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在细胞内，tRNA 扩散对蛋白质合成至关重要，但受大分子拥挤影响。研究人员开展 “Diffusion properties of transfer RNAs in the yeast cytoplasm under normal and osmotic stress conditions” 研究，发现 tRNA 和三元复合物扩散受细胞质拥挤和渗透胁迫显著影响，为研究蛋白质翻译动力学提供依据。
在细胞微观世界里，蛋白质的合成就像一场精密的 “生产流水线” 作业，而转运核糖核酸（tRNA）则是这条流水线上不可或缺的 “搬运工”，负责将氨基酸运送到核糖体，参与蛋白质的合成过程。tRNA 在细胞内的运输方式主要是扩散，但细胞内充满了各种大分子，这种 “拥挤” 的环境会对 tRNA 的扩散产生影响。以往研究发现，细菌中 tRNA 的体内扩散系数比在稀溶液中慢很多，但对于真核生物中这种现象的机制，却知之甚少。此外，渗透压胁迫会导致细胞收缩，增加细胞质中大分子的浓度，进而影响分子扩散，可这种影响的程度和具体机制也不明确。为了深入了解这些问题，来自国外研究机构的研究人员开展了一项关于酵母细胞质中 tRNA 扩散性质的研究，相关成果发表在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，运用布朗动力学模拟（Brownian dynamics simulation），这是一种用于研究分子在溶液中运动的计算方法，能够模拟分子在复杂环境中的扩散行为。在模拟过程中，研究人员对核糖体、tRNA 和三元复合物的结构进行了预处理。对于核糖体，使用真核生物 80S 核糖体的结构，对缺失的原子进行重建，并计算相关的静电势网格等；对于 tRNA 和三元复合物，通过构建酵母延伸因子（EF - 1α）的同源模型，确定其结构用于后续计算；对于蛋白质拥挤物，根据蛋白质的序列相似性等进行分类，并采用不同的建模方法构建其结构。同时，研究人员还确定了模拟细胞中 tRNA 的组成，并通过设置不同的模拟系统，如 “WHOLE”“REDUCED”“REDUCED HIGH” 系统，来研究不同条件下 tRNA 和三元复合物的扩散性质。
研究结果主要包括以下几个方面：
- tRNA 在拥挤细胞质中的缓慢扩散：研究人员计算了不同模拟系统中 tRNA 和三元复合物的扩散系数。在 “WHOLE” 系统中，与稀溶液条件下的预测值相比，三元复合物、带电和不带电 tRNA 的扩散速度慢了 7 - 8 倍；在 “REDUCED” 系统中，三元复合物和带电 tRNA 的扩散比稀溶液条件下慢 12 - 13 倍，且比 “WHOLE” 系统也有所减慢；在 “REDUCED HIGH” 系统中，带电 tRNA 和三元复合物的扩散系数相较于稀溶液条件下大幅降低 73 倍。这表明，随着细胞质环境的变化，尤其是大分子浓度的增加，tRNA 和三元复合物的扩散速度显著减慢。
- tRNA 和 EF - 1α 三元复合物的亚扩散：研究人员通过计算 α 指数来判断分子的扩散行为。在所有模拟中，tRNA（带电和不带电）和三元复合物在 0 - 100 ns 时间范围内，α 指数均小于 1，表现出亚扩散行为。在 “WHOLE” 系统中，带电 tRNA、不带电 tRNA 和三元复合物的 α 指数分别为 0.87、0.87 和 0.89；“REDUCED” 系统中，亚扩散更为明显，三元复合物和带电 tRNA 在 0 - 100 ns 的 α 指数分别为 0.81 和 0.82；“REDUCED HIGH” 系统中，亚扩散最为显著，三元复合物和带电 tRNA 在 0 - 100 ns 的 α 指数分别为 0.63 和 0.62 。随着时间延长到 100 - 1000 ns，各系统中分子的扩散行为有向正常扩散转变的趋势。
研究结论和讨论部分表明，该研究首次揭示了 tRNA 和三元复合物在酵母细胞质拥挤环境中的扩散显著减慢且呈现亚扩散行为，在严重渗透胁迫下，扩散进一步减慢，亚扩散行为更明显。这一发现为后续数学建模提供了基础，有助于深入理解蛋白质翻译机制。同时，研究还发现大分子浓度和拥挤环境的组成对 tRNA 扩散有重要调节作用，亚扩散行为虽然会使分子扩散变慢，但在一定程度上可能对 tRNA 寻找结合伙伴产生补偿效应。这些研究结果对于深入了解细胞内蛋白质合成动力学具有重要意义，为生命科学领域研究细胞生理过程提供了关键信息，也为后续相关研究指明了方向，有助于进一步探索细胞在不同环境条件下的生命活动规律。
