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Das Innere der Zelle: Ein komplexes Lösungsmittel

Abstract

Bisher erlauben nur wenige, meist komplexe Techniken, Biomoleküle in zellulärer Umgebung zu untersuchen. Doch es ist klar, dass es in einigen Fällen deutliche Unterschiede zwischen einem verdünnten Puffer und dem komplexen zellulären Milieu geben kann. Diese Unterschiede zu verstehen und sie im biologischen Kontext zu bewerten, wird Aufgabe zukünftiger Studien und Modelle sein. Dabei können neue Techniken wie In‐Zell‐NMR oder FReI helfen, krankheitsrelevante Mechanismen aufzudecken und neue Therapeutika bzw. Therapie‐Ansätze zu entwerfen und zu testen. Es wird deutlich, dass die Zelle als komplexes Lösungsmittel nicht nur eine passive Umgebung darstellt, sondern wichtiger Bestandteil biomolekularer Prozesse ist. Die Kenntnis der biochemischen Anpassungen des zellulären Milieus, die Organismen entwickeln, um extreme Lebensräume zu erobern, hilft, die Lebensvorgänge unter Extrembedingungen besser zu verstehen sowie für biotechnologische Anwendungen nutzbar zu machen.

The interior of a living cell is very distinct from dilute aqueous solutions that are often used to study the function of proteins and enzymes experimentally. Here, we discuss novel experimental techniques and modeling approaches that provide a deeper understanding of the effects of crowding, intermolecular interactions, and the influence of osmolytes in realistic biological environments, including cells. Further, we discuss adaptation mechanisms involving in‐cell solvation environments to extreme conditions, such as high pressure in the deep sea, and their relevance to biotechnology.

Obwohl die Entdeckung des Lösungsmitteleinflusses auf chemische Reaktionen mehr als 150 Jahre zurückliegt, ist ein tieferes Verständnis der Ursachen erst in den letzten Jahrzehnten möglich geworden. Bedeutend waren hierbei zunehmende Kenntnisse über die Mechanismen chemischer Reaktionen, über das Wirken lösungsmittelvermittelter zwischenmolekularer Kräfte und über die innere Struktur von Flüssigkeiten. Mitentscheidend war aber auch die Entwicklung einer ganzen Palette hochauflösender experimenteller Techniken, theoretischer Modelle sowie von Methoden zur Simulation chemischer Prozesse auf Computerplattformen mit kontinuierlich steigender Rechenleistung. Gleichwohl ist man von einer quantitativen und prädiktiven Erfassung des Solvenseinflusses auf die Geschwindigkeit und die Gleichgewichtslage chemischer Reaktionen meist noch weit entfernt. Noch schwieriger ist es, das komplexe Lösungsmittel im Inneren lebender Zellen zu beschreiben, in denen die essentiellen biochemischen Prozesse des Lebens ablaufen. Grund hierfür ist die außerordentliche Komplexität der Struktur und Dynamik der molekularen Umgebung in biologischen Systemen mit einer Vielzahl von Molekülen mit unterschiedlichsten chemischen und physikalischen Eigenschaften. Erste Ansätze einer Beschreibung des zellulären Milieus und einige seiner Besonderheiten werden im Folgenden erörtert.

Autoren:   Matthias Heyden, Simon Ebbinghaus, Roland Winter
Journal:   Chemie in unserer Zeit
Band:   51
Ausgabe:   1
Jahrgang:   2017
Seiten:   26
DOI:   10.1002/ciuz.201700777
Erscheinungsdatum:   02.02.2017
Fakten, Hintergründe, Dossiers
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