Informácie

2017_SS1_Lecture_09 - Biológia

2017_SS1_Lecture_09 - Biológia


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.

Reakcie nezávislé na svetle a fixácia uhlíka

Krátky úvod

Všeobecným princípom fixácie uhlíka je, že niektoré bunky môžu za určitých podmienok prijímať anorganický uhlík, CO2 (označovaný aj ako mineralizovaný uhlík) a redukovať ho na využiteľnú bunkovú formu. Väčšina z nás si uvedomuje, že zelené rastliny môžu absorbovať CO2 a produkovať O2 v procese známom ako fotosyntéza. Už sme diskutovali o fotofosforylácii, schopnosti bunky prenášať svetelnú energiu na chemikálie a nakoniec produkovať nosiče energie ATP a NADPH v procese známom ako svetelné reakcie. Pri fotosyntéze rastlinné bunky využívajú ATP a NADPH vytvorené počas fotofosforylácie na zníženie CO2 na cukor (ako uvidíme, konkrétne G3P) v takzvaných temných reakciách. Aj keď oceňujeme, že k tomuto procesu dochádza v zelených rastlinách, fotosyntéza má svoj evolučný pôvod v bakteriálnom svete. V tomto module si prejdeme všeobecné reakcie Calvinovho cyklu, redukčnej cesty, ktorá zahŕňa CO2 do bunkového materiálu.

Vo fotosyntetických baktériách, ako sú cyanobaktérie a purpurové nesírne baktérie, ako aj v rastlinách, energia (ATP) a zníženie výkonu (NADPH) - termín používaný na opis nosičov elektrónov v ich redukovanom stave - získaný z fotofosforylácie je spojený s "Fixácia uhlíka“, začlenenie anorganického uhlíka (CO2) na organické molekuly; najprv ako glyceraldehyd-3-fosfát (G3P) a nakoniec na glukózu. Organizmy, ktoré môžu získať všetok svoj požadovaný uhlík z anorganického zdroja (CO2) sa označujú ako autotrofy, zatiaľ čo tie organizmy, ktoré vyžadujú organické formy uhlíka, ako je glukóza alebo aminokyseliny, sa označujú ako heterotrofy. Biologická dráha, ktorá vedie k fixácii uhlíka, sa nazýva Calvinov cyklus a je redukčnou cestou (spotrebúva energiu/využíva elektróny), ktorá vedie k redukcii CO2 na G3P.

Calvinov cyklus: redukcia CO2 na glyceraldehyd 3-fosfát

Postava 1. Svetelné reakcie využívajú energiu zo slnka na vytváranie chemických väzieb, ATP a NADPH. Tieto molekuly nesúce energiu sa vytvárajú v stróme, kde dochádza k fixácii uhlíka.

V rastlinných bunkách sa Calvinov cyklus nachádza v chloroplastoch. Zatiaľ čo proces je podobný v baktériách, neexistujú žiadne špecifické organely, v ktorých sa nachádza Calvinov cyklus, a reakcie prebiehajú v cytoplazme okolo komplexného membránového systému odvodeného z plazmatickej membrány. Toto vnútrobunkový membránový systém môže byť pomerne zložitý a vysoko regulovaný. Existujú silné dôkazy, ktoré podporujú hypotézu, že pôvod chloroplasty zo symbiózy medzi cyanobaktériami a skorými rastlinnými bunkami.

Fáza 1: Fixácia uhlíka

V stróme rastlinných chloroplastov sa okrem CO2Na spustenie reakcií nezávislých na svetle sú prítomné dve ďalšie zložky: enzým nazývaný ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza (RuBisCO) a tri molekuly ribulóza bisfosfátu (RuBP), ako je znázornené na obrázku nižšie. Ribulóza-1,5-bisfosfát (RuBP) sa skladá z piatich atómov uhlíka a obsahuje dva fosfáty.

Obrázok 2 Calvinov cyklus má tri fázy. V štádiu 1 enzým RuBisCO zabudováva oxid uhličitý do organickej molekuly 3-PGA. V štádiu 2 sa organická molekula redukuje pomocou elektrónov dodávaných NADPH. V štádiu 3 sa RuBP, molekula, ktorá začína cyklus, regeneruje, aby cyklus mohol pokračovať. Naraz je začlenená iba jedna molekula oxidu uhličitého, takže cyklus musí byť dokončený trikrát, aby sa vytvorila jedna molekula GA3P s tromi uhlíkmi, a šesťkrát, aby sa vytvorila molekula glukózy so šiestimi uhlíkmi.

