Информация

6: Зареждане и изграждане на клетки - Биология

6: Зареждане и изграждане на клетки - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Глава 6 BSC 3271 Резултати от обучението

(някои се повтарят от глава 5)

  • Определете двата типа метаболитни процеси, чрез които хемохетеротрофите получават енергия
  • Обяснете защо е необходим терминален акцептор на електрони за генериращи енергия метаболитни процеси (дишане или ферментация).
  • Разграничаване на двата механизма (__________ фосфорилиране и _____________ фосфорилиране), чрез които АТФ се образува в клетките
  • Разграничете ферментацията от дишането въз основа на следните въпроси:
    • Винаги, понякога или никога ли е анаеробен процес?
    • По какъв механизъм се образува АТФ (ниво на субстрат, окислително)?
    • Дали крайният акцептор на електрони винаги, понякога или никога не е органичен?
    • Дали крайният акцептор на електрони винаги, понякога или никога не е неорганичен?
    • Крайният електронен акцептор генерира ли се в клетката или се получава от външната среда?
    • Използва ли се верига за транспортиране на електрони за генериране на енергия?
  • Сравнете количеството АТФ, произведено от глюкоза чрез аеробно дишане, анаеробно дишане и ферментация (вижте таблица 5.4) (повечето, между или най -малко; не се притеснявайте за точните цифри).
  • Като се има предвид метаболитен път, определете дали е използваем ферментационен път въз основа на 1) произвежда ли нетна печалба от АТФ и 2) всички NADH са ре-окислени до NAD+.
  • Ако е даден метаболитен процес, генериращ енергия (описан или на фигура), определете дали това е ферментация, аеробно дишане или анаеробно дишане.
  • Скицирайте процесите на млечнокисела ферментация и дишане (общо, включително клетъчно местоположение).
  • Идентифицирайте общите продукти на бактериалната ферментация, включително вида на молекулата, която винаги се произвежда при бактериална ферментация.
  • Обяснете как окисляването/редукцията на електронните носители могат да бъдат свързани с изпомпването на протони през мембрана.
  • Обяснете откъде идват електроните за веригата за транспортиране на електрони в организъм, използващ глюкоза като източник на енергия и на каква молекула се пренасят тези електрони. Помислете както за оригиналния химичен източник на електроните, така и за метаболитните пътища, които събират тези електрони.
  • Определете движещата сила на протона и обяснете защо е необходим синтез на АТФ чрез дишане.
  • Опишете генерирането на АТФ чрез АТФ синтаза (окислително фосфорилиране).
  • Определете основната разлика между аеробното и анаеробното дишане.
  • Опишете как метаболитите на гликолизата и цикъла на Кребс (TCA) могат да бъдат използвани от клетката за цели, различни от генериране на енергия
  • Опишете биосинтеза на аминокиселини както чрез аминиране, така и чрез трансаминиране
  • Обяснете азотната фиксация, как тя се различава от начина, по който повечето организми получават азот за своите клетки, и до какви области на организмите е фиксирана азотната фиксация.
  • Дайте един пример за азотен фиксатор и обяснете неговата пряка роля в производството на храни.

Както е обсъдено в глава 4, всички организми се нуждаят както от въглерод (основният строителен материал на клетката), така и от енергия (за изграждане на клетъчните структури и изпълнение на други метаболитни функции). Въпреки че микробите могат да използват или органичен въглерод (хетеротрофи), или въглероден диоксид (автотрофи) за въглерод и светлина (фототрофи) или химическа енергия (хемотрофи), всички патогени са хемохетеротрофи. Гостоприемникът, който те заразяват, е техният източник както на въглерод, така и на енергия. Повечето микроби, използвани за производство на храни, също са хемохетеротрофи. Затова ще се съсредоточим върху това как хемохетеротрофите се захранват и изграждат своите клетки.

Хемохетеротрофите могат да генерират АТФ от органични молекули, използвайки два различни механизма: дишане и ферментация. И в двата механизма електроните, съхранявани в NADH в метаболитните реакции на централния метаболизъм, се „изхвърлят“ върху краен акцептор на електрони, като по този начин се регенерира NAD+, за да се използва отново в централния метаболизъм. При дишането прехвърлянето на електрони от NADH към крайния акцептор на електрони (получен от околната среда) се осъществява чрез верига за транспорт на електрони (ETC). ETC едновременно създава протонен градиент, който се използва от ATP синтазата за генериране на ATP чрез окислително фосфорилиране. При ферментацията обаче прехвърлянето на електрони от NADH към крайния акцептор на електрони (метаболит, образуван в клетката) не генерира АТФ в допълнение към този, който вече се произвежда чрез фосфорилиране на ниво субстрат.

Метаболитите предшественици, генерирани чрез централния метаболизъм, се използват за изграждане на важните молекули (и в крайна сметка структури) на клетката по анаболни пътища. Понякога са необходими допълнителни макронутриенти за изграждане на молекулите на клетката, които клетките придобиват по различни начини. Например, аминокиселините изискват азот за своята амино група. Въпреки че има стотици критични анаболни пътища в клетките, придобиването на азот и синтеза на аминокиселини ще се използва като пример за анаболизъм в бактериите.

