معلومة

ما هي عصور ما قبل التاريخ للأحماض الأمينية في الخلايا؟

ما هي عصور ما قبل التاريخ للأحماض الأمينية في الخلايا؟



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.

كمتابعة لـ لماذا 20 حمض أميني بدلاً من 64؟ وما هو أقل عدد من الأحماض الأمينية المطلوبة للحياة ؟، أحاول فهم عصور ما قبل التاريخ للأحماض الأمينية في الخلايا.

تستخدم جميع الخلايا الحية الآن 20 (أو 22 إذا قمت بتضمين سيلينوسيستين وبيروليزين) من الأحماض الأمينية. ربما كان هناك عدد أقل من الأحماض الأمينية المستخدمة في الخلايا في الماضي ، خاصةً إذا كان من الممكن تصديق نظرية الكودون ثنائي النوكليوتيدات.

هل هناك أي نظرية حول الترتيب الذي تم به دمج هذه الأحماض الأمينية في الخلايا؟

هذه الورقة (بواسطة Akanuma ، Kigawi ، Yokoyama ، "الطفرات التوافقية لتقييد استخدام الأحماض الأمينية في إنزيم إلى مجموعة مخفضة" ، http://www.pnas.org/content/99/21/13549.full) تشير إلى أن لا يعد التكميل الكامل المكون من 20 حمضًا أمينيًا ضروريًا تمامًا عن طريق تقليل عدد الأحماض الأمينية في إنزيم معين إلى 13 ، مع الاحتفاظ بوظائفها.


إدوارد ن. تريفونوف أستاذ في معهد التطور بجامعة حيفا بإسرائيل. أحد الموضوعات البحثية الرئيسية في مجموعته هو إعادة بناء أصول الحياة. في إحدى أوراقه ، الكود الثلاثي من المبادئ الأولى ، اقترح المظهر الزمني للأحماض الأمينية العشرين. هناك الكثير من الفرضيات والتنبؤات القابلة للاختبار ، من بينها نظرية S. Miller بأن بعض المركبات البيولوجية قد تم إنتاجها بطريقة غير حيوية في الغلاف الجوي. تم تأكيد هذا التنبؤ من خلال تجارب التقليد ، حيث تم إنتاج عشرة أحماض أمينية مختلفة ، حيث كان الجلايسين والألانين هما الأحماض السائدة.

يحاول المؤلف التنبؤ بالترتيب الزمني الذي ظهرت به الأحماض الأمينية العشرين من خلال مراعاة المعايير المختلفة (الدراسات والفرضيات ووجهات النظر) التي تقترح بعض الترتيب ، حيث يساهم كل منها في ترتيب الإجماع إلى حد معين. هذه المساهمة موصوفة في شكل رتبة. قام بتجميع قائمة من 60 تصنيفًا من 60 معيارًا مختلفًا لاشتقاق ترتيب الإجماع. بعض المعايير هي:

N1 '. معايير تستند إلى تقييمات مختلفة لتعقيد الأحماض الأمينية. N1 و N34 و N35 و N37 - كما في (5) و N44 (6). G ، A ، S ، P ، V ، C ، D ، T ، N ، L ، K ، I ، E ، (MQ) ، H ، R ، F ، Y ، W

N2 '. معايير تستند إلى تطور التركيبات الأمينية أسيل الحمض الريبي النووي النقال. N2 ، N7 (5). (AG) ، (DFHKNPST) ، (CEILMQRV) ، (WY)

N4 '. معايير تستند إلى تركيبات الأحماض الأمينية لمجموعات مختلفة من البروتينات التي يُفترض أنها قديمة. N4 و N26 (5) و N41 (7) و N45 (8) و N47 (9) و N48 (10) و N58 (11).

الأحماض الأمينية العشرة الأولى (الأقدم) المتوافقة هي نفسها كما في تجارب ميلرز. ظهرت الأحماض الأمينية أخيرًا وقد اقترضت الكودونات الخاصة بها من تلك الموجودة بالفعل. ترتيب الإجماع المشتق هو G ، A ، D ، V ، P ، S ، E ، (L ، T) ، R ، (I ، Q ، N) ، H ، K ، C ، F ، Y ، M ، W.

