Araştırmacılara göre, yeni keşfedilen bu davranışın, fosfat iyonlarının biyokatalizdeki işlevini, hücrelerdeki enerji dengesini ve biyomateryallerin oluşumunu anlamada etkileri var.
Bilim adamları, Dünya’daki en yaygın iyonlardan birini içeren, daha önce bilinmeyen bir durumun kanıtını keşfederler.
Kalsiyum-fosfat kümelerinin bir araya gelme sürecine yönelik başka türlü dolambaçsız bir araştırma sırasında, Santa Kaliforniya Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi Barbara ve New York Üniversitesi beklenmedik bir bulguya rastladılar: Sudaki fosfat iyonları, sıklıkla gözlemlenen hidratlı durum ile daha önce bilinmeyen ve gizemli “karanlık” durum arasında geçiş yapma eğilimindedir.
Araştırmacılar, bunun yeni bulunan bir şey olduğuna inanıyorlar. fosfat iyonlarının biyokatalizdeki işlevini, hücrelerdeki enerji dengesini ve biyomalzemelerin oluşumunu kavramak için önemli çıkarımlara sahiptir. Çalışma yakın zamanda Proceedings of the National Academy of Sciences’ta yayınlandı.
Dicalcium fosfat tozu. Kredi: California Üniversitesi – Santa Barbara
Proceedings of the National Academy of Sciences’taki bir makalenin yazarlarından biri olan UCSB kimya profesörü Songi Han, “Fosfat her yerdedir” dedi. İyon, dört oksijen atomu ile çevrili bir fosfor atomundan oluşur. Han, “Kanımızda ve serumumuzda var,” diye devam etti. “Her biyoloğun tamponunda, bizim DNA’mızda ve RNA’mızda.” Ayrıca, kemiklerimizin ve hücre zarlarımızın yapısal bir bileşeni olduğunu ekledi.
Fosfatlar, kalsiyum ile bağlandıklarında, hücrelerde ve kemikte mineral birikintileri oluşturma yolunda küçük, moleküler kümeler oluştururlar. Han ve işbirlikçileri UCSB’den Matthew Helgeson ve NYU’dan Alexej Jerschow, UCSB fizik profesörü Matthew Fisher tarafından önerilen simetrik fosfat kümelerindeki kuantum davranışlarını ortaya çıkarma umuduyla çalışmaya ve karakterize etmeye hazırlanıyorlardı. Ancak araştırmacıların öncelikle, nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve kriyojenik transmisyon elektron mikroskobu (kriyo-TEM) yoluyla kalsiyum yokluğunda fosfat iyonlarının taranmasını içeren kontrol deneyleri oluşturmaları gerekiyordu.
Ancak projedeki UCSB ve NYU öğrencileri, çeşitli konsantrasyonlarda ve sıcaklıklarda sulu çözeltilerde doğal olarak oluşan izotop fosfor 31’i içeren referans verileri topluyordu, sonuçları beklentilerle eşleşmedi. Örneğin Han, NMR taramaları sırasında 31P spektrumunu temsil eden çizginin artan sıcaklıklarla daralması gerektiğini söyledi.
Bunun nedeni, daha yüksek sıcaklıklara çıktıkça moleküllerin daha hızlı yuvarlanmasıdır. açıkladı. Tipik olarak, bu hızlı moleküler hareket, anizotropik etkileşimlerin veya bu küçük moleküllerin göreli yönelimlerine bağlı olan etkileşimlerin ortalamasını alır. Sonuç, NMR cihazı tarafından ölçülen rezonansların daralması olacaktır.
“Daha yüksek sıcaklıklarda daralan tepe noktasına sahip basit bir fosfor NMR sinyali bekliyorduk” dedi. “Yine de şaşırtıcı bir şekilde, genişleyen spektrumları ölçtük ve beklediğimizin tam tersini yaptık.”
Mantığa aykırı olan bu sonuç, moleküler seviyedeki nedenini belirlemek için deney üstüne deney yapan ekibi yeni bir yola soktu. . Bir hipotezi birbiri ardına ortadan kaldıran bir yıldan sonra sonuç? Fosfat iyonları, çok çeşitli biyolojik koşullar altında kümeler oluşturuyordu – doğrudan spektroskopik tespitten kaçan kümeler, muhtemelen bu yüzden daha önce gözlemlenmediler. Ayrıca ölçümler, bu iyonların görünür bir “serbest” durum ile karanlık bir “birlikte” durum arasında değiştiğini, dolayısıyla sinyalin keskin bir tepe noktası yerine genişlediğini gösterdi.