  • 6.1: Дишане
    Дишането започва, когато електроните се прехвърлят от донор на електрони чрез поредица от химични реакции до краен неорганичен електронен акцептор, получен от околната среда (или кислород при аеробно дишане, или некислородни неорганични молекули при анаеробно дишане). При хемохетеротрофите донорите на електрони са NADH и FADH2, които пренасят електрони от гликолизата и цикъла на ТСА, но при хемоавтотрофите донорът на електрони е друг източник на химическа енергия като сероводород
  • 6.2: Ферментация
    Ферментацията използва органична молекула като краен електронен акцептор за регенериране на NAD+ от NADH, така че гликолизата да продължи. Ферментацията не включва система за транспорт на електрони и не се произвежда АТФ директно от процеса на ферментация. Ферментаторите произвеждат много малко АТФ - само две молекули АТФ на глюкозна молекула по време на гликолизата. Процесите на микробна ферментация са използвани за производството на храни и фармацевтични продукти и за идентифициране на микроби.
  • 6.3: Катаболизъм на липиди и протеини
    Като цяло микробите имат способността да разграждат голямо разнообразие от източници на въглерод, освен въглехидрати, включително липиди и протеини. Катаболните пътища за всички тези молекули в крайна сметка се свързват в гликолизата и цикъла на Кребс. Няколко вида липиди могат да бъдат разградени с микроби. Триглицеридите се разграждат от извънклетъчните липази, освобождавайки мастни киселини от гръбнака на глицерола. Фосфолипидите се разграждат от фосфолипази, освобождавайки мастни киселини и фосфорилирани главни групи.
  • 6.4: Фотосинтеза и значението на светлината
    Хетеротрофните организми, вариращи от Е. coli до хората, разчитат на химическата енергия, открита главно в молекулите на въглехидратите. Много от тези въглехидрати се произвеждат чрез фотосинтеза, биохимичен процес, чрез който фототрофните организми превръщат слънчевата енергия (слънчева светлина) в химическа енергия. Въпреки че фотосинтезата най-често се свързва с растенията, микробната фотосинтеза също е значителен доставчик на химическа енергия, захранващ много разнообразни екосистеми.
  • 6.5: Биогеохимични цикли
    Енергията протича насочено през екосистемите, влизайки като слънчева светлина за фототрофи или като неорганични молекули за хемоавтотрофи. Шестте най -често срещани елемента, свързани с органични молекули - въглерод, водород, азот, кислород, фосфор и сяра - приемат различни химични форми и могат да съществуват дълго време в атмосферата, на сушата, във водата или под земната повърхност
  • 6.6: Анаболизъм

Миниатюра: „Правенето на традиционно ферментирали кисели краставички“ от Chiot's Run е лицензирано под CC BY-NC 2.0


6: Захранване и изграждане на клетки - Биология

Нашите редактори ще прегледат изпратеното от вас и ще решат дали да преразгледат статията.

клетка, в биологията, основната мембранно свързана единица, която съдържа основните молекули на живота и от която са съставени всички живи същества. Единична клетка често е завършен организъм сам по себе си, като бактерия или дрожди. Други клетки придобиват специализирани функции, когато узреят. Тези клетки си сътрудничат с други специализирани клетки и се превръщат в градивни елементи на големи многоклетъчни организми, като хора и други животни. Въпреки че клетките са много по-големи от атомите, те все още са много малки. Най-малките познати клетки са група от малки бактерии, наречени микоплазми, някои от тези едноклетъчни организми са сфери с малък диаметър от 0,2 μm (1 μm = около 0,000039 инча), с обща маса от 10 -14 грама - равна на тази на 8 000 000 000 атома водород. Клетките на човека обикновено имат маса 400 000 пъти по-голяма от масата на една микоплазмена бактерия, но дори човешките клетки са с диаметър само около 20 μm. Ще е необходим лист от около 10 000 човешки клетки, за да покрие главата на щифт, а всеки човешки организъм се състои от повече от 30 000 000 000 000 клетки.

Какво е клетка?

Клетката е маса от цитоплазма, която е свързана външно с клетъчна мембрана. Обикновено микроскопичните по размер клетки са най -малките структурни единици на живата материя и съставят всички живи същества. Повечето клетки имат едно или повече ядра и други органели, които изпълняват различни задачи. Някои единични клетки са цялостни организми, като бактерия или дрожди. Други са специализирани градивни елементи на многоклетъчни организми, като растения и животни.

Какво е клетъчна теория?

Клетъчната теория гласи, че клетката е основната структурна и функционална единица на живата материя. През 1839 г. немският физиолог Теодор Шван и немският ботаник Матиас Шлейден обявяват, че клетките са „елементарни частици на организмите“ както в растенията, така и в животните и признават, че някои организми са едноклетъчни, а други многоклетъчни. Тази теория отбеляза голям концептуален напредък в биологията и доведе до подновяване на вниманието към живите процеси, които протичат в клетките.

Какво правят клетъчните мембрани?

Клетъчната мембрана обгражда всяка жива клетка и ограничава клетката от околната среда. Той служи като бариера, за да държи съдържанието на клетката вътре и нежеланите вещества навън. Той също така функционира като порта за активно и пасивно преместване на основни хранителни вещества в клетката и отпадъчни продукти от нея. Някои протеини в клетъчната мембрана участват в комуникацията между клетка и помагат на клетката да реагира на промените в околната среда.

