jaka jest gęstość komórek?
tryb czytnika
gęstość materiału biologicznego jest odpowiedzialna za osiadanie komórek na dnie naszych probówek laboratoryjnych i płyt wieloodwiertowych i służy jako podstawa rutynowego odwirowywania, które jest częścią codziennego życia tak wielu biologów. Te same różnice w gęstości między komórkami i ich wodnistej powierzchni zewnętrznej są również podstawą kontrastu obserwowanego w obrazach mikroskopii fazowej. Różnice te są również ważne poza ustawieniami laboratoryjnymi. Na przykład plankton musi zmagać się z tą różnicą gęstości, aby pozostać na głębokości oceanu, gdzie światło słoneczne jest obfite, a nie tonąć w zaczernionych głębinach. Biorąc pod uwagę, że większość biologów i biochemików codziennie korzysta z separacji opartej na gęstości, wydaje się zaskakujące, jak rzadko omawiane są gęstości, takie jak te zebrane w tabeli 1.
Tabela 1: gęstości obiektów biologicznych względem wody. Jest to prawie równoznaczne z podaniem ich w jednostkach g / ml lub 1000 kg / m3. Wartości są sortowane malejąco. O ile nie określono inaczej, wartości zmierzono w roztworze sacharozy lub ficollu.
Jaka jest podstawa dla różnych gęstości różnych organelli i typów komórek? W dużej mierze różnice te można przypisać stosunkowi zawartości wody do suchej masy. Białka mają gęstość ≈1,3-1,4 (BNID 104272, 101502) w stosunku do wody (lub prawie równoważnie w jednostkach g/ml lub 1000 kg / m3). Biorąc pod uwagę wartość odniesienia 1 dla gęstości wody, widmo wartości pośrednich dla gęstości komórek między 1 A 1.3 uzyskuje się na podstawie względnej obfitości białek i wody. Lipidy znajdują się na dolnym końcu obok wody o gęstości około 1 (BNID 108142). Na drugim krańcu granulki skrobi o gęstości ≈1,5 (BNID 103206) i nukleotydy w ≈1,7 mogą przesunąć ogólny bilans masowy w przeciwnym kierunku.
poznanie gęstości jest często oparte na miejscu, w którym dany składnik biologiczny osiada po wirowaniu w wirówce zawierającej gradient stężeń często wytwarzany przez sacharozę lub w przypadku DNA, chlorek cezu. Gęstość odzwierciedla masę podzieloną przez objętość, ale w przypadku związków naładowanych w roztworze na gęstość mają również wpływ powłoki tzw. wody wiązanej. Gęstość w tym przypadku staje się gęstością efektywną, zmniejszoną przez związaną wodę, a więc w pewnym stopniu zależną od stężenia soli (BNID 107858).
szybkość sedymentacji, jaka występuje w wirówce, jest określana ilościowo w jednostkach Svedberga, od którego pochodzą nazwy 70S, 23s itd. dla rybosomu i jego podjednostek rRNA. 23s rRNA osadzi się z prędkością 23×10-12 m/s pod normalną grawitacją. W ultracentryfudze wytwarzającej przyspieszenie rzędu miliona g prędkość będzie proporcjonalnie skalowana do 23×10-6 m/s lub około 1 mm/min. Szybkość sedymentacji zależy od gęstości, wielkości i kształtu cząsteczki. Dla podobnych kształtów i gęstości szybkość sedymentacji skaluje się jako pierwiastek kwadratowy masy cząsteczkowej. W takich przypadkach masa cząsteczkowa jest równa Kwadratowi szybkości sedymentacji, tak że podjednostki 23s i 16S rybosomu mają masę cząsteczkową o stosunku około (23/16)2 lub około 2, który jest ściśle zgodny z pomiarami 0,9 i 0.Odpowiednio 5 MDa (BNID 110972, 110967). W klinice rutynowo stosuje się wskaźnik sedymentacji erytrocytów (czerwonych krwinek) do pomiaru stanu zapalnego. Wskaźniki znacznie wyższe niż 10 mm/godzinę zwykle wskazują na obecność czynnika Pro-sedymentacyjnego fibrynogenu, który jest ogólnym wskaźnikiem stanu zapalnego.