RuBisCO katalyzuje reakciu medzi CO2 a RuBP. Pre každú CO2 molekula, ktorá reaguje s jedným RuBP, vznikajú dve molekuly inej zlúčeniny (3-PGA). PGA má tri uhlíky a jeden fosfát. Každé otočenie cyklu zahŕňa iba jeden RuBP a jeden oxid uhličitý a tvorí dve molekuly 3-PGA. Počet atómov uhlíka zostáva rovnaký, keďže sa atómy počas reakcií presúvajú a vytvárajú nové väzby (3 atómy z 3CO2 + 15 atómov z 3RuBP = 18 atómov v 3 atómoch 3-PGA). Tento proces sa nazýva uhlíka fixácia, pretože CO2 je „fixovaný“ z anorganickej formy na organickú molekulu.

Fáza 2: Zníženie

ATP a NADPH sa používajú na premenu šiestich molekúl 3-PGA na šesť molekúl chemickej látky nazývanej glyceraldehyd-3-fosfát (G3P) – uhlíkatej zlúčeniny, ktorá sa tiež nachádza v glykolýze. V procese sa používa šesť molekúl ATP aj NADPH. Exergonický proces hydrolýzy ATP v skutočnosti poháňa endergonické redoxné reakcie, vytvárajúce ADP a NADP+. Obe tieto „spotrebované“ molekuly (ADP a NADP+) vrátiť sa k blízkym reakciám závislým od svetla, ktoré sa majú recyklovať späť na ATP a NADPH.

3. fáza: Regenerácia

Je zaujímavé, že v tomto bode len jedna z molekúl G3P opúšťa Calvinov cyklus, aby prispela k tvorbe ďalších zlúčenín potrebných pre organizmus. V rastlinách, pretože G3P exportovaný z Calvinovho cyklu má tri atómy uhlíka, trvá tri „otočky“ Calvinovho cyklu, kým sa fixuje dostatok čistého uhlíka na export jedného G3P. Ale každé otočenie vytvára dva G3P, teda tri otáčky tvoria šesť G3P. Jedna sa exportuje, zatiaľ čo zvyšných päť molekúl G3P zostáva v cykle a používa sa na regeneráciu RuBP, čo umožňuje systému pripraviť sa na viac CO2 opraviť. V týchto regeneračných reakciách sa používajú ďalšie tri molekuly ATP.

Ďalšie zaujímavé odkazy

Nukleové kyseliny

V biológii existujú dva typy nukleových kyselín: DNA a RNA. DNA nesie dedičnú genetickú informáciu bunky a je zložená z dvoch antiparalelných reťazcov nukleotidov usporiadaných do špirálovej štruktúry. Každá nukleotidová podjednotka sa skladá z pentózového cukru (deoxyribózy), dusíkatej bázy a fosfátovej skupiny. Tieto dve vlákna sa spájajú prostredníctvom vodíkových väzieb medzi chemicky komplementárnymi dusíkatými bázami. Interakcie známe ako interakcie "základného stohovania" tiež pomáhajú stabilizovať dvojitú špirálu. Na rozdiel od DNA môže byť RNA buď jednovláknová alebo dvojvláknová. Tiež sa skladá z pentózového cukru (ribózy), dusíkatej bázy a fosfátovej skupiny. RNA je molekula májových trikov. Podieľa sa na syntéze bielkovín ako posol, regulátor a katalyzátor procesu. RNA sa tiež podieľa na rôznych iných bunkových regulačných procesoch a pomáha katalyzovať niektoré kľúčové reakcie (viac o tom neskôr). Pokiaľ ide o RNA, v tomto kurze nás primárne zaujíma (a) poznanie základnej molekulárnej štruktúry RNA a to, čo ju odlišuje od DNA, (b) pochopenie základnej chémie syntézy RNA, ku ktorej dochádza počas procesu nazývaného transkripcia, (c ) oceniť rôzne úlohy, ktoré môže mať RNA v bunke, a (d) naučiť sa hlavné typy RNA, s ktorými sa najčastejšie stretnete (tj mRNA, rRNA, tRNA, miRNA atď.) a priradiť ich k procesom, na ktorých sa podieľajú s V tomto module sa zameriavame predovšetkým na chemické štruktúry DNA a RNA a na to, ako ich možno od seba odlíšiť.

Štruktúra nukleotidov

Dva hlavné typy nukleových kyselín sú deoxyribonukleová kyselina (DNA) a kyselina ribonukleová (RNA). DNA a RNA sa skladajú z monomérov známych ako nukleotidy. Jednotlivé nukleotidy sa navzájom kondenzujú za vzniku a nukleová kyselina polymér. Každý nukleotid sa skladá z troch zložiek: dusíkatej bázy (pre ktorú existuje päť rôznych typov), pentózového cukru a fosfátovej skupiny. Tieto sú znázornené nižšie. Hlavným rozdielom medzi týmito dvoma typmi nukleových kyselín je prítomnosť alebo neprítomnosť hydroxylovej skupiny na C2 pozícia, nazývaná aj pozícia 2' (čítaj "dva prvotriedne"), pentózy (viac informácií o číslovaní uhlíka nájdete v legende k obrázku 1 a časti o cukre pentóze). RNA má hydroxylovú funkčnú skupinu v polohe 2' pentózového cukru; cukor sa nazýva ribóza, odtiaľ názov ribonukleová kyselina. Na rozdiel od toho DNA v tejto polohe nemá hydroxylovú skupinu, odtiaľ názov "deoxy" ribonukleová kyselina. DNA má v polohe 2' atóm vodíka.