Тази статия разглежда клетката както като отделна единица, така и като допринасяща част от по-голям организъм. Като отделна единица, клетката е способна да метаболизира собствените си хранителни вещества, да синтезира много видове молекули, да осигурява собствена енергия и да се възпроизвежда, за да произведе следващи поколения. Може да се разглежда като затворен съд, в който едновременно протичат безброй химични реакции. Тези реакции са под много точен контрол, така че те допринасят за живота и размножаването на клетката. В многоклетъчния организъм клетките се специализират да изпълняват различни функции чрез процеса на диференциация. За да направи това, всяка клетка поддържа постоянна комуникация със съседите си. Тъй като получава хранителни вещества от и изхвърля отпадъците в околностите си, той се придържа и си сътрудничи с други клетки. Кооперативните групи от подобни клетки образуват тъкани, а сътрудничеството между тъканите от своя страна образува органи, които изпълняват функциите, необходими за поддържане на живота на организма.

В тази статия се отделя специално внимание на животинските клетки, като се обсъждат някои процеси на синтез на енергия и извънклетъчни компоненти, характерни за растенията. (За подробно обсъждане на биохимията на растителните клетки, виж фотосинтеза. За пълно третиране на генетичните събития в клетъчното ядро, виж наследственост.)


Биолозите създават клетки с 6 ДНК букви, вместо само с 4

За да прегледате тази статия, посетете Моят профил, след което Прегледайте запазените истории.

Клетките с разширена генетична азбука могат потенциално да произвеждат по -широк спектър от протеини. Изображение: Synthorx

За да прегледате тази статия, посетете Моят профил, след което Прегледайте запазените истории.

Едно от първите неща, които научавате в Biology 101, е, че генетичният код се състои от четири букви: A, T, C и G. Всяка представлява химически градивен елемент на ДНК, молекулата, която кодира информацията, необходима за изграждането на живот, както ние знам го. Но какво, ако не трябваше да се задоволяваме само с четири букви? Сега учените са постигнали нещо, което някога са смятали за невъзможно: Те са създали клетки с разширена генетична азбука, която включва още две букви.

"Сега имаме клетка, която оцелява и живее с повече информация в генома си", каза Флойд Ромесберг, синтетичен биолог от изследователския институт Scripps в Ла Джола, Калифорния, който ръководи работата.

Наличието на повече букви за работа потенциално отваря вратата към огромен набор от нови молекули. (Груба аналогия: Помислете само колко луди нови думи бихте могли да изпишете с 39 букви вместо обичайните 26). С по-нататъшни усъвършенствания синтетичните клетки може един ден да бъдат използвани за създаване или развитие на протеини, които не съществуват в природата, както и нови последователности от ДНК и РНК, всяка от които може да бъде полезна за изследвания, диагностициране на заболявания, или създаване на нови терапии. Но това все още е далеч.

Ромесберг казва, че лабораторията му е прекарала 15 години в разработване на ДНК с две допълнителни букви. В химическо отношение буквите са нуклеотиди, компоненти на ДНК, чиито последователности определят инструкции за производство на протеини. Може би си спомняте, че клетките правят протеини, като транскрибират ДНК в РНК и използват РНК като шаблон за нанизване на аминокиселини в протеини. Клетките също трябва да копират своята ДНК всеки път, когато се делят, за да направят повече клетки. Най-голямото предизвикателство, казва Ромесберг, беше да се уверите, че двата нови нуклеотида играят добре с ензимите, които извършват цялото това копиране и транскрибиране.

През 2012 г. учените съобщиха за пробив: Те показаха, че шестбуквената ДНК, която те създадоха, може да бъде успешно копирана и транскрибирана в РНК в експерименти с епруветки.

. Изображение: Център за бази данни за наука за живота (DBCLS)

Но може ли шестбуквена ДНК действително да функционира в далеч по-сложната и хаотична среда на жива клетка?

Новото проучване показва, че може. Ромесберг и колегите му успяха да уговорят E. coli бактерии да вземат своята шестбуквена ДНК и да я копират. Ензимите на клетките' копират двете нови букви, които учените наричат ​​накратко X и Y (да не се бъркат с X и Y хромозомите, които различават момчетата от момичетата), заедно с обичайните четири. Клетките растяха малко по-бавно от нормалното, но иначе не изглеждаха по-лоши за износване, съобщава екипът днес в Природата.

Работата е голямо постижение, казва Стивън Бенер, синтетичен биолог от Фондацията за приложна молекулярна еволюция в Гейнсвил, Флорида. Той казва, че за първи път някой е показал, че живите клетки могат да репликират & qutalien & quot ДНК, изградена от части, различни от четирите букви, които се срещат в природата.

Следващите стъпки, казва Ромесберг, ще бъдат да се определи дали клетките също могат да транскрибират неестествените базови двойки в РНК и в крайна сметка да ги използват за производство на протеини. С по-голяма генетична азбука, клетките могат потенциално да кодират синтетични аминокиселини, които не се срещат в природата, и да правят нови протеини, които би било трудно-ако не и невъзможно-да се синтезират директно.

Също така би трябвало да е възможно да се излъжат синтетичните клетки в еволюиращи протеини или други молекули, които са оптимизирани за различни биологични задачи, казва Ромесберг. Той основава компания Synthorx, за да проучи тези възможности.

