, Haertlein M, Zaccai G, Tehei M (2008) Down to atomic-scale intracellular water dynamics. EMBO Reports 9: 543-547. doi:10.1038/embor.2008.50
  • Stadler AM, Embs JP, Digel I, Artmann GM, Unruh T, Buldt G, Zaccai G (2008) Cytoplasmic water and hydration layer dynamics in human red blood cells. Journal of the American Chemical Society 130: 16852-16853. doi:10.1021/ja807691j
  • Tehei M, Franzetti B, Wood K, Gabel F, Fabiani E, Jasnin M, Zamponi M, Oesterhelt D, Zaccai G, Ginzburg M, Ginzburg BZ (2007) Neutron scattering reveals extremely slow cell water in a Dead Sea organism. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104: 766-771. doi:10.1073/pnas.0601639104

Web References

  • w1 – Чтобы узнать больше о Института Лауэ-Ланжевена, см.: www.ill.eu
  • w2 – Чтобы узнать больше о Институтом Biologie Structurale CEA-НЦНИ-UJF, см.: www.ibs.fr
  • w3 – Узнайте больше о ISIS, импульсных нейтронных и мюонных источника, расположенного в Великобритании Rutherford Appleton Laboratory неподалеку от Оксфорда, здесь: www.isis.rl.ac.uk
  • w4 – Для получения дополнительной информации о нейтронной дифракции, а также о времени пролета и кристально методы анализа, см. следующие прямые ссылки на страницы Википедии:
  • w5 – Узнайте больше о немецких исследований нейтронного источника FRM II (Forschungs-Neutronenquelle Хайнца Майера-Лейбница) в Мюнхене здесь: www.frm2.tum.de
  • w6 – Чтобы узнать больше о Институт Пауля Шеррера в Виллинген, Швейцарии, см.: www.psi.ch

Resources

Institution

ILL

Author(s)

Джузеппе Закхая родился в Александрии, Египет, а также образование на английском языке школах и в Риме, Италия. После кандидата физико из Эдинбургского университета, Великобритания, он начал работать по биофизике в США. Он пошел на МБА, где он является старшим научным сотрудником по биологии. Он также занимает должность Recherche Directeur де с Национальным центром де-ла-Recherche научных исследований (CNRS) Франции и возглавил лабораторию молекулярной биофизики IBS в Гренобле, поскольку она была основана в 1992 году.


Review

Многое сделано в школе науки научный процесс, и все же наши студенты, как правило, не так много воздействием передовых исследований в области науки, или стиль написания используется в научных журналах. Причины этого расстояния включают немного видимой связи с научной школы, и часто непроницаемой стиль академической прозы.

Эти критической не применяются к статье Закхая, которые также рассматриваются важные «Откуда мы знаем? Вопрос. Хотя поведение молекул в пробирке может быть хорошо изучены и поняты, часто вопрос о гипотезе, сколько из этого повторяет поведение в естественных условиях. Статья предполагает, что вода, по крайней мере, не ведут себя по-разному, и текст представляет интерес для преподавателей и студентов старших биологии, физики или химии, в частности, как есть кросс-дисциплинарного характера к сообщалось исследований.

Возможные вопросы включают понимание:

  • Объясните аналогия проводится между лагуной в Венеции и внутриклеточной воды.
  • Что не-единица СИ (ы) культур (ы) в статье? выражаети эти в единицах СИ.
  • Что такое «дейтерирования» означает?
  • Почему кишечная палочка хорошей экспериментальной тему?
  • ранг некоторых из указанных выше материалов с целью их способности разброс нейтронов.
  • Определение «гидрофобных» и «гидрофильные.
  • Каким имеет значения молекул оказанные «невидимыми» для пучка нейтронов?
  • Что можно сделать вывод по работе, описанной в статье?

Ian Francis, Великобритания




License

CC-BY-NC-ND