postava 1. Nukleotid sa skladá z troch zložiek: dusíkatej bázy, pentózového cukru a jednej alebo viacerých fosfátových skupín. Uhlíky v pentóze sú očíslované od 1' do 5' (prvočíslo odlišuje tieto zvyšky od zvyškov v báze, ktoré sú očíslované bez použitia prvočísla). Báza je pripojená k polohe 1' ribózy a fosfát je pripojený k polohe 5'. Keď sa vytvorí polynukleotid, 5' fosfát prichádzajúceho nukleotidu sa pripojí k 3' hydroxylovej skupine na konci rastúceho reťazca. V nukleotidoch sa nachádzajú dva typy pentózy, deoxyribóza (nachádza sa v DNA) a ribóza (nachádza sa v RNA). Deoxyribóza má podobnú štruktúru ako ribóza, ale má -H namiesto -OH v polohe 2'. Bázy možno rozdeliť do dvoch kategórií: puríny a pyrimidíny. Puríny majú dvojitú kruhovú štruktúru a pyrimidíny majú jednoduchý kruh.
Autor: Marc T. Facciotti (pôvodné dielo)

Dusíkatá báza

Dusíkaté bázy nukleotidov sú organické molekuly a sú tak pomenované, pretože obsahujú uhlík a dusík. Sú to zásady, pretože obsahujú aminoskupinu, ktorá má potenciál viazať ďalší vodík, a teda pôsobiť ako zásada tým, že znižuje koncentráciu vodíkových iónov v miestnom prostredí. Každý nukleotid v DNA obsahuje jednu zo štyroch možných dusíkatých báz: adenín (A), guanín (G), cytozín (C) a tymín (T). Naopak, RNA obsahuje adenín (A), guanín (G), cytozín (C) a uracil (U) namiesto tymínu (T).

Adenín a guanín sú klasifikované ako puríny. Primárnym rozlišovacím štrukturálnym znakom purínu je dvojitý uhlík-dusík kruh. Cytozín, tymín a uracil sú klasifikované ako pyrimidíny. Tie sa štrukturálne odlišujú jedným uhlíkovo-dusíkovým kruhom. Očakáva sa, že uznáte, že každá z týchto kruhových štruktúr je zdobená funkčnými skupinami, ktoré sa môžu podieľať na rôznych chemikáliách a interakciách.

Poznámka: prax

Venujte chvíľu kontrole dusíkatých báz na obrázku 1. Identifikujte funkčné skupiny podľa popisu v triede. Pre každú identifikovanú funkčnú skupinu opíšte, do akého typu chémie by mala byť zapojená. Pokúste sa identifikovať, či funkčná skupina môže pôsobiť ako donor vodíkovej väzby, akceptor alebo oboje?

Pentózový cukor

Pentózový cukor obsahuje päť atómov uhlíka. Každý atóm uhlíka molekuly cukru je očíslovaný ako 1′, 2′, 3′, 4′ a 5′ (1′ sa číta ako „jedno prvočíslo“). Dve hlavné funkčné skupiny, ktoré sú pripojené k cukru, sú často pomenované podľa uhlíka, na ktorý sú viazané. Napríklad fosfátový zvyšok je pripojený k 5' uhlíku cukru a hydroxylová skupina je pripojená k 3' uhlíku cukru. Často budeme číslo uhlíka používať na označenie funkčných skupín na nukleotidoch, takže buďte dobre oboznámení so štruktúrou pentózového cukru.

Pentózový cukor v DNA sa nazýva deoxyribóza a v RNA je cukrom ribóza. Rozdiel medzi cukrami je prítomnosť hydroxylovej skupiny na 2' uhlíku ribózy a jej neprítomnosť na 2' uhlíku deoxyribózy. Môžete teda určiť, či sa pozeráte na nukleotidy DNA alebo RNA podľa prítomnosti alebo neprítomnosti hydroxylovej skupiny na 2' atóme uhlíka – pravdepodobne vás o to požiadajú pri mnohých príležitostiach, vrátane skúšok.

