care este densitatea celulelor?

mod cititor

densitatea materialului biologic este responsabilă pentru așezarea celulelor pe fundul tuburilor noastre de laborator și a plăcilor cu mai multe puțuri și servește ca bază a centrifugării de rutină care face parte din viața de zi cu zi a atâtor biologi. Aceleași diferențe de densitate între celule și exteriorul lor apos sunt, de asemenea, baza contrastului pe care îl observăm în imaginile microscopice de fază. Aceste diferențe sunt, de asemenea, importante în afara setării laboratorului. De exemplu, planctonul trebuie să se confrunte cu această diferență de densitate pentru a rămâne la o adâncime în ocean, unde lumina soarelui este abundentă, mai degrabă decât să se scufunde în adâncurile înnegrite. Având în vedere că majoritatea biologilor și Biochimiștilor folosesc zilnic separarea bazată pe densitate, pare surprinzător cât de rar sunt discutate densități precum cele colectate în tabelul 1.

Tabelul 1: densitățile obiectelor biologice în raport cu apa. Acest lucru este aproape echivalent cu a le da în unități de g/ml sau 1000 kg/m3. Valorile sunt sortate în ordine descrescătoare. Dacă nu se specifică altfel, valorile au fost măsurate în zaharoză sau soluție de ficoll.

care este baza pentru densitățile diferite ale diferitelor organite și tipuri de celule? În mare măsură, aceste diferențe pot fi atribuite raportului dintre conținutul de apă și masa uscată. Proteinele au o densitate de 1,3-1,4 (BNID 104272, 101502) în raport cu apa (sau aproape echivalent în unități de g/ml sau 1000 kg/m3). Având în vedere valoarea de referință de 1 pentru densitatea apei, un spectru de valori intermediare pentru densitatea celulară între 1 și 1.3 sunt obținute pe baza abundenței relative a proteinelor și a apei. Lipidele se află la capătul inferior lângă apă la o densitate de aproximativ 1 (BNID 108142). La cealaltă extremă, granulele de amidon cu o densitate de 1.5 (BNID 103206) și nucleotidele la 1.7 pot schimba echilibrul total de masă în direcția opusă.

cunoașterea densității se bazează adesea pe locația în care o anumită componentă biologică se stabilește atunci când este rotită într-o centrifugă care conține un gradient de concentrații adesea produs de zaharoză sau, în cazul ADN-ului, clorură de cesiu. Densitatea reflectă masa împărțită la volum, dar pentru compușii încărcați în soluție densitatea este afectată și de cochilii de așa-numită apă legată. Densitatea în acest caz devine o densitate efectivă, redusă de apa legată și, astfel, oarecum dependentă de concentrația de sare (BNID 107858).

rata de sedimentare, așa cum se întâmplă într-o centrifugă, este cuantificată în unități de Svedberg care este Originea numelor 70S, 23S etc. pentru ribozom și subunitățile sale rRNA. Un ARNr 23S se va sedimenta la o viteză de 23 de 10-12 m/s în condiții de gravitație normală. Într-un ultracentrifuge care produce o accelerație de un milion g, viteza se va scala proporțional la 23 xtoct 10-6 m/s sau aproximativ 1 mm/min. Rata de sedimentare depinde de densitatea, dimensiunea și forma moleculei. Pentru forme și densități similare, rata de sedimentare se scalează ca rădăcină pătrată a masei moleculare. Pentru astfel de cazuri, masa moleculară este pătratul ratei de sedimentare, astfel încât subunitățile 23S și 16S ale ribozomului au o masă moleculară cu un raport de aproximativ (23/16)2 sau aproximativ 2 Care este strâns în linie cu măsurătorile de 0,9 și 0.5 MDa respectiv (BNID 110972, 110967). În clinică, rata de sedimentare a eritrocitelor (globule roșii) este utilizată în mod obișnuit pentru a măsura inflamația. Ratele mult mai mari de 10 mm/oră indică de obicei prezența factorului Pro-sedimentare fibrinogen, care este un indicator general al unei afecțiuni inflamatorii.