wiadomo, że woda jest najobficiej występującą cząsteczkową frakcją komórek, ale jak bardzo dokładnie? Jeśli zbadamy tkanki organizmów wielokomórkowych, znalezienie zawartości wody jest prostym zadaniem pomiaru masy tkanki przed i po wysuszeniu. Ale jak można wykonać takie pomiary dla komórek? Kiedy ważymy masę komórek przed i po wysuszeniu, jak mierzymy tylko komórki bez wody wokół nich? Nawet po odwirowaniu w peletce komórki pozostaje woda, co skutkuje niejednoznacznością co do samej suchej masy.
Po raz kolejny radioizotopowe etykietowanie przychodzi na ratunek (Cayley et al 1991). Po pierwsze, oznaczona woda (za pomocą trytu, 3H) jest mierzona w granulce komórkowej. Oznacza to sumę wody wewnątrz i na zewnątrz komórek. Następnie inny rozpuszczalny związek, który jest znakowany, ale nie może dostać się do komórki, taki jak inulina 14C lub 3H-PEG, mierzy objętość wody poza komórkami w odwirowanym granulacie (na przykład w E. coli około 25-35% objętości granulatu (BNID)). Różnica wskazuje na zawartość wody w komórkach. Metody te prowadzą do typowych wartości w zakresie od ≈60-65% masowo dla drożdży i czerwonych krwinek do ≈70% dla E. coli i amoeba D. discoideum oraz do ≈80% dla mięśni szczura i tkanek serca świni (BNID 105938, 103689). Ponieważ udział suchej masy jest zdominowany przez składniki o gęstości ≈1,3 (tj. białka), prowadzi to do charakterystycznej gęstości ogólnej ≈1,1 (BNID 103875, 106439, 101502). Z tych charakterystycznych frakcji można wywnioskować, że sucha masa na objętość wynosi około 300-500 mg / ml (BNID 108131, 108135, 108136), ale podczas powolnego wzrostu wartości mogą być wyższe. Niskie gęstości są powszechne w suchych nasionach i roślinach podwodnych, które mają wyporne części o gęstości mniejszej niż otaczająca woda, co pozwala im pływać. Gęstości niższe od gęstości wody można uzyskać albo za pomocą gazu, jak w wodorostów i niektórych bakterii, albo za pomocą substancji rozpuszczonych o masie cząsteczkowej (MW) niższej niż otaczające media (np. zastąpienie sodu MW≈23 amonem MW≈18), jak w małych skorupiakach, widłonogach antarktycznych.
ludzie składają się z około 60% wody (40% w komórkach, 15% w płynie śródmiąższowym i 5% w osoczu krwi, BNID 110743) i większość z nas doświadczyła silnych skutków odwodnienia po zapomnieniu o wypiciu nawet kilku szklanek. Jednak niektóre komórki mogą być zaskakująco odporne na spadek zawartości wody. Na przykład 25% utrata wody wewnątrzkomórkowej nie wpływa na tempo metabolizmu glukozy w komórkach wątroby szczura. Taki spadek można osiągnąć przez osmozę-zmianę toniczności (stężenia substancji rozpuszczonej) płynu zewnątrzkomórkowego. Ekstremalnym przykładem jest niezwykła krewetka solankowa. Żyjąc w środowiskach, w których stężenie soli na zewnątrz może się wahać i być bardzo wysokie, wykazano, że mają torbiele, które mogą być wysuszone do tylko 2% wody bez nieodwracalnych uszkodzeń i przy poziomie nawodnienia wyższym niż 37% (tylko około połowy stanu pełnego nawodnienia) ich fizjologia zachowuje się jak zwykle. Ta odporność w obliczu utraty wody może być związana z rozróżnieniem czasami między dwoma formami wody we wnętrzu komórki. Normalna „woda masowa”, która jest bardziej dyspozycyjna, oraz” woda związana”, która jest związana ze składnikami komórkowymi i służy jako rozpuszczalnik niezbędny do prawidłowego funkcjonowania.