Fosfátová skupina

Na 5' uhlíku cukru môže byť naviazaná jedna až tri fosfátové skupiny. Keď je naviazaný jeden fosfát, nukleotid sa označuje ako a Nukleotid MonoPfosfátom (NMP). Ak sú naviazané dva fosfáty, nukleotid sa označuje ako Nukleotid DiPfosfáty (NDP). Keď sú na nukleotid naviazané tri fosfáty, označuje sa ako a Nukleotid TRIPfosfáty (NTP). Fosfoanhydridové väzby medzi nimi, ktoré navzájom spájajú fosfátové skupiny, majú špecifické chemické vlastnosti, vďaka ktorým sú dobré pre rôzne biologické funkcie. Hydrolýza väzieb medzi fosfátovými skupinami je v biologických podmienkach termodynamicky exergonická; príroda vyvinula množstvo mechanizmov na spojenie tejto negatívnej zmeny vo voľnej energii, aby pomohla riadiť mnohé reakcie v bunke. Obrázok 2 ukazuje štruktúru nukleotidtrifosfátu adenozíntrifosfát, ATP, o ktorej budeme podrobnejšie diskutovať v iných kapitolách.

Poznámka: „vysokoenergetické“ dlhopisy

Pojem „vysokoenergetická väzba“ sa VEĽA používa v biológii. Tento výraz je však verbálnymi skratkami, ktoré môžu spôsobiť zmätok. Termín sa týka množstva negatívnej voľnej energie spojenej s hydrolýzou príslušnej väzby. Voda (alebo iný ekvivalentný reakčný partner) je dôležitým prispievateľom do energetického počtu. Napríklad v ATP by jednoduché "prerušenie" fosfoanhydridovej väzby - povedzme imaginárnou molekulárnou pinzetou - odtiahnutím fosfátu nebolo energeticky výhodné. Musíme si preto dávať pozor, aby sme nepovedali, že rozbíjanie väzieb v ATP je energeticky priaznivé alebo že „uvoľňuje energiu“. Skôr by sme mali byť konkrétnejší a poznamenať, že hydrolýza väzby je energeticky priaznivá. Niektoré z týchto bežných mylných predstáv sú podľa nášho názoru spojené s používaním výrazu „vysokoenergetické väzby“. Zatiaľ čo v Bis2a sme sa snažili minimalizovať používanie ľudového výrazu „vysoká energia“ pri odkazoch na väzby a namiesto toho sme sa pokúšali opísať biochemické reakcie pomocou špecifickejších pojmov, ako študenti biológie sa nepochybne stretnete s potenciálne zavádzajúcim – aj keď nepochybne užitočným - skratka "vysokoenergetické puto" ako pokračujete v štúdiu. Takže majte na pamäti vyššie uvedené, keď čítate alebo počúvate rôzne diskusie z biológie. Sakra, použi ten výraz sám. Len sa uistite, že skutočne rozumiete tomu, na čo sa vzťahuje.

Obrázok 2. ATP (adenozíntrifosfát) má tri fosfátové skupiny, ktoré je možné odstrániť hydrolýzou za vzniku ADP (adenozíndifosfát) alebo AMP (adenozínmonofosfát).
Autor: Marc T. Facciotti (pôvodné dielo)

Dvojzávitnicová štruktúra DNA

DNA má štruktúru dvojitej špirály (zobrazenú nižšie) vytvorenú dvoma vláknami kovalentne spojených nukleotidových podjednotiek. Cukrové a fosfátové skupiny každého vlákna nukleotidov sú umiestnené na vonkajšej strane špirály a tvoria kostru DNA (zvýraznené oranžovými pásikmi na obrázku 3). Dve vlákna špirály prebiehajú v opačných smeroch, čo znamená, že 5' uhlíkový koniec jedného vlákna bude smerovať k 3' uhlíkovému koncu jeho zodpovedajúceho vlákna (pozri obrázky 4 a 5). Túto orientáciu dvoch reťazcov sme označili ako antiparalelné. Všimnite si tiež, že fosfátové skupiny sú znázornené na obrázku 3 ako oranžové a červené "tyčinky" vyčnievajúce z pásky. Fosfáty sú negatívne nabité pri fyziologických pH, ​​a preto dávajú kostre DNA silný lokálne negatívne nabitý charakter. Naproti tomu dusíkaté bázy sú naskladané vo vnútri špirály (tieto sú znázornené ako zelené, modré, červené a biele tyčinky na obrázku 3). Páry nukleotidov vzájomne interagujú prostredníctvom špecifických vodíkových väzieb (zobrazené na obrázku 5). Každý pár je oddelený od nasledujúceho páru báz v rebríčku o 0, 34 nm a toto úzke stohovanie a rovinná orientácia vedie k energeticky priaznivým interakciám so stohovaním báz. Špecifická chémia spojená s týmito interakciami presahuje obsah Bis2a, ale je tu podrobnejšie opísaná pre zvedavých alebo pokročilejších študentov. Očakávame však, že študenti sú si vedomí toho, že skladanie dusíkatých báz prispieva k stabilite dvojitej špirály a zverili sa doplneniu chemických podrobností vašim učiteľom genetiky a organickej chémie vyššej divízie.