Според Бенер обаче търговският потенциал може да бъде ограничен от разходите за производство на молекулярни предшественици на X и Y нуклеотидите, които трябва да се добавят към течността, изкъпваща бактериалните клетки в Romesberg 's. Поради тази причина Бенер работи по различна стратегия: опитва се да преработи метаболизма на клетките, за да синтезира прекурсорите сами. Но този подход има своите предизвикателства. Това е "ужасно труден проблем", каза Бенър. Досега екипът му е проектирал пет от шестте необходими ензима, казва той. "Но последното е болка във врата."

Ромесберг настоява, че цената няма да бъде непосилна. Освен това, казва той, изискването за продължаване на храненето на X и Y прекурсорите на бактериите всъщност е важна предпазна мярка: Ако някои от бъговете някога избягат от лабораторията, те бързо ще се върнат към създаването на естествена четирибуквена ДНК.

По този въпрос Бенър се съгласява. „Обществеността винаги пита, ще създадеш ли чудовище, което ще избяга и ще завладее света“, каза той. Бенър смята, че тези страхове са преувеличени, особено в този случай. & quotАко излезе от лабораторията, 's няма да слезе в зоологическата градина в Сан Диего и да започне да яде пингвините. & quot


Свържете се заедно

Доказването, че нещо е вързано, не винаги е лесно. Това е така, защото множество протеини от тетер често държат две органели заедно и, както при кулата от блокове Jenga, премахването на един може да не доведе до срутване на структурата.

Скот Емр, биолог с дрожди от университета Корнел в Итака, Ню Йорк, се сблъсква с това, когато започва да изучава местата на контакт между ER и плазмената мембрана. Неговата група в крайна сметка идентифицира шест свързващи компонента, всеки от които може правилно да държи връзката заедно 4. Екипът му може да наруши връзката само чрез елиминиране на всичките шест протеина.

Стремежът да се идентифицират връзките също се усложнява от сложната мрежа от взаимодействия между органели. Отначало изглежда, че всички взаимодействия включват ER. Но учените започнаха да документират други връзки. И скоро те осъзнаха, че клетките могат да пренасочат транспорта, когато са блокирани директните транспортни ленти.

Това е, което екипите, ръководени от Шулдинър и Кристиан Унгерман от Университета в Оснабрюк, Германия, откриха независимо през 2014 г. След като премахнаха обичайната връзка между ER и митохондриите в дрождите, и двете групи установиха 5, 6, че липидите все още могат да пътуват в щафета -подобен начин между двете органели през заден канал-вакуолата. Тази напълнена с течност торбичка служи като шкаф за съхранение на клетката за храна и други хранителни вещества.

Други проучвания разкриват още по -сложни подреждания на връзките. Митохондриалният биолог Джоди Нунари от Калифорнийския университет, Дейвис и нейната тогавашна колежка, клетъчен биолог Лора Лакнър, класифицираха 7 суперконтактна зона, съдържаща поне две връзки и три органели-ER, митохондриите и плазмената мембрана. „Наистина изглежда, че това е някакъв функционален център, който клетката е създала“, казва Лакнър, сега в Северозападния университет в Еванстън, Илинойс. "Това носи съвсем друг слой на пространствена организация."


Подхранване на екстремната биология на колибрито

Те прелитат от цвете на цвете, изсмуквайки целия нектар и малки буболечки, които могат да намерят. Аеродинамичните им тела сякаш се реят във въздуха, а бързото бръмчене на крилата им - до 80 удара в секунда - създава неясно замъгляване. Той пада на Източното крайбрежие и колибрито с колибки се подготвя да следва топлото време през Мексиканския залив, прелитайки стотици мили, без да спира за храна.

За да поддържат вълнуващите темпове на полета си, те се нуждаят от човешки еквивалент от над 150 000 калории всеки ден. За да преживеят миграцията си, птиците бързо натрупват тегло, като го удвояват за няколко дни.

Те поглъщат толкова много захар, че нивата на кръвната им захар са достатъчно високи, за да убият или сериозно да наранят човек. Голяма част от захарта отива направо в мускулите им, за да подхранва постоянното бръмчене на крилата им и учестеното им сърцебиене, което може да достигне до 1200 удара в минута. Други захари попадат в черния дроб, където свръхзаредените ензими ги преработват в мазнини, които подхранват миграцията на птиците. Веднага след като излитат, те бързо изгарят тези мастни депа, с темпове, които срамват способностите на хората.

И все пак, като се има предвид огромното преяждане със захар на птицата и бързото й наддаване и загуба на тегло, изглежда няма биологични недостатъци. Отличителните белези на късния стадий на човешкия диабет - бъбречна недостатъчност, слепота и инсулт - изглеждат напълно отсъстващи.

„Колибрите са решили два от проблемите, пред които са изправени хората: затлъстяването и диабета“, казва изследователят на метаболизма на Johns Hopkins Medicine G. William Wong, Ph.D.

Откриването на това, което прави метаболизма на колибри толкова необикновен, би могло да даде представа за това, което се обърква при метаболитното заболяване на човека и може би дори нови начини за борба с него.

