Grands Mystères des Petites Cellules Et comment les Indicateurs Fluorescents sont devenus information
Les découvertes de dernière génération ont fait demi-tour au monde. D'une part, les recherches orientées vers l'espace nous ont amenés à l'extérieur de la terre et à d'autres planètes. L'idée que dans l'univers ont existé ou existent d'autres formes de vie est aujourd'hui plus forte que jamais. D'autre part, il a approfondi les travaux sur la structure des particules internes de l'atome de voyage à l'intérieur, qui ont également apporté de nouvelles intentions sur l'univers. Cependant, les questions en suspens sont encore plus nombreuses que les réponses.
La cellule vivante est sans aucun doute la structure la plus complexe et surprenante de notre planète. D'une part, pour sa riche information interne et sa structure compacte (pensons, par exemple, que le programme de développement pour la création d'une baleine est stocké dans quelques nanogrammes d'ADN). D'autre part, chaque cellule joue un travail complexe dans un très petit endroit. À tout moment, des milliers de molécules différentes réalisent de nombreuses réactions biochimiques dans un plan métabolique concret et catramylique. En même temps, ils maintiennent la structure cellulaire et remplissent correctement leur fonction dans un univers de cellules de tout l'organisme (le nombre de cellules de notre sang est supérieur à celui de la population mondiale). Devant cette démonstration, on peut penser que la machine la plus spectaculaire fabriquée par l'homme est aussi un jouet maladroit.
La plupart des phénomènes qui se produisent dans la cellule sont pour le moment des mystères. Cependant, des progrès ont été réalisés et le chemin vers la recherche est ouvert.
Jusqu'à il y a quelques années, les réactions étaient analysées individuellement ou collectivement dans les tubes en verre après la dissolution des cellules. Cette stratégie a fait de grands progrès. Entre autres choses, on a réussi à connaître la structure et l'origine, l'origine et la destination de nombreux composés cellulaires. Cela a permis de clarifier les principaux processus métaboliques comme la glycolyse, le cycle de Krebs, etc. Cependant, cette recherche, menée hors de l'architecture cellulaire, a mis en obscurcissement de nombreux autres détails tels que la vitesse réelle, l'emplacement et la direction spatiale des processus qui se produisent à l'intérieur de la cellule. Par exemple, les relations entre les neurones à l'intérieur du cerveau n'ont pas été obtenues données précises, car dans un espace très réduit, de nombreuses réactions complexes se produisent.
Afin de surmonter les obstacles mentionnés ci-dessus, les scientifiques ont essayé de développer de nouvelles techniques permettant d'analyser ces processus de la vie en gardant l'intégrité cellulaire. Ces nouvelles techniques sont basées sur la spectroscopie. C'est-à-dire, une fois qu'une cellule complète a été rayonnée par des ondes électromagnétiques, les ondes reçues traversant la cellule ou par réflexion stockent des informations sur la structure cellulaire. En cela consiste la technique utilisée dans les radiographies. Les rayons X qui obstruent les os ne parviennent pas au film, ce qui nous permet d'obtenir des informations sur la forme de l'os.
L'architecture moléculaire dans la cellule est très complexe, mais elle est composée de quelques types de molécules. Par exemple, toutes les protéines d'une bactérie (environ 3000) sont composées d'une combinaison d'environ 20 acides aminés différents. Découvrez l'habileté fascinante de la vie. Il en va de même pour les lipides et les glucides. Le mystère est dans la combinaison !
Par conséquent, et malheureusement devant les ondes électromagnétiques, toutes les protéines sont similaires, il n'est donc pas possible d'analyser le travail individuel de chacune d'elles. Ce n'est pas le seul problème : d'une part, l'intensité du rayonnement utilisé et la longueur d'onde (énergie) doivent être dans des limites qui n'affectent pas la cellule. D'autre part, les cellules sont formées en grande partie par l'eau et de nombreux types d'ondes ne peuvent pas être utilisées parce qu'elles interfèrent avec l'eau.
Si la recherche cellulaire a dû faire face à beaucoup de problèmes, quelque chose de semblable s'est produit quand on a essayé d'étudier l'espace extérieur, dans de nombreux cas des sondes ont été utilisées. En d'autres termes, les machines appropriées ont été réalisées et ensuite envoyées à l'espace pour mesurer le paramètre que l'on prétend rechercher. Le signal de mesure est reçu par radio sur Terre.
Dans les travaux internes des cellules, même face aux problèmes mentionnés ci-dessus, des molécules d'indication (ou des sondes) ont été créées. La sonde moléculaire doit être capable de réaliser le même travail que la sonde spatiale dans la cellule. Fondamentalement, les principales caractéristiques de ce type de sondes sont:
- Le signal spectroscopique (réponse aux ondes) de toutes les molécules présentes à l'intérieur de la cellule est totalement distinct et totalement séparé.