Obrázok 3. Natívna DNA je antiparalelná dvojitá špirála. Fosfátová kostra (označená zakrivenými čiarami) je na vonkajšej strane a základy sú na vnútornej strane. Každá báza z jedného vlákna interaguje vodíkovou väzbou s bázou z opačného vlákna.
Zdroj: Marc T. Facciotti (pôvodné dielo)

V dvojitej špirále sú určité kombinácie párovania báz chemicky výhodnejšie ako iné na základe typov a umiestnení funkčných skupín na dusíkatých bázach každého nukleotidu. V biológii zistíme, že:

Adenín (A) je chemicky komplementárny s tymidínom (T) (A sa páruje s T)

a

Guanín (G) je chemicky komplementárny s cytozínom (C) (G sa páruje s C).

Tento vzor často označujeme ako "základnú komplementaritu" a hovoríme, že antiparalelné vlákna sú komplementárne medzi sebou. Napríklad, ak je sekvencia jedného vlákna DNA 5'-AATTGGCC-3', komplementárne vlákno by malo sekvenciu 5'-GGCCAATT-3'.

Niekedy sa rozhodneme reprezentovať komplementárne dvojzávitnicové štruktúry v texte tak, že komplementárne vlákna na seba naukladáme takto:

5' - GGCCAATTCCATACTAGGT - 3'

3' - CCGGTTAAGGTATGATCCA - 5'

Všimnite si, že každý prameň má svoje 5' a 3' konce označené a že ak by sa kráčalo pozdĺž každého prameňa počínajúc od 5' konca po 3' koniec, smer pohybu by bol pre každý prameň opačný; pramene sú antiparalelné. Bežne hovoríme veci ako „beh od 5 do 3“ alebo „syntetizované z 5 na 3“, aby sme sa odvolali na smer, ktorým čítame sekvenciu alebo smer syntézy. Začnite si zvykať na túto nomenklatúru.

Obrázok 4. Panel A. V dvojvláknovej molekule DNA prebiehajú tieto dve vlákna navzájom antiparalelne, takže jedno vlákno prebieha 5' až 3' a druhé 3' až 5'. Tu sú vlákna znázornené ako modré a zelené čiary smerujúce v orientácii 5' až 3'. Komplementárne párovanie báz je znázornené vodorovnou čiarou medzi komplementárnymi bázami. Panel B. Dva antiparalelné vlákna sú znázornené v dvojzávitnicovej forme. Všimnite si, že orientácia prameňov je stále znázornená. Okrem toho si všimnite, že špirála je pravotočivá - „zákruta“ špirály, znázornená fialovou farbou, sa vinie v smere prstov ruky, ak sa používa pravá ruka a smer špirály smeruje k palcu. Panel C. Toto znázornenie ukazuje dva štrukturálne znaky, ktoré vznikajú spojením dvoch prameňov nazývaných hlavné a vedľajšie drážky. Tieto drážky je možné vidieť aj na obrázku 3.
Zdroj: Marc T. Facciotti (pôvodné dielo)

Obrázok 5. Priblížený pohľad na antiparalelné vlákna v DNA na molekulárnej úrovni. V dvojvláknovej molekule DNA prebiehajú tieto dve vlákna navzájom antiparalelne, takže jedno vlákno prebieha 5' až 3' a druhé 3' až 5'. Fosfátová kostra je umiestnená zvonka a základne sú v strede. Adenín tvorí vodíkové väzby (alebo páry báz) s tymínom a guanín páry báz s cytozínom.
Autor: Marc T. Facciotti (pôvodné dielo)

Funkcie a úlohy nukleotidov a nukleových kyselín, na ktoré treba dávať pozor v Bis2a

Okrem svojich štruktúrnych úloh v DNA a RNA slúžia nukleotidy ako ATP a GTP aj ako mobilné energetické nosiče pre bunku. Niektorí študenti sú prekvapení, keď sa naučia oceniť, že molekuly ATP a GTP, o ktorých diskutujeme v kontexte bioenergetiky, sú rovnaké ako tie, ktoré sa podieľajú na tvorbe nukleových kyselín. Budeme sa tomu venovať podrobnejšie, keď budeme diskutovať o reakciách syntézy DNA a RNA. Nukleotidy tiež hrajú dôležitú úlohu ako kofaktory v mnohých enzymaticky katalyzovaných reakciách.