„Аз съм добро старомодно американско момче – обичам белия си хляб и Twinkies, но захарта не е полезна за хората“, казва д-р Уинстън Тимп, изследовател по биомедицинско инженерство на Джон Хопкинс. „Но захарта е полезна за колибри. И ние трябва да разберем защо е толкова добро за тях, за да можем да разберем защо е толкова лошо за нас. "

Уонг се натъкна на този въпрос, когато прочете поредица от статии от 80 -те години на миналия век от лабораторията на изследователя на Университета в Британска Колумбия, д -р Петер Хочачка.

Работата на Hochachka предполага, че вероятният механизъм зад изключителния метаболизъм на колибри е свързан с протеините в черния му дроб и мускулите, които преработват източници на гориво като захари и мазнини в енергия. Тези протеини, наречени ензими, изглежда са свръхзаредени в колибрито и са в състояние да разграждат захари и мазнини с ефективност, по -малка от тази на повечето други гръбначни животни.

Документите предизвикаха любопитството на Уонг. Как и защо тези ензими са толкова ефективни? Какво е тяхната химия и структура, което ги прави толкова ефективни?

Подхранване на екстремната биология на колибри

Колибриторите изгарят огромно количество енергия всеки ден, за да поддържат бързия си удар с крила до 60-80 удара всяка секунда. Те трябва да се хранят почти постоянно, като поддържат нивата на кръвната захар достатъчно високи, за да причинят сериозно заболяване при хората. За да преработят този голям обем захар, колибри са развили метаболизъм 77 пъти по -бързо от човешкия, което стана възможно благодарение на свръхефективни ензими. Учени от Johns Hopkins, като част от международно сътрудничество, са секвенирали генетичния код на черния дроб на колибри, където живеят много от тези ензими. Следващата стъпка в техния проект е да използват генетичната информация, за да проучат как работят тези ензими. Изследователите се надяват, че тяхната работа може да даде представа за това какво се обърка при човешкия диабет и затлъстяването, като покаже как ги е разрешила еволюцията на колибри.

За да разплете тези въпроси, той се нуждаеше от чертежи за това как се изграждат тези ензими: генетичния код на колибрито. По това време само два самотни гена някога са били секвенирани от колибрито. Така че изследването по същество започна от нулата.

Уонг създаде екип, който да се справи с този проблем с подреждането, като нае Тимп, дългогодишен приятел, чиято лаборатория е специализирана в технологиите за генетично секвениране, и д -р Кенет Уелч, експерт от колибри от Университета в Торонто Скарбъро. д-р Уелч съветник беше учил при Хочачка.

Но без предишни данни за учените беше трудно да убедят финансиращите да инвестират в плана.

„Това е начален въпрос“, казва Тимп. „Трябва да сте го решили, преди да успеете.“

Екипът си даде почивка, когато чу за състезание на Pacific Biosystems, което иска предложения от 200 думи за подреждане на най-интересния геном. Победителят ще получи достатъчно лабораторни консумативи, за да стартира проекта. Смятайки, че няма нищо по -завладяващо от метаболизма на колибри, изследователите са приложили последователността на черния дроб на колибри, където се осъществява голяма част от метаболитните действия на птицата.

Само те говореха за транскриптома, а не за геном.

Транскриптомът е функционално подобен на генома, когато става въпрос за анализ на данните. Той описва генетичния код. Геномът обаче само каталогизира гените на организма, докато транскриптомът разкрива колко често тези гени се използват за производство на протеини.

Това може да даде на учените моментна снимка на това, какви протеини изглеждат най -разпространени в животното, служейки като подсказка кои от тях могат да бъдат най -важни.

Изследователите получиха обаждане от компанията: те бяха свързани с друг отбор за първо място.

„Те казаха, че сме уникални, защото разглеждахме транскриптом“, казва Тимп. Отборът им обаче не спечели.

Компанията обаче реши да им осигури доставки.

През миналия февруари те публикуваха първата статия за проекта, пълен транскриптом на черния дроб на колибри с рубиново гърло.

В статията изследователите сравняват транскриптома с генетичния код на други животни, включително хора, други птици и алигатори. Те също го сравняват с генома на друг вид колибри, завършен от група, ръководена от изследователи от университета Дюк.

Търсейки разлики в генетиката на колибри в сравнение с други животни, изследователите започнаха да дешифрират еволюционните промени, които позволяват на метаболизма на колибри да работи с такава висока ефективност. Интегрирането на генома на колибри на Дюк в тяхното сравнение също им помогна да разберат кои генетични различия вероятно са важни и кои вероятно са незначителни.

Резултатите показват, че много от гените на колибрите, участващи в обработката на мазнините, са специализирани за вида. Това не само подкрепя идеята, че черният дроб на колибри е еволюирал, за да се справя с мазнините необичайно добре, но също така насочва към специфични гени и протеини, върху които изследователите могат да се съсредоточат за по-задълбочено изследване.

Те също така откриха, че колибри имат липсващ компонент на протеин, отговорен за прехвърлянето на глюкозата в клетките, което може да направи протеина по-малко ефективен. Това би могло да обясни отчасти защо колибри имат изключително висока кръвна захар в сравнение с хората - повече захар остава на разположение за употреба, вместо да се съхранява в клетките им.

Използвайки както транскриптома, така и тяхното международно сътрудничество, изследователите, ръководени от Уелч, получиха 1,6 милиона долара безвъзмездна помощ от Научната програма за човешка граница - която е отворена само за екипи от учени от различни континенти и от различни дисциплини - за по -нататъшно изучаване на метаболизма на колибри.

