الازدحام الجزيئي الكبير

تُغير ظاهرة الازدحام الجزيئي خصائص الجزيئات في المحلول عند وجود تراكيز عالية من الجزيئات الكبيرة ، مثل البروتينات . ^{[ 2 ]} تحدث هذه الظروف بشكل روتيني في الخلايا الحية ؛ فعلى سبيل المثال، يحتوي سيتوبلازم بكتيريا الإشريكية القولونية على ما يقارب 300-400 ملغم / مل من الجزيئات الكبيرة. ^{[ 3 ]} يحدث الازدحام لأن هذه التراكيز العالية من الجزيئات الكبيرة تُقلل من حجم المذيب المتاح للجزيئات الأخرى في المحلول، مما يؤدي إلى زيادة تراكيزها الفعالة. ويمكن أن يُعزز الازدحام تكوين مكثف جزيئي حيوي عن طريق فصل الطور الغرواني . 

يمكن أن يؤدي تأثير الازدحام هذا إلى سلوك الجزيئات داخل الخلايا بطرق مختلفة جذريًا عما هو عليه في التجارب المخبرية. ^{[ 4 ]} ونتيجة لذلك، قد تختلف قياسات خصائص الإنزيمات أو عمليات الأيض التي تُجرى في المختبر ( في المختبر ) في محاليل مخففة اختلافًا كبيرًا عن القيم الحقيقية التي تُلاحظ في الخلايا الحية ( في الجسم الحي ). تُعد دراسة العمليات الكيميائية الحيوية في ظل ظروف ازدحام واقعية بالغة الأهمية، لأن هذه الظروف خاصية شائعة في جميع الخلايا، وقد يكون الازدحام ضروريًا لعمل الأيض بكفاءة. في الواقع، أظهرت الدراسات المخبرية أن الازدحام يؤثر بشكل كبير على استقرار ارتباط البروتينات بالحمض النووي. ^{[ 5 ]}

يُعدّ باطن الخلايا بيئةً مكتظة. فعلى سبيل المثال، يبلغ طول خلية الإشريكية القولونية حوالي 2 ميكرومتر (ميكرومتر) وقطرها 0.5 ميكرومتر، وحجمها يتراوح بين 0.6 و0.7 ميكرومتر مكعب ^. [ ^{6 ] ومع} ذلك، يمكن أن تحتوي الإشريكية القولونية على ما يصل إلى 4288 نوعًا مختلفًا من البروتينات، ^{[ 7 ]} ويتم إنتاج حوالي 1000 نوع منها بمستوى عالٍ بما يكفي لسهولة رصدها. ^{[ 8 ]} يُضاف إلى هذا المزيج أشكال مختلفة من الحمض النووي الريبوزي (RNA) وكروموسوم الحمض النووي (DNA) الخاص بالخلية ، مما يُعطي تركيزًا إجماليًا للجزيئات الكبيرة يتراوح بين 300 و400 ملغم/مل. ^{[ 3 ]} في حقيقيات النوى ، يزداد ازدحام باطن الخلية بفعل خيوط البروتين التي تُشكّل الهيكل الخلوي ؛ حيث تُقسّم هذه الشبكة السيتوسول إلى شبكة من المسام الضيقة. ^{[ 9 ]}

تشغل هذه التراكيز العالية من الجزيئات الكبيرة نسبة كبيرة من حجم الخلية، مما يقلل من حجم المذيب المتاح للجزيئات الكبيرة الأخرى. يؤدي تأثير الحجم المستبعد هذا إلى زيادة التركيز الفعال للجزيئات الكبيرة (مما يزيد من نشاطها الكيميائي )، والذي بدوره يُغير معدلات وثوابت توازن تفاعلاتها. ^{[ 10 ]} وعلى وجه الخصوص، يُغير هذا التأثير ثوابت التفكك من خلال تفضيل ارتباط الجزيئات الكبيرة، كما هو الحال عند تجمع بروتينات متعددة لتكوين معقدات بروتينية ، أو عند ارتباط البروتينات الرابطة للحمض النووي بأهدافها في الجينوم . ^{[ 11 ]} قد يؤثر الازدحام أيضًا على تفاعلات الإنزيمات التي تشمل جزيئات صغيرة إذا كان التفاعل ينطوي على تغيير كبير في شكل الإنزيم. ^{[ 10 ]}