يقترح المؤلف أيضًا إعادة بناء الترتيب الزمني الذي ظهرت به الكودونات الـ 64.


يكشف نظام الأنسجة النموذجي عن الاتصال الخلوي عبر الأحماض الأمينية

وجد فريق من الباحثين من مستشفى ماساتشوستس العام للهندسة في الطب (MGH-CEM) أول دليل على التواصل من خلية إلى أخرى بواسطة الأحماض الأمينية ، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات ، بدلاً من عوامل إشارات البروتين المعروفة مثل عوامل النمو أو السيتوكينات. سيظهر تقريرهم في عدد قادم من مجلة FASEB وسيتم إصداره على الإنترنت.

يقول روهيت جيندال ، دكتوراه ، زميل ما بعد الدكتوراه في MGH-CEM والمؤلف الرئيسي للصحيفة: "لقد فوجئنا تمامًا". "أشارت التقارير السابقة إلى عوامل نمو مختلفة وبروتينات المصفوفة خارج الخلية التي تفرزها أنواع الخلايا الأخرى في تنظيم سلوك خلايا الكبد ، ولكن على حد علمنا ، هذا هو أول دليل على أن الخلايا يمكن أن تتواصل عن طريق تغيير تركيزات الأحماض الأمينية المحلية."

يصف المؤلفون تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد لأنسجة الكبد يتم فيه دمج خلايا الكبد (خلايا الكبد) في طبقة من الكولاجين ومغطاة بطبقة من الخلايا البطانية - الخلايا التي تبطن الأوعية الدموية ، والتي تتخلل الكبد. في هذا النظام النموذجي ، استعادت خلايا الكبد نشاطها الأيضي أسرع بكثير من النماذج السابقة - في يومين بدلاً من أسبوع أو أكثر. كان الاكتشاف الأساسي هو أن برولين الأحماض الأمينية كان مسؤولاً عن هذا الاسترداد المعزز. تم إفراز البرولين ، وهو لبنة بناء من الكولاجين ، عن طريق الطبقة البطانية لنموذج الكبد ، وتأخذها خلايا الكبد وتستخدم لتخليق الكولاجين الجديد ، مما يؤدي إلى تعافي نشاط خلايا الكبد بشكل أسرع.

"فكرة أن نوع خلية واحد يمكن أن يكون له تأثير عميق على عملية التمثيل الغذائي للخلايا المجاورة عن طريق تغيير تركيز الأحماض الأمينية المحلية فكرة رائعة" يقول مارتن يارموش ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه ، مدير MGH-CEM وكبير مؤلفي الورقة. "الكبد هو المحور المركزي في الجسم للأحماض الأمينية والكربوهيدرات والتمثيل الغذائي للدهون ، ونأمل أن يؤدي فهمنا الأساسي لمثل هذه التفاعلات إلى استراتيجيات للتحكم بشكل أفضل في وظائف الكبد." يارموش هو أستاذ الجراحة والهندسة الحيوية في هيلين أندروس بنديكت بكلية الطب بجامعة هارفارد (HMS).

يضيف المؤلف المشارك ياكوف نحمياس ، دكتوراه ، من MGH-CEM ، "ليس من الواضح حاليًا ما إذا كانت هذه الآلية تحدث في الحيوانات الحية ، لكنها يمكن أن تسهم في إعادة تشكيل الكبد النشطة أثناء نمو الكبد أو تجديده." المؤلفون المشاركون الإضافيون لورقة FASEB Journal هم Arno Tilles ، MD ، و Francois Berthiaume ، دكتوراه ، وكلاهما من MGH-CEM. تم دعم العمل من خلال منح من المعاهد الوطنية للصحة ومستشفيات Shriners للأطفال.

تأسس مستشفى ماساتشوستس العام في عام 1811 ، وهو أكبر مستشفى تعليمي في كلية الطب بجامعة هارفارد. تجري MGH أكبر برنامج بحثي قائم على المستشفيات في الولايات المتحدة ، بميزانية بحثية سنوية تزيد عن 500 مليون دولار ومراكز أبحاث رئيسية في الإيدز والهندسة الحيوية وأبحاث القلب والأوعية الدموية والسرطان والبيولوجيا الحاسوبية والتكاملية وعلم الأحياء الجلدي وعلم الوراثة البشرية ، التصوير الطبي ، الاضطرابات التنكسية العصبية ، الطب التجديدي ، بيولوجيا الأنظمة ، بيولوجيا الزرع والطب الضوئي.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة إلى EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


بعد أن أوضح لويس باستير أن الكائنات الحية ، حتى الكائنات الحية المجهرية ، نشأت مباشرة من الكائنات الحية السابقة ، أصبحت مسألة أصل الكائنات الحية الأولى أكثر أهمية.