Преди да кандидатстват за безвъзмездна помощ, изследователите добавиха още един член към своето сътрудничество: д-р Микел Вале от CIC bioGUNE, център за биомедицински изследвания в Испания. Неговата лаборатория разполага с технологията и опита да анализира структурите на ензимите на колибрито, което може да разкрие физическите свойства, които правят ензимите толкова ефективни.

Със средствата и генетичната карта, за да продължи проекта, Уонг планира да създаде синтетични версии на ензимите от генетичния код. След това изследователите могат да определят как ензимите на колибри са структурно и биохимично различни от другите животни, като изучават техните свойства и правят малки промени в генетичните кодове на ензимите, за да видят как променя тези свойства.

Те също така генерират транскриптоми на колибри, които току-що са яли, и на колибри, които гладуват. Сравняването им може да покаже кои протеини се мобилизират в колибрито за ядене и кои се използват, докато изгарят мастните депа.

Транскриптомът отваря много нови начини да задавате и отговаряте на въпроси за метаболизма на колибри, казва Уонг, и макар хората да нямат същите метаболитни ензими като колибри, изучаването на биологията на птиците може да разшири разбирането ни за метаболизма и може би един ден ще хвърли нова светлина върху болестта на човека.


Информация за автора

Тези автори допринесоха еднакво: Mukul Tewary и Nika Shakiba.

Принадлежности

Институт по биоматериали и биомедицинско инженерство (IBBME) и Центърът за клетъчни и биомолекулярни изследвания Donnelly (CCBR), Университет на Торонто, Торонто, Онтарио, Канада

Mukul Tewary, Nika Shakiba & amp Peter W. Zandstra

Програма за сътрудничество по биология на развитието, Университет на Торонто, Торонто, Онтарио, Канада

Mukul Tewary & amp Peter W. Zandstra

Лаборатории и училище по биомедицинско инженерство на Майкъл Смит, Университет на Британска Колумбия, Ванкувър, Британска Колумбия, Канада

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Вноски

Авторите допринасят еднакво за всички аспекти на статията.

Автора за кореспонденция


6: Захранване и изграждане на клетки - Биология

До края на този раздел ще можете да направите следното:

  • Обяснете метаболитните пътища и опишете двата основни типа
  • Обсъдете как химичните реакции играят роля в преноса на енергия

Учените използват термина биоенергия, за да обсъдят концепцията за енергиен поток ((Фигура)) през живи системи, като клетки. Клетъчни процеси като изграждане и разграждане на сложни молекули протичат чрез поетапни химични реакции. Някои от тези химични реакции са спонтанни и освобождават енергия, докато други изискват енергия, за да продължат. Точно както живите същества трябва непрекъснато да консумират храна, за да попълнят това, което са използвали, клетките трябва непрекъснато да произвеждат повече енергия, за да попълнят тази, която многобройните енергийно изискващи химични реакции, които непрекъснато протичат, използват. Всички химични реакции, които протичат вътре в клетките, включително тези, които използват и освобождават енергия, са клетъчният метаболизъм.

Фигура 1. Повечето форми на живот на земята получават енергията си от слънцето. Растенията използват фотосинтеза за улавяне на слънчева светлина, а тревопасните ядат тези растения, за да получат енергия. Месоядните ядат тревопасните, а разложителите усвояват растителна и животинска материя.

Метаболизъм на въглехидрати

Захарният (химични реакции) метаболизъм (прост въглехидрат) е класически пример за многото клетъчни процеси, които използват и произвеждат енергия. Живите същества консумират захар като основен енергиен източник, тъй като молекулите на захарта имат значителна енергия, съхранявана в техните връзки. Следното уравнение описва разграждането на глюкоза, проста захар:

Консумираните въглехидрати имат своя произход от фотосинтезиращи организми като растенията ((Фигура)). По време на фотосинтезата растенията използват енергията на слънчевата светлина за преобразуване на въглероден диоксид (CO2) в захарни молекули, като глюкоза (С6Х12О6). Тъй като този процес включва синтезиране на по-голяма, съхраняваща енергия молекула, той изисква вложена енергия, за да продължи. Следното уравнение (забележете, че е обратно на предишното уравнение) описва синтеза на глюкоза:

По време на химичните реакции на фотосинтезата енергията е под формата на молекула с много висока енергия, която учените наричат ​​АТФ или аденозин трифосфат. Това е основната енергийна валута на всички клетки. Точно както доларът е валутата, която използваме за закупуване на стоки, клетките използват молекули АТФ като енергийна валута за извършване на незабавна работа. Захарта (глюкоза) се съхранява под формата на нишесте или гликоген. Полимери, съхраняващи енергия, като тези се разграждат до глюкоза, за да доставят молекули АТФ.