Nukleové kyseliny, najmä RNA, okrem toho, že sú molekulami na uchovávanie informácií, hrajú v bunkovom procese rôzne úlohy. Niektoré z úloh, na ktoré by ste si mali počas kurzu dávať pozor, zahŕňajú: (a) Riboproteín komplexy - RNA-proteínové komplexy, v ktorých RNA plní katalytickú aj štrukturálnu úlohu. Príklady takýchto komplexov zahŕňajú ribozómy (rRNA), RNázy, komplexy splicesozómov a telomerázu. (b) Úlohy ukladania a prenosu informácií. Tieto úlohy zahŕňajú molekuly ako DNA, messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA). c) Regulačné úlohy. Príklady zahŕňajú rôzne nekódujúce (ncRNA). Wikipedia obsahuje komplexný súhrn rôznych typov známych molekúl RNA, ktoré odporúčame prechádzať, aby ste získali lepší prehľad o veľkej funkčnej rozmanitosti týchto molekúl.

Genómy ako organizačné plány

Genóm, ktorý sa nesmie zamieňať s gnómom, je kompletná zbierka dedičných informácií uložených v DNA organizmu. Rozdiely v informačnom obsahu pomáhajú vysvetliť rozmanitosť života, ktorý vidíme všade okolo nás. Zmeny v informáciách zakódovaných v genóme sú primárnymi hybnými silami fenotypovej diverzity, ktorú vidíme (a niektoré nemôžeme) okolo seba a ktoré sú filtrované prirodzeným výberom, a sú teda hnacou silou evolúcie. To vedie k otázkam. Ak každá bunka v mnohobunkovom organizme obsahuje rovnakú sekvenciu DNA, ako môžu existovať rôzne typy buniek (napr. ako môže byť bunka v pečeni taká odlišná od bunky v mozgu, ak obe nesú rovnakú DNA)? Ako čítame informácie? Ako interpretujeme to, čo čítame? Ako pochopíme, ako všetky „časti“, ktoré identifikujeme v genóme, funkčne súvisia? Ako to všetko súvisí s prejavom vlastností? Ako zmeny v genóme vedú k zmenám vlastností?

Určenie sekvencie genómu

Informácie zakódované v genómoch poskytujú dôležité údaje pre pochopenie života, jeho funkcií, jeho rozmanitosti a jeho vývoja. Preto je logické, že primeraným miestom na začatie štúdia v biológii by bolo čítanie informačného obsahu zakódovaného v príslušnom genóme (genómoch). Dobrým východiskovým bodom je určenie sekvencie nukleotidov (A, G, C, T) a ich organizácie do jednej alebo viacerých nezávisle sa replikujúcich jednotiek DNA (napr. chromozómy a/alebo plazmidy). Viac ako 30 rokov po zistení, že DNA je dedičný materiál, to bol skľučujúci návrh. Koncom osemdesiatych rokov však bol objavený príchod poloautomatických nástrojov na sekvenovanie DNA, čo odštartovalo revolúciu, ktorá dramaticky zmenila spôsob, akým pristupujeme k štúdiu života. O dvadsať rokov neskôr, v polovici 21. storočia, sme vstúpili do obdobia zrýchleného technologického pokroku, v ktorom pokroky v materiálových vedách (najmä pokroky v našej schopnosti robiť veci vo veľmi malom meradle), optike, elektrotechnike a počítačovom inžinierstve, bioinžinierstve, a počítačové vedy sa spojili, aby nám priniesli dramatické zvýšenie našej schopnosti sekvenovať DNA a zodpovedajúcim spôsobom dramatické zníženie nákladov na mnohé pokroky v našej schopnosti sekvenovať DNA. Slávnym príkladom na ilustráciu tohto bodu je porovnanie zmien v nákladoch na sekvenovanie ľudského genómu. Dokončenie prvého návrhu ľudského genómu trvalo takmer 15 rokov a 3 miliardy dolárov. Dnes je možné sekvenovať 10 ľudských genómov za jediný deň na jedinom prístroji za cenu menej ako 1 000 USD (cena a čas sa stále znižujú). Dnes spoločnosti ako Illumina, Pacific Biosciences, Oxford Nanopore a ďalšie ponúkajú konkurenčné technológie, ktoré znižujú náklady a zvyšujú objem, kvalitu, rýchlosť a prenosnosť sekvenovania DNA.

Jedným z veľmi vzrušujúcich prvkov revolúcie sekvenovania DNA je, že si vyžadovala a stále vyžaduje príspevky od biológov, chemikov, vedcov materiálov, elektroinžinierov, strojných inžinierov, počítačových vedcov a programátorov, matematikov a štatistikov, vývojárov produktov a mnohých ďalších. technických odborníkov. Potenciálne aplikácie a dôsledky odblokovania prekážok sekvenovania DNA tiež prinútili investorov, obchodníkov, vývojárov produktov, podnikateľov, etických odborníkov, tvorcov politík a mnohých ďalších, aby hľadali nové príležitosti a premýšľali o tom, ako čo najlepšie a najzodpovednejšie využiť túto rastúcu technológiu. .