يعتمد حجم تأثير الازدحام على كلٍّ من الكتلة الجزيئية وشكل الجزيء المعني، مع أن الكتلة تبدو العامل الرئيسي ، إذ يكون التأثير أقوى مع الجزيئات الأكبر حجمًا. ^{[ 10 ]} والجدير بالذكر أن حجم التأثير غير خطي، لذا تتأثر الجزيئات الكبيرة بقوة أكبر بكثير من الجزيئات الصغيرة كالأحماض الأمينية أو السكريات البسيطة . وبالتالي، فإن ازدحام الجزيئات الكبيرة هو تأثير تُمارسه الجزيئات الكبيرة على خصائص جزيئات كبيرة أخرى.

يُعدّ الازدحام الجزيئي الكبير تأثيرًا هامًا في الكيمياء الحيوية وبيولوجيا الخلية . فعلى سبيل المثال، قد يكون ازدياد قوة التفاعلات بين البروتينات والحمض النووي ^{[ 5 ]} الناتج عن الازدحام ذا أهمية بالغة في عمليات مثل النسخ وتضاعف الحمض النووي . ^{[ 12 ] [ 13 ]} كما يُعتقد أن الازدحام يشارك في عمليات متنوعة مثل تكتل الهيموجلوبين في مرض فقر الدم المنجلي ، واستجابات الخلايا للتغيرات في حجمها. ^{[ 4 ]}

تُعدّ أهمية الازدحام في طي البروتين ذات أهمية خاصة في الفيزياء الحيوية . ففي هذا السياق، يُمكن للازدحام أن يُسرّع عملية الطي، إذ يشغل البروتين المطوي المضغوط حجمًا أقل من سلسلة البروتين غير المطوية. ^{[ 14 ]} مع ذلك، يُمكن للازدحام أن يُقلّل من إنتاجية البروتين المطوي بشكل صحيح عن طريق زيادة تجمّع البروتينات . ^{[ 15 ] [ 16 ]} كما يُمكن للازدحام أن يزيد من فعالية البروتينات المرافقة ، مثل GroEL، في الخلية، ^{[ 17 ]} مما قد يُعاكس هذا الانخفاض في كفاءة الطي. ^{[ 18 ]} وقد تبيّن أيضًا أن ازدحام الجزيئات الكبيرة يُؤثّر على ديناميكيات طي البروتين، فضلًا عن شكله العام، حيث تترافق التغييرات التركيبية المتميزة مع تغييرات في البنية الثانوية، مما يُشير إلى أن التغييرات الشكلية الناتجة عن الازدحام قد تكون مهمة لوظيفة البروتين واختلالها في الجسم الحي. ^{[ 19 ]}

من الأمثلة البارزة على أهمية تأثيرات الازدحام، بروتينات الكريستالين التي تملأ باطن العدسة . يجب أن تبقى هذه البروتينات مستقرة ومذابة في المحلول لكي تظل العدسة شفافة؛ إذ يؤدي ترسبها أو تجمعها إلى إعتام عدسة العين . ^{[ 20 ]} تتواجد بروتينات الكريستالين في العدسة بتراكيز عالية للغاية، تتجاوز 500  ملغم/مل، وعند هذه المستويات تكون تأثيرات الازدحام قوية جدًا. يُسهم تأثير الازدحام الكبير في تعزيز الثبات الحراري لبروتينات الكريستالين، مما يزيد من مقاومتها للتغيرات البنيوية . ^{[ 21 ]} قد يُفسر هذا التأثير جزئيًا المقاومة الاستثنائية التي تُظهرها العدسة للتلف الناتج عن درجات الحرارة العالية. ^{[ 22 ]}