Ayrıca, sıcaklık arttıkça, Yardımcı yazar Mezopotamya Nowotarski’ye göre bu birleştirilmiş durumların sayısı da artıyor, bu da sıcaklığa bağlı başka bir davranış.
“Bu deneylerden elde edilen sonuç, fosfatların susuz kaldığı ve bu durumların birbirine yaklaşmalarına olanak sağladığıydı. dedi. Daha düşük sıcaklıklarda, çözeltideki bu fosfatların büyük çoğunluğu etraflarında koruyucu bir su tabakası oluşturan su moleküllerine tutunur. Bu hidratlı durum tipik olarak biyolojik sistemlerde fosfatın nasıl davrandığı düşünülürken varsayılır. Ancak Nowotarski, daha yüksek sıcaklıklarda su kalkanlarını açarak birbirlerine yapışmalarına izin verdiğini açıkladı. Bu kavram, fosfat su kabuğunu inceleyen NMR deneyleriyle doğrulandı ve ayrıca kümelerin varlığını belirlemek için kriyo-TEM görüntülerinin analizi ve yardımcı yazar Joshua Straub tarafından fosfat düzeneğinin enerjilerinin modellenmesiyle doğrulandı.{4 }
Araştırmacılara göre, bu dinamik fosfat düzenekleri ve hidrasyon kabuklarının biyoloji ve biyokimya için önemli etkileri var. Kimya mühendisi Matthew Helgeson, fosfatın biyolojik sistemlerde adenozin trifosfat (ATP) ve adenozin difosfata (ADP) dönüştürülerek enerji depolamak ve tüketmek için kullanılan yaygın olarak anlaşılan bir “para birimi” olduğunu söyledi. “Hidratlı fosfat, ADP ve ATP küçük para ‘bonolarını’ temsil ediyorsa, bu yeni keşif, bu küçük para birimlerinin, biyokimyasal süreçlerle şu anda bilinen mekanizmalardan çok farklı etkileşimlere sahip olabilecek çok daha büyük mezheplerle – örneğin 100 dolar – değiş tokuş edilebileceğini gösteriyor.” dedi.
Ayrıca, birçok biyomoleküler bileşen, benzer şekilde kümeler oluşturabilen fosfat grupları içerir. Bu nedenle, bu fosfatların kendiliğinden bir araya gelebildiği bulgusu, biyomineralizasyon gibi diğer temel biyolojik süreçlere – kabukların ve iskeletlerin nasıl oluştuğuna ve protein etkileşimlerine biraz ışık tutabilir.
“Ayrıca bir dizi fosfatı test ettik, yardımcı yazar Jiaqi Lu, “ATP molekülüne dahil olanlar dahil ve hepsi aynı fenomeni gösteriyor gibi görünüyor ve bu düzenekler için kantitatif analiz elde ettik” dedi.
Bir zamanlar gözden kaçan bu süreç de önemli olabilir hücre sinyali, metabolizma ve Alzheimer hastalığı gibi hastalık süreçlerinde, bir fosfat grubunun veya fosforilasyonun beynimizdeki protein tau’ya bağlanmasının yaygın olarak nörofibriler yumaklarda bulunduğu – nörodejenerasyonun ayırt edici özelliği. Bu toplanma davranışını gören ve inceleyen ekip, şimdi pH’ın fosfat montajı, genetik çeviri ve değiştirilmiş protein montajı üzerindeki etkisi ve ayrıca kalsiyum fosfat montajı üzerindeki orijinal çalışmaları üzerine daha derine iniyor.
Han, “Genellikle moleküler montajın itici gücü olarak görmediğimiz fosfat gruplarının rolü hakkındaki düşüncelerimizi gerçekten değiştiriyor,” dedi.
Referans: “Fosfatlar, yaygın sulu çözeltilerde spektroskopik olarak karanlık durum düzenekleri oluşturur. ” yazan Joshua S. Straub, Mezopotamya S. Nowotarski, Jiaqi Lu, Tanvi Sheth, Sally Jiao, Matthew P.A. Fisher, M. Scott Shell, Matthew E. Helgeson, Alexej Jerschow ve Songi Han, 29 Aralık 2022, Proceedings of the National Academy Bilimler.
DOI: 10.1073/pnas.2206765120