Technologický pokrok v sekvenovaní genómu viedol k virtuálnej záplave kompletných sekvencií genómu, ktoré boli určené a uložené do verejne dostupných databáz. Mnohé z nich nájdete v Národnom centre biotechnologických informácií. Počet dostupných, kompletne sekvenovaných genómov sa počíta v desiatkach tisíc – v čase písania tohto článku viac ako 2 000 eukaryotických genómov, viac ako 600 archaálnych genómov a takmer 12 000 bakteriálnych genómov. Prebiehajú desiatky tisíc ďalších projektov sekvenovania genómu. S týmto množstvom genómových sekvencií, ktoré sú k dispozícii - alebo čoskoro budú k dispozícii - sa môžeme začať pýtať veľa otázok o tom, čo vidíme v týchto genómoch. Aké vzory sú spoločné pre všetky genómy? Koľko génov je kódovaných v genómoch? Ako sú tieto organizované? Koľko rôznych typov funkcií môžeme nájsť? Čo robia funkcie, ktoré nájdeme? Ako sa navzájom líšia genómy? Existuje dôkaz, ktorý nám môže povedať, ako sa vyvíjajú genómy? Poďme stručne preskúmať niekoľko z týchto otázok.

Rozmanitosť genómov

Rozmanitosť veľkostí, počtu génov a chromozómov

Začnime skúmaním rozsahu veľkostí genómu. V tabuľke nižšie vidíme vzorku genómov z databázy. Môžeme vidieť, že veľkosť genómov voľne žijúcich organizmov je obrovská. Najmenší známy genóm je zakódovaný v 580 000 pároch báz, zatiaľ čo najväčší je 150 miliárd párov báz – pre porovnanie si pripomeňme, že ľudský genóm má 3,2 miliardy párov báz. To je obrovský rozsah veľkostí. Podobné rozdiely existujú aj v počte génov.

Stôl 1. Táto tabuľka ukazuje niektoré údaje o genóme pre rôzne organizmy. 2n = diploidné číslo. Autor: Marc T. Facciotti (vlastné dieloreprodukované z http://book.bionumbers.org/how-big-are-genomes/)

Preskúmanie tabuľky 1 tiež ukazuje, že niektoré organizmy so sebou nesú viac ako jeden chromozóm. Niektoré genómy sú tiež polyploidný, čo znamená, že uchovávajú viacero kópií podobných, ale nie identických (homológne) kópie každého chromozómu. Diploidný organizmus nesie vo svojom genóme dve homológne kópie (zvyčajne jednu od mamy a jednu od otca) každého chromozómu. Ľudia sú diploidní. Naše somatické bunky nesú 2 homológne kópie 23 chromozómov. Od matky sme dostali 23 kópií jednotlivých chromozómov a od otca 23 kópií, spolu 46. Niektoré rastliny majú vyššiu ploidiu. Napríklad rastlina so štyrmi homológnymi kópiami každého chromozómu sa nazýva tetraploidný. Organizmus s jednou kópiou každého chromozómu sa nazýva haploidný.

Štruktúra genómov

Tabuľka 1 tiež poskytuje informácie o ďalších bodoch záujmu. Napríklad, ak porovnáme genóm pufferfish s genómom šimpanza, všimneme si, že kódujú približne rovnaký počet génov (19 000), ale robia to na výrazne odlišne veľkých genómoch – 400 miliónov párov báz oproti 3,3 miliardám párov báz, v tomto poradí. . To znamená, že genóm pufferfish musí mať medzi svojimi génmi oveľa menší priestor, ako by sa dalo očakávať, že sa nájde v genóme šimpanza. V skutočnosti je to tak a rozdiel v hustote génov nie je pre tieto dva genómy jedinečný. Ak sa pozrieme na obrázok 1, ktorý sa pokúša znázorniť časť ľudského genómu s veľkosťou 50 kb, všimneme si, že okrem oblastí kódujúcich proteín (označených červenou a ružovou farbou) môže byť mnoho ďalších tzv. čítať z genómu. Mnohé z týchto prvkov obsahujú vysoko sa opakujúce sekvencie.

Postava 1. Tento obrázok ukazuje 50-kb segment lokusu ľudského β T-bunkového receptora na chromozóme 7. Tento obrázok znázorňuje malú oblasť ľudského genómu a typy „vlastností“, ktoré možno v genóme čítať a dekódovať, vrátane, ale aj navyše k sekvenciám kódujúcim proteín. Červená a ružová zodpovedajú oblastiam, ktoré kódujú proteíny. Iné farby predstavujú rôzne typy genómových prvkov. Facciotti (vlastné dieloreprodukované z www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Ak sa teraz pozrieme na to, akú časť celého ľudského genómu tvorí každý z týchto typov prvkov (pozri obrázok 2), vidíme, že gény kódujúce proteíny tvoria len 48 miliónov z 3,2 miliardy báz haploidného genómu.