Слънчевата енергия е необходима за синтезиране на глюкозна молекула по време на реакциите на фотосинтеза. При фотосинтезата светлинната енергия от слънцето първоначално се трансформира в химическа енергия, която временно се съхранява в енергийните носители на молекулите ATP и NADPH (никотинамид аденин динуклеотид фосфат). Фотосинтезата по-късно използва съхранената енергия в АТФ и NADPH за изграждане на една молекула глюкоза от шест молекули CO2. Този процес е аналогичен на закуска сутрин, за да се набави енергия за тялото ви, която можете да използвате по -късно през деня. При идеални условия е необходима енергия от 18 молекули АТФ, за да се синтезира една молекула глюкоза по време на реакциите на фотосинтеза. Молекулите на глюкозата също могат да се комбинират и да се превръщат в други видове захар. Когато организмът консумира захари, молекулите на глюкозата в крайна сметка навлизат във всяка жива клетка на всеки организъм. Вътре в клетката всяка захарна молекула се разгражда чрез сложна серия от химични реакции. Целта на тези реакции е да се събере енергията, съхранявана вътре в захарните молекули. Събраната енергия създава високоенергийни АТФ молекули, които извършват работа, захранвайки много химични реакции в клетката. Количеството енергия, необходимо за производството на една молекула глюкоза от шест молекули въглероден диоксид, е 18 молекули АТФ и 12 молекули NADPH (всяка от които е енергийно еквивалентна на три молекули АТФ), или общо 54 молекулни еквивалента, необходими за синтезиране на една молекула глюкоза . Този процес е основен и ефективен начин клетките да генерират необходимата им молекулярна енергия.

Фигура 2. Plants, like this oak tree and acorn, use energy from sunlight to make sugar and other organic molecules. Both plants and animals (like this squirrel) use cellular respiration to derive energy from the organic molecules that plants originally produced. (credit “acorn”: modification of work by Noel Reynolds credit “squirrel”: modification of work by Dawn Huczek)

Метаболитни пътища

Процесите на производство и разграждане на захарни молекули илюстрират два вида метаболитни пътища. Метаболитният път е поредица от взаимосвързани биохимични реакции, които превръщат субстратна молекула или молекули, стъпка по стъпка, чрез поредица от метаболитни междинни съединения, като в крайна сметка се получава краен продукт или продукти. В случай на метаболизъм на захарта, първият метаболитен път синтезира захарта от по-малки молекули, а другият път разгражда захарта на по-малки молекули. Scientists call these two opposite processes—the first requiring energy and the second producing energy—anabolic (building) and catabolic (breaking down) pathways, respectively. Consequently, building (anabolism) and degradation (catabolism) comprise metabolism.

Еволюционна връзка

Това дърво показва еволюцията на различните клонове на живота. Вертикалното измерение е времето. Ранните форми на живот, в синьо, използваха анаеробния метаболизъм, за да получат енергия от заобикалящата ги среда.

Еволюция на метаболитните пътища

Сложността на метаболизма е нещо повече от разбирането само на метаболитните пътища. Метаболитната сложност варира в зависимост от организма. Photosynthesis is the primary pathway in which photosynthetic organisms like plants (planktonic algae perform the majority of global synthesis) harvest the sun’s energy and convert it into carbohydrates. The by-product of photosynthesis is oxygen, which some cells require to carry out cellular respiration. По време на клетъчното дишане кислородът подпомага катаболното разграждане на въглеродните съединения, като въглехидратите. Among the products are CO2 и АТФ. В допълнение, някои еукариоти извършват катаболни процеси без кислород (ферментация), тоест извършват или използват анаеробен метаболизъм.

Организмите вероятно са развили анаеробния метаболизъм, за да оцелеят (живите организми са се появили преди около 3,8 милиарда години, когато в атмосферата е липсвал кислород). Despite the differences between organisms and the complexity of metabolism, researchers have found that all branches of life share some of the same metabolic pathways, suggesting that all organisms evolved from the same ancient common ancestor ((Figure)). Доказателствата показват, че с течение на времето пътищата се разминават, добавяйки специализирани ензими, за да позволят на организмите да се адаптират по-добре към околната среда, като по този начин увеличават шансовете си за оцеляване. Основният принцип обаче остава, че всички организми трябва да събират енергия от околната среда и да я преобразуват в АТФ, за да изпълняват клетъчни функции.

Anabolic and Catabolic Pathways

Анаболните пътища изискват влагане на енергия за синтезиране на сложни молекули от по -прости. Synthesizing sugar from CO2 is one example. Other examples are synthesizing large proteins from amino acid building blocks, and synthesizing new DNA strands from nucleic acid building blocks. These biosynthetic processes are critical to the cell’s life, take place constantly, and demand energy that ATP and other high-energy molecules like NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADPH provide ((Figure)).

ATP is an important molecule for cells to have in sufficient supply at all times. The breakdown of sugars illustrates how a single glucose molecule can store enough energy to make a great deal of ATP, 36 to 38 molecules. This is a catabolic pathway. Catabolic pathways involve degrading (or breaking down) complex molecules into simpler ones. Molecular energy stored in complex molecule bonds release in catabolic pathways and harvest in such a way that it can produce ATP. Other energy-storing molecules, such as fats, also break down through similar catabolic reactions to release energy and make ATP ((Figure)).

It is important to know that metabolic pathway chemical reactions do not take place spontaneously. A protein called an enzyme facilitates or catalyzes each reaction step. Ензимите са важни за катализиране на всички видове биологични реакции - тези, които изискват енергия, както и тези, които отделят енергия.

Фигура 4. Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. Both types of pathways are required for maintaining the cell’s energy balance.