- Il doit être un indicateur concret d'une réaction ou molécule pour que le chercheur puisse étudier les phénomènes individuellement.
- Le voyage à l'intérieur de la cellule doit être effectué sans provoquer la fatigue cellulaire. En outre, la sonde doit avoir un emplacement spécifique dans la cellule et connue: noyau, cytoplasme, mitochondrie, etc.
- La structure interne et la fonction cellulaire doivent être normales au moment de la mesure. Évidemment, la sonde qui regroupe toutes ces
caractéristiques n'est pas facile à créer ; toutes les caractéristiques des machines que nous envoyons dans l'espace doivent être incorporées dans une molécule. Heureusement, la collaboration entre chimiques organiques et biochimiques nous a aussi donné des résultats spectaculaires dans ce domaine. La fluorescence a été votre outil le plus utile.
Qu'est-ce que la fluorescence?
C'est un phénomène curieux qui explique certaines molécules et qui a été très utile. Comme la lumière est formée par des ondes, toutes les molécules absorbent la lumière d'une certaine longueur d'onde, traversent les autres ondes ou se reflètent au tour. Comme nous le savons, la chlorophylle est verte; si nous prenons l'exemple, nous verrons qu'en rayonnant de lumière blanche, elle absorbe la lumière bleue (qui a une longueur d'onde entre 390 et 500 nm) et la lumière rouge (qui a une longueur d'onde entre 650 et 780 nm) et que les autres se reflètent au tour. La couleur de la lumière réfléchie est la différence entre la lumière rayonnée blanche et absorbée : lumière verte (entre 500 et 650 nm). Par conséquent, toutes les choses qui ont la couleur enlèvent quelque chose à la lumière blanche. Les blancs rien. Les noirs tout. (Voir figure 1).
Que se passe-t-il avec les ondes lumineuses absorbées ? Les ondes de lumière, comme n'importe quelle onde, transmettent l'énergie et les molécules qui absorbent les ondes passent à l'état excité par l'énergie reçue. Pour revenir à son état énergétique normal, il émet cette énergie autrement. Dans de nombreux cas, cette énergie émise est la chaleur formée par des ondes de basse énergie. Dans des cas particuliers, cependant, l'énergie d'excitation absorbée est émise par une autre onde visible et l'énergie de la lumière émise est toujours inférieure à la lumière absorbée. Autrement dit, la molécule excitée expulse la lumière d'une autre couleur. Et c'est précisément la fluorescence.
Les lumières noires utilisées fréquemment dans les discothèques expulsent les ondes de haute énergie que nous ne pouvons pas voir. Cependant, ces vagues ont la capacité d'exciter plusieurs molécules. Ces molécules excitées émettent, à leur tour, une lumière bleu-blanchâtre. Par exemple, les chemises blanches, les dents et la tonique apparaissent comme si elles avaient leur propre lumière (par effet de fluorescence).
Les composés fluorescents naturels et artificiels sont connus et peuvent fournir des informations précises sur les processus qui se produisent dans la cellule lorsqu'ils sont utilisés comme sonde.
Des indicateurs fluorescents ont été employés pour mesurer le pH interne de cellules. Les chercheurs ont placé SNARF et fluorescent, groupes liant des protons (H+), dans une molécule fluorescente. Comme la molécule est remplie de protons, ses caractéristiques de fluorescence changent et ce phénomène est mesurable.
D'autre part, le remplissage des protons dépend de leur concentration. Ainsi, comme on peut le voir dans la figure, un changement de concentration des protons implique la modification des caractéristiques de fluorescence de l'indicateur, qui peut également être mesurée avec une grande précision.
Ce système expert a dû introduire ce type de fluorophores spéciaux pour mesurer le pH interne de la cellule sans provoquer de fatigue cellulaire. Cependant, le système ne peut pas être mis au travail de toute façon. Il reste quelques problèmes techniques à surmonter et non de toute nature. Les groupes qui lient des protons ont une charge électrique et interagissent avec l'eau (ils sont donc hydrophiles).
D'autre part, la cellule a une membrane cellulaire formée de protéines et de lipides sur le bord extérieur, qui contrôle bien le trafic moléculaire entre l'extérieur et l'intérieur. Ce portier moléculaire ne vous permet pas de vous introduire dans n'importe quelle molécule chargée que vous ne connaissez pas et comme il s'agit d'un indicateur fluorescent artificiel, vous ne trouvez pas de porte d'entrée. (Voir 2. image)
Face à ce problème, les scientifiques ont réussi à déguiser les groupes chargés par la stérification. Ce changement chimique permet de passer d'une molécule hydrophile à un hydrophobe, ce qui vous permet de traverser facilement la barrière lipidique devant vous sans passer par la porte spéciale. Une fois à l'intérieur, en raison de l'enzyme stérase contenant des cellules, l'ester hydrophobe récupère la structure originale et le fluorophore actif peut agir comme indicateur dans la cellule.