قد يلعب الازدحام دورًا أيضًا في الأمراض التي تتضمن تجمع البروتينات، مثل فقر الدم المنجلي حيث يشكل الهيموجلوبين الطافر تجمعات ، ومرض الزهايمر حيث يشكل بروتين تاو تشابكات ليفية عصبية في ظل ظروف الازدحام داخل الخلايا العصبية. ^{[ 4 ] [ 23 ]}

بسبب ازدحام الجزيئات الكبيرة، قد لا تعكس فحوصات الإنزيمات والقياسات الفيزيائية الحيوية التي تُجرى في محاليل مخففة العملية الفعلية وحركيتها في السيتوسول. ^{[ 24 ]} يتمثل أحد أساليب الحصول على قياسات أكثر دقة في استخدام مستخلصات عالية التركيز من الخلايا، في محاولة للحفاظ على محتويات الخلية في حالة أقرب إلى الطبيعية. مع ذلك، تحتوي هذه المستخلصات على أنواع عديدة من الجزيئات النشطة بيولوجيًا، والتي قد تتداخل مع الظواهر قيد الدراسة. ^{[ 2 ]} ونتيجة لذلك، تُحاكى تأثيرات الازدحام في المختبر بإضافة تراكيز عالية من جزيئات خاملة نسبيًا، مثل بولي إيثيلين جلايكول ، وفيكول ، وديكستران ، أو ألبومين المصل، إلى الأوساط التجريبية. ^{[ 5 ] [ 25 ]} إلا أن استخدام عوامل الازدحام الاصطناعية هذه قد يكون معقدًا، إذ قد تتفاعل جزيئات الازدحام هذه أحيانًا بطرق أخرى مع العملية قيد الدراسة، مثل الارتباط الضعيف بأحد المكونات. ^{[ 2 ]}

تكمن الأهمية الكبرى للازدحام الجزيئي الكبير في الأنظمة البيولوجية في تأثيره على طي البروتينات . غالبًا ما تُفسَّر الآلية الفيزيائية الكامنة وراء مساعدة هذا الازدحام على تثبيت البروتينات في حالتها المطوية من خلال مفهوم الحجم المستبعد - وهو الحجم الذي لا يمكن للبروتينات الوصول إليه بسبب تفاعلها مع الجزيئات الكبيرة المزدحمة. ^{[ 26 ] [ 27 ]} يعود هذا المفهوم إلى أساكورا وأوساوا، اللذين وصفا قوى الاستنزاف الناتجة عن التفاعلات الفراغية القوية. ^{[ 28 ] [ 29 ]} من السمات المميزة للآلية المستنتجة مما سبق أن التأثير غير حراري تمامًا، وبالتالي فهو إنتروبي تمامًا. وقد طُرحت هذه الأفكار أيضًا لتفسير سبب قيام المذيبات المساعدة الصغيرة، وتحديدًا المواد المذابة الواقية ، التي تُستبعد بشكل تفضيلي من البروتينات، بتحويل توازن طي البروتين نحو الحالة المطوية. ^{[ 30 ]} ومع ذلك، فقد تم إثبات ذلك من خلال طرق مختلفة، سواء التجريبية ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} والنظرية ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} أن قوى الاستنزاف ليست دائمًا ذات طبيعة إنتروبية.

• الحل الأمثل
• الخواص التجميعية

• ريفاس، جي، فيرون، إف، هيرتزفيلد، جيه. (ديسمبر 2003). "الحياة في عالم مزدحم: ورشة عمل حول الآثار البيولوجية للازدحام الجزيئي الكبير" . تقارير EMBO . 5 (1): 23-27 . doi : 10.1038/sj.embor.7400056 . PMC 1298967. PMID 14710181 .  {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
• ساتيام أ وآخرون  (مايو 2014). "التزاحم الجزيئي الكبير يلتقي بهندسة الأنسجة عن طريق التجميع الذاتي: نقلة نوعية في الطب التجديدي". المواد المتقدمة . 26 (19): 3024-3034 . Bibcode : 2014AdM....26.3024S . doi : 10.1002/adma.201304428 . hdl : 10379/15414 . PMID 24505025. S2CID 31522448 .