Obrázok 2 Tento graf znázorňuje, ako je veľa párov báz DNA v ľudskom haploidnom genóme rozdelených medzi rôzne identifikovateľné znaky. Všimnite si, že iba malá časť genómu je priamo spojená s oblasťami kódovania proteínov. Facciotti (vlastné dieloreprodukované zo zdrojov uvedených na obrázku)

Keď skúmame frekvenciu opakovaných oblastí oproti oblastiam kódujúcim proteín u rôznych druhov, zaznamenávame veľké rozdiely v oblastiach kódujúcich proteín oproti nekódujúcim oblastiam.

Obrázok 3. Tento obrázok ukazuje 50-kb segmenty rôznych genómov, čo ilustruje vysoko variabilnú frekvenciu opakovania oproti prvkom kódujúcim proteín u rôznych druhov.
Autor: Marc T. Facciotti (vlastné dielo
reprodukované z www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Navrhovaná diskusia

Navrhnite hypotézu, prečo si myslíte, že niektoré genómy môžu mať viac alebo menej nekódujúcich sekvencií.

Dynamika štruktúry genómu

Genómy sa časom menia a ich postupnosť môže zmeniť množstvo rôznych typov udalostí.

1. Mutácie sa hromadia buď počas replikácie DNA, alebo prostredníctvom environmentálnej expozície chemickým mutagénom alebo žiareniu. Tieto zmeny sa typicky vyskytujú na úrovni jednotlivých nukleotidov.
2. Preskupenia genómu opisujú triedu rozsiahlych zmien, ktoré sa môžu vyskytnúť, a zahŕňajú nasledujúce: (a) delécie – kde dochádza k strate segmentov chromozómu; (b) duplikácia – kde sú oblasti chromozómu neúmyselne zdvojené; c) inzercie – vloženie genetického materiálu (všimnite si, že niekedy je získaný z vírusov alebo prostredia a páry delécie/vloženia sa môžu vyskytnúť naprieč chromozómami); (d) inverzie – kde sú oblasti genómu prevrátené v rámci toho istého chromozómu; a (e) translokácie – kde sú segmenty chromozómu translokované (presunuté inde v chromozóme).

Tieto zmeny sa dejú rôznymi rýchlosťami a niektoré sú uľahčené aktivitou enzýmových katalyzátorov (napr. transpozázy).

Štúdium genómov

Porovnávacia genomika

Jednou z najbežnejších vecí, ktoré treba robiť so zbierkou sekvencií genómu, je vzájomné porovnanie sekvencií viacerých genómov. Vo všeobecnosti tieto typy činností zastrešujú oblasť tzv komparatívna genomika.

Porovnanie genómov ľudí, ktorí trpia dedičnou chorobou, s genómami ľudí, ktorí nie sú postihnutí, nám môže pomôcť odhaliť genetický základ choroby. Porovnanie obsahu génov, poradia a sekvencie príbuzných mikróbov nám môže pomôcť nájsť genetický základ, prečo niektoré mikróby spôsobujú choroby, zatiaľ čo ich blízki príbuzní sú prakticky neškodní. Môžeme porovnávať genómy, aby sme pochopili, ako sa mohol vyvinúť nový druh. Existuje veľa možných analýz! Základ týchto analýz je podobný: hľadajte rozdiely vo viacerých genómoch a pokúste sa tieto rozdiely spojiť s rôznymi vlastnosťami alebo správaním v týchto organizmoch.

Nakoniec, niektorí ľudia porovnávajú genómové sekvencie, aby sa pokúsili pochopiť evolučnú históriu organizmov. Výsledkom týchto typov porovnaní je zvyčajne graf známy ako fylogenetický strom, ktorý je grafickým modelom evolučného vzťahu medzi rôznymi porovnávanými druhmi. Toto pole nie je prekvapivo tzv fylogenomika.

Metagenomika: kto niekde žije a čo robí?

In addition to studying the genomes of individual species, the increasingly powerful DNA-sequencing technologies are making it possible to simultaneously sequence the genomes of environmental samples that are inhabited by many different species. This field is called metagenomics. These studies are typically focused on trying to understand what microbial species inhabit different environments. There is great interest in using DNA sequencing to study the populations of microbes in the gut and to watch how the population changes in response to different diets, to see if there is any association between the abundance of different microbes and various diseases, or to look for the presence of pathogens. People are using DNA sequencing of environmental metagenomic samples to explore which microbes inhabit different environments on Earth (from the deep sea, to soil, to air, to hypersaline ponds, to cat feces, to some of the common surfaces we touch every day).

In addition to discovering "who lives where," the sequencing of microbial populations in different environments can also reveal what protein-coding genes are present in an environment. This can give investigators clues into what metabolic activities might be occurring in that environment. In addition to providing important information about what kind of chemistry might be happening in a specific environment, the catalog of genes that is accumulated can also serve as an important resource for the discovery of novel enzymes for applications in biotechnology.