este bine cunoscut faptul că apa este cea mai abundentă fracțiune moleculară a celulelor, dar cât de abundentă este exact? Dacă examinăm țesuturile din organisme multicelulare, găsirea conținutului de apă este o sarcină simplă de măsurare a masei țesutului înainte și după uscare. Dar cum se pot efectua astfel de măsurători pentru celule? Când cântărim o masă de celule înainte și după uscare, cum măsurăm doar celulele fără apă în jurul lor? Chiar și după centrifugare, rămâne apă în peleta celulară, rezultând ambiguitate cu privire la masa uscată în sine.

încă o dată etichetarea radio-izotopică vine la salvare (Cayley et al 1991). În primul rând, apa marcată (folosind tritiu, 3H) este măsurată într-o peletă celulară. Aceasta indică suma apei din interiorul și din exteriorul celulelor. Apoi, un alt compus solubil care este etichetat, dar care nu poate intra în celulă, cum ar fi 14C-inulină sau 3h-PEG, măsoară volumul de apă din afara celulelor într-o peletă centrifugată (de exemplu, în E. coli aproximativ 25-35% din volumul peletei (BNID)). Diferența indică conținutul de apă din interiorul celulelor. Astfel de metode conduc la valori tipice variind de la 60-65% în masă pentru drojdia înmugurită și celulele roșii din sânge la 70% pentru E. coli și amoeba D. discoideum și până la 80% pentru țesuturile musculare de șobolan și inima de porc (BNID 105938, 103689). Deoarece contribuția substanței uscate este dominată de constituenți de densitate 1.3 (adică proteine), aceasta conduce la densitatea generală caracteristică de 1.1 (BNID 103875, 106439, 101502). Din aceste fracții caracteristice se poate deduce că masa uscată pe volum este de aproximativ 300-500 mg/ml (BNID 108131, 108135, 108136), dar în timpul creșterii lente valorile pot fi mai mari. Densitățile scăzute sunt frecvente în semințele uscate și plantele subacvatice care au părți plutitoare cu densități mai mici decât apa din jur, permițându-le astfel să plutească. Densitățile mai mici decât cele ale apei pot fi obținute fie prin gaz ca în alge și unele bacterii, fie prin utilizarea substanțelor dizolvate cu greutate moleculară (MW) mai mică decât mediile înconjurătoare (de exemplu, înlocuirea sodiului cu MW 23 cu amoniu cu MW 18) ca în crustaceele mici, copepodele Antarctice.

oamenii sunt alcătuiți din aproximativ 60% apă (40% în celule, 15% în lichidul interstițial și 5% în plasma sanguină, BNID 110743) și majoritatea dintre noi au experimentat efectele puternice ale deshidratării după ce au uitat să bea chiar și doar câteva pahare. Cu toate acestea, unele celule pot fi surprinzător de robuste la o scădere a conținutului lor de apă. De exemplu, rata metabolizării glucozei în celulele hepatice de șobolan nu a fost afectată de pierderea de 25% a apei intracelulare. O astfel de scădere poate fi atinsă prin osmoză – schimbarea tonicității (concentrația de solut) a fluidului extracelular. Un exemplu extrem este cel al creveților cu saramură remarcabilă. Trăind în medii în care concentrația de sare exterioară poate fluctua și poate fi foarte mare, s-a dovedit că are chisturi care pot fi deshidratate la doar 2% apă fără daune ireversibile și la niveluri de hidratare mai mari de 37% (doar aproximativ jumătate din starea sa complet hidratată) fiziologia lor se comportă normal. Această robustețe în fața pierderii de apă ar putea fi legată de o distincție uneori făcută între două forme de apă din interiorul celulei. „Apă în vrac” normală, care este mai dispensabilă și” apă legată”, care este asociată cu componentele celulare și servește ca solvent esențial pentru buna funcționare.