Резюме на раздел

Клетките изпълняват функциите на живота чрез различни химични реакции. A cell’s metabolism refers to the chemical reactions that take place within it. There are metabolic reactions that involve breaking down complex chemicals into simpler ones, such as breaking down large macromolecules. Scientists refer to this process as catabolism, and we associate such reactions an energy release. On the other end of the spectrum, anabolism refers to metabolic processes that build complex molecules out of simpler ones, such as macromolecule synthesis. Anabolic processes require energy. Glucose synthesis and glucose breakdown are examples of anabolic and catabolic pathways, respectively.

Множествен избор

Energy is stored long-term in the bonds of _____ and used short-term to perform work from a(n) _____ molecule.

  1. ATP : glucose
  2. an anabolic molecule : catabolic molecule
  3. glucose : ATP
  4. a catabolic molecule : anabolic molecule

DNA replication involves unwinding two strands of parent DNA, copying each strand to synthesize complementary strands, and releasing the parent and daughter DNA. Which of the following accurately describes this process?

  1. This is an anabolic process.
  2. This is a catabolic process.
  3. This is both anabolic and catabolic.
  4. This is a metabolic process but is neither anabolic nor catabolic.

Безплатен отговор

Does physical exercise involve anabolic and/or catabolic processes? Give evidence for your answer.

Physical exercise involves both anabolic and catabolic processes. Body cells break down sugars to provide ATP to do the work necessary for exercise, such as muscle contractions. This is catabolism. Muscle cells also must repair muscle tissue damaged by exercise by building new muscle. This is anabolism.

Name two different cellular functions that require energy that parallel human energy-requiring functions.

Energy is required for cellular motion, through beating of cilia or flagella, as well as human motion, produced by muscle contraction. Cells also need energy to perform digestion, as humans require energy to digest food.


Restoring metabolism of myeloid cells reverses cognitive decline in ageing

Ageing is characterized by the development of persistent pro-inflammatory responses that contribute to atherosclerosis, metabolic syndrome, cancer and frailty 1-3 . The ageing brain is also vulnerable to inflammation, as demonstrated by the high prevalence of age-associated cognitive decline and Alzheimer's disease 4-6 . Systemically, circulating pro-inflammatory factors can promote cognitive decline 7,8 , and in the brain, microglia lose the ability to clear misfolded proteins that are associated with neurodegeneration 9,10 . However, the underlying mechanisms that initiate and sustain maladaptive inflammation with ageing are not well defined. Here we show that in ageing mice myeloid cell bioenergetics are suppressed in response to increased signalling by the lipid messenger prostaglandin E2 (PGE2), a major modulator of inflammation 11 . In ageing macrophages and microglia, PGE2 signalling through its EP2 receptor promotes the sequestration of glucose into glycogen, reducing glucose flux and mitochondrial respiration. This energy-deficient state, which drives maladaptive pro-inflammatory responses, is further augmented by a dependence of aged myeloid cells on glucose as a principal fuel source. In aged mice, inhibition of myeloid EP2 signalling rejuvenates cellular bioenergetics, systemic and brain inflammatory states, hippocampal synaptic plasticity and spatial memory. Moreover, blockade of peripheral myeloid EP2 signalling is sufficient to restore cognition in aged mice. Our study suggests that cognitive ageing is not a static or irrevocable condition but can be reversed by reprogramming myeloid glucose metabolism to restore youthful immune functions.


HBP and DNA damage

The connection between cancer metabolism and DNA damage is becoming increasingly clear [103]. O-GlcNAc is a well-known regulator of the cellular stress response and can directly regulate proteins involved in DNA damage and repair [104]. OGT can modify H2AX on S139 and negatively regulate DNA double-strand break-induced phosphorylation of H2AX, leading to decreased γH2AX formation on DNA damage sites (Fig. 4) [105]. A recent report shows that reducing OGT expression in breast cancer cells was associated with defects in double-stand break repair, reduced cell proliferation, and increased cell senescence in vivo [106]. Conversely, promoting O-GlcNAcylation by targeting OGA protected tumor xenografts from radiation, thus implicating O-GlcNAcylation as a key player in the DNA damage response in cancer cells and as a potential regulator of tumor radiosensitization.

A new emerging idea is that altered metabolic states may lead to replication stress and DNA damage, and contribute to cancer-causing mutations [103]. A provocative recent manuscript shows that culturing pancreatic cells under high glucose conditions leads to replication stress and increases KRAS G12D mutations [107]. Interestingly, high glucose treatment of pancreatic cells increased UDP-GlcNAc levels, and targeting OGT with RNA interference reduced glucose-mediated replication stress and the number of KRAS G12D -positive pancreatic cells. Mechanistically, these authors showed that elevated O-GlcNAcylation leads to decreased dNTP pools through O-GlcNAcylation of RRM1, a subunit of the ribonucleotide reductase (RNR). O-GlcNAcylation of RRM1 at T734 destabilizes the formation of functional RNR complex and contributes to DNA damage (Fig. 4). Thus, high glucose levels can increase HBP flux that may contribute to replication stress and possibly lead to cancer initiation in pancreatic cells. This is of potential clinical relevance as diabetic patients have an increased pancreatic cancer risk [108]. Further studies are needed to test whether over-activation of the HBP can lead to mutations and cancer development and progression.


Гледай видеото: Похвати и трикове за изграждане на градоустройство и ландшафт на по-мащабен терен със SketchUp (Февруари 2023).