vad är densiteten hos celler?
läsarläge
densiteten hos biologiskt material är ansvarig för sedimentering av celler till botten av våra laboratorierör och flerbrunnsplattor och fungerar som grund för den rutinmässiga centrifugeringen som ingår i det dagliga livet för så många biologer. Dessa mycket samma skillnader i densitet mellan celler och deras vattniga yttre är också grunden för kontrasten vi observerar i fasmikroskopibilder. Dessa skillnader är också viktiga utanför labbinställningen. Plankton måste till exempel kämpa med denna densitetsskillnad för att förbli på ett djup i havet där solljuset är rikligt snarare än att sjunka till de svarta djupen. Med tanke på att de flesta biologer och biokemister använder sig av separation baserad på densitet dagligen verkar det förvånande hur sällan densiteter som de som samlas in i Tabell 1 faktiskt diskuteras.
tabell 1: densiteter av biologiska föremål i förhållande till vatten. Detta motsvarar nästan att ge dem i enheter av g/ml eller 1000 kg / m3. Värdena sorteras i fallande ordning. Om inte annat anges mättes värdena i sackaros-eller ficoll-lösning.
vad är den underliggande grunden för olika densiteter hos olika organeller och celltyper? I stor utsträckning kan dessa skillnader hänföras till förhållandet mellan vatteninnehåll och torrmassa. Proteiner har en densitet av 1,3-1,4 (bnid 104272, 101502) i förhållande till vatten (eller nästan ekvivalent i enheter av g/ml eller 1000 kg/m3). Med tanke på referensvärdet 1 för vattendensiteten, ett spektrum av mellanvärden för celldensiteten mellan 1 och 1.3 erhålls baserat på den relativa överflödet av proteiner och vatten. Lipider är i den låga änden bredvid vatten med en densitet av ca 1 (BNID 108142). I den andra ytterligheten kan stärkelsegranuler med en densitet av 1,5 (bnid 103206) och nukleotider vid 1,7 i 2,7 flytta den totala massbalansen i motsatt riktning.
att känna till densiteten baseras ofta på den plats där en given biologisk komponent sätter sig när den spinns i en centrifug innehållande en gradient av koncentrationer som ofta produceras av sackaros eller i fallet med DNA, cesiumklorid. Densiteten återspeglar massan dividerad med volymen, men för laddade föreningar i lösning påverkas densiteten också av skal av så kallat bundet vatten. Tätheten i detta fall blir en effektiv densitet, reducerad av det bundna vattnet och därmed något beroende av saltkoncentrationen (BNID 107858).
sedimenteringshastigheten, som förekommer i en centrifug, kvantifieras i enheter av Svedberg som är ursprunget till namnen 70S, 23s etc. för ribosomen och dess rRNA-underenheter. En 23s rRNA kommer att sedimentera med en hastighet av 23 10-12 m/s under normal gravitation. I en ultracentrifuge som ger en acceleration på en miljon g kommer hastigheten proportionellt att skala till 23 10-6 m/s eller cirka 1 mm/min. Sedimenteringshastigheten beror på molekylens densitet, storlek och form. För liknande former och densiteter skalar sedimenteringshastigheten som kvadratroten av molekylmassan. För sådana fall går molekylmassan som kvadraten av sedimenteringshastigheten, så att 23S-och 16s-subenheterna i ribosomen har en molekylmassa med ett förhållande av ungefär (23/16)2 eller ca 2 som är nära inline med mätningar av 0,9 och 0.5 MDa respektive (BNID 110972, 110967). I kliniken används sedimenteringshastigheten för erytrocyter (röda blodkroppar) rutinmässigt för att mäta inflammation. Priser mycket högre än 10 mm/timme indikerar vanligtvis närvaron av pro-sedimenteringsfaktorn fibrinogen som är en allmän indikator på ett inflammatoriskt tillstånd.
det är välkänt att vatten är den vanligaste molekylfraktionen av celler,men hur rikligt exakt? Om vi undersöker vävnader från flercelliga organismer är det enkelt att mäta vävnadens massa före och efter torkning att hitta vatteninnehållet. Men hur kan man utföra sådana mätningar för celler? När vi väger en massa celler före och efter torkning hur mäter vi bara cellerna utan vatten runt dem? Även efter centrifugering finns det vatten kvar i cellpelleten vilket resulterar i tvetydighet om själva torrmassan.
återigen kommer radio-isotopmärkning till undsättning (Cayley et al 1991). Först mäts märkt vatten (med tritium, 3H) i en cellpellet. Detta indikerar summan av vatten inuti och utanför cellerna. Sedan mäter en annan löslig förening som är märkt men som inte kan komma in i cellen, såsom 14C-inulin eller 3h-PEG, volymen vatten utanför cellerna i en centrifugerad pellet (till exempel i E. coli cirka 25-35% av pelletsvolymen (BNID)). Skillnaden indikerar vatteninnehållet i cellerna. Sådana metoder leder till typiska värden som sträcker sig från 60-65 viktprocent för spirande jäst och röda blodkroppar till 70% för E. coli och amöba D. discoideum och upp till 80% för råttmuskel-och grishjärtvävnader (BNID 105938, 103689). Eftersom torrsubstansbidraget domineras av beståndsdelar i densitet 1,3 (dvs. proteiner) leder detta till den karakteristiska totala densiteten för 1,1 (bnid 103875, 106439, 101502). Från dessa karakteristiska fraktioner kan torrmassan per volym härledas till ca 300-500 mg/ml (BNID 108131, 108135, 108136), men under långsamma tillväxtvärden kan vara högre. Låga densiteter är vanliga i torra frön och undervattensväxter som har flytande delar med densiteter mindre än det omgivande vattnet, vilket gör att de kan flyta. Densiteter som är lägre än för vatten kan uppnås antingen genom gas som i kelp och vissa bakterier eller genom att använda lösta ämnen med molekylvikt (MW) lägre än de omgivande medierna (t.ex. ersätta natrium med MW 23 Med ammonium med MW 18) som i de små kräftdjur, Antarktiska copepods.
människor är gjorda av cirka 60% vatten (40% i celler, 15% i interstitiell vätska och 5% i blodplasma, BNID 110743) och de flesta av oss har upplevt de starka effekterna av uttorkning efter att ha glömt att dricka till och med bara några glas. Ändå kan vissa celler vara förvånansvärt robusta för en minskning av deras vatteninnehåll. Till exempel graden av glukosmetabolism i råttleverceller påverkades inte av 25% förlust av intracellulärt vatten. En sådan minskning kan uppnås genom osmos-förändring av toniciteten (lösningskoncentrationen) hos den extracellulära vätskan. Ett extremt exempel är den anmärkningsvärda saltlake räkor. Att bo i miljöer där den yttre saltkoncentrationen kan fluktuera och vara mycket hög, visade sig ha cyster som kan torkas till endast 2% vatten utan irreversibel skada och vid hydratiseringsnivåer högre än 37% (endast ungefär hälften av dess helt hydratiserade tillstånd) uppträder deras fysiologi som normalt. Denna robusthet inför vattenförlust kan relateras till en skillnad som ibland görs mellan två former av vatten i cellens inre. Normalt ” bulkvatten ”som är mer dispenserbart och” bundet vatten ” som är associerat med de cellulära komponenterna och fungerar som ett lösningsmedel som är nödvändigt för korrekt funktion.