Dans certains cas, l'indicateur fluorescent reste dans le cytosol, mais dans d'autres il s'accumule dans des parties spéciales de la structure interne de la cellule. Un seul changement dans le groupe chimique peut avoir une grande influence sur l'emplacement cellulaire de la molécule. Par exemple, la fluorescéine reste dans le cytoplasme, mais la carboxifluoresq s'accumule particulièrement dans le jean des cellules végétales. Ces différences ont été utilisées pour réaliser des études spéciales de fragments cellulaires (voir figure 3).
Les mesures de pH de la cellule ont donné des résultats très importants, mais le travail le plus connu a donné aux indicateurs fluorescents est sans doute la mesure de la concentration de calcium(II) dans la cellule. Les recherches menées ces dernières années ont montré que ce simple cation a une grande responsabilité dans le comportement interne de la cellule, sa tâche étant celle du deuxième messager.
Normalement, la concentration de calcium(II) de la cellule (dans le langage des scientifiques [Ca 2+ ]) est très faible dans le cytoplasme (autour de 10-7 M) parce que la plupart des cellules Ca 2+ sont concentrées dans des compartiments spéciaux. Elle s'accumule principalement chez les animaux dans le réticule endoplasmique et les plantes dans les vacuoles.
Après avoir reçu certains signaux ou stimuli externes, le calcium stocké dans les compartiments est expulsé et le cytoplasme atteint 10 -5 M. Cette augmentation a une grande influence sur les protéines spéciales et génère des chaînes de réaction. À l'extrémité finale de ces chaînes de réaction se trouve l'expression des gènes. Il est donc très important de mesurer les changements de calcium(II) dans la cellule. Le premier indicateur fluorescent pour mesurer Ca 2+ a été créé par Roger Tsien. EGTA, à partir du complexe calcique bien connu, crée la nouvelle structure BAPTA. Gestion des déchets Ce changement modifie les caractéristiques spectrales de BAPTA. Malheureusement, le spectre d'absorption du BAPTA est proche du reste des composés contenus dans la cellule, ce qui entraîne des problèmes de mesure. Par conséquent, Tsien a placé d'autres groupes fluorescents en maintenant le caractère moléculaire et les caractéristiques du BAPTA, formant Quin-2, Fura-2, Indo-1 et finalement Fluo-3 (voir figure 4).
On peut actuellement la mesurer à toute vitesse [Ca 2+] de la cellule. Ces techniques ont montré que les réponses chimiques dans les cellules sont très rapides et précises (voir figure 5).
La dernière révolution: voir les protéines
Les protéines sont l'un des acteurs les plus représentatifs des cellules. L'information codée dans les gènes est exprimée en protéines et ce sont les molécules travailleuses qui effectuent des différences. Par conséquent, voir les différentes protéines travaillant à l'intérieur de la cellule a été l'un des principaux objectifs que les scientifiques ont suivi sans se lasser. Grâce à la collaboration entre l'ingénierie génétique et la biochimie, des résultats spectaculaires ont été publiés ces dernières années.
Dans le code d'information qui a chaque protéine, vous pouvez trouver le signal de votre adresse. Ce signal est situé à l'extrémité antérieure de la protéine et vous ouvre toutes les portes à l'endroit où vous allez aller. Comme la lettre envoyée par courrier, la cellule conduirait un processus complexe de distribution de chaque protéine. Enfin, une fois la protéine atteinte à son emplacement, le signal de direction est éliminé et, dans certains cas, il est séparé d'autres zones fonctionnelles. À d'autres moments, il continue à faire partie de la protéine.
Certains animaux marins contiennent des protéines qui en elles-mêmes sont fluorescentes. En raison de ces protéines spéciales, les méduses sont connues depuis longtemps et ont été utilisées comme indicateurs fluorescents pour éclaircir la direction d'autres protéines.
Les bases de cette technique spectaculaire sont simples: on peut isoler au préalable le gène de la protéine que l'on veut étudier et placer le gène de l'indicateur fluorescent derrière ou au centre du gène; par la suite une nouvelle copie est introduite à l'intérieur de la cellule pour qu'elle continue son chemin. En l'absence d'artefacts, l'indicateur fluorescent permet d'obtenir une image précise et spectaculaire de quand, où et combien de protéines étudiées.
Compte tenu des innovations existantes, on peut dire qu'avec l'utilisation de cellules vivantes beaucoup de découvertes seront publiées à l'avenir; la beauté des résultats obtenus nous apportera beaucoup plus que le plaisir de la connaissance.
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