من غير المعروف كيف نشأت الحياة - لا توجد آلات زمنية وأحافير الخلايا الأولية إما أنها غير موجودة أو يصعب تفسيرها. حتى لو تولدت الحياة يومًا ما في المختبر من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية ، فلن يكون هناك دليل على أن الكائنات الحية الأولى تطورت من خلال نفس تسلسل التفاعلات الكيميائية. نتيجة لذلك ، لن يتمكن العلم أبدًا من إثبات كيف بدأت الحياة. ومع ذلك ، يمكن للعلماء دراسة السيناريوهات الممكنة في ضوء ظروف الأرض المبكرة وتحديد ما إذا كانت خصائص الخلايا الحديثة تدعم أيًا من النماذج. يتلخص السؤال في هذا: على مدار بضع مئات من ملايين السنين ، هل يمكن أن يكون مجموع جميع التفاعلات الكيميائية التي حدثت على الأرض المبكرة (في محيطاتها ، ومناطق المد والجزر التي تغمرها المياه باستمرار ، وتحت سطحها ، وفتحاتها البركانية ، و حتى في المادة التي كانت تقذفها من الفضاء) تنتج تكتلات معقدة من الجزيئات التي تحقق مستوى التعقيد لأقل أشكال الحياة؟ من الواضح أن الإجابة على هذا السؤال معقدة بسبب الحقائق التي مفادها أن العلماء بدأوا للتو في تقدير مجموعة واسعة من الجزيئات العضوية التي يمكن إنتاجها في غياب الحياة ، وظروف الأرض المبكرة ، والمساهمة في كيمياء الأرض المبكرة. بواسطة الجزيئات الموجودة في المذنبات والنيازك ، إلخ. على الرغم من أنه من السهل بدرجة كافية دراسة أبسط الخلايا الحية اليوم ، فإن هذه الخلايا تمت إزالتها أكثر من 3.5 مليار سنة من الخلايا الأولى ولا ينبغي اعتبارها نماذج لأبسط الكائنات الحية.

هل من الممكن أن تكون الحياة قد تطورت من خلال عمليات طبيعية على أرض هامدة؟ اقترح تشارلز داروين أن الحياة قد نشأت كيميائيًا في بعض البرك الصغيرة الدافئة ، مع وجود جميع أنواع الأمونيا والأملاح الفوسفورية والضوء والحرارة والكهرباء وما إلى ذلك. (لم يقدم هذا الاقتراح علنًا أبدًا ، ربما خوفًا من رد فعل الجمهور عليه.) ​​هناك قدر كبير من الأدلة المتراكمة التي تشير إلى أن العديد من الخطوات المهمة في أصل الحياة يمكن أن تكون قد حدثت من خلال عمليات طبيعية. على الرغم من أن الحياة لم تتولد في المختبر ، فمن غير الواقعي توقع نجاح علماء الكيمياء الحيوية في تكرار جميع التفاعلات الكيميائية التي يمكن أن تحدث على كوكب بأكمله (والنظام الشمسي المحيط ، بالنظر إلى أن القصف خارج الأرض كان يضيف محتوى عضويًا إلى الأرض. ) على مدى مئات الملايين من السنين ، خاصة وأن هذا السؤال لم يخضع إلا للتحقيق التجريبي لمدة خمسين عامًا أو نحو ذلك. إن الاكتشافات التي نتجت بالفعل عن هذا البحث (مثل الخصائص التحفيزية للحمض النووي الريبي) قد قدمت بالفعل مساهمات كبيرة في البيولوجيا الجزيئية والكيمياء العضوية.

على الرغم من أن العلم لا يستطيع في الوقت الحالي الإجابة على سؤال حول ما إذا كانت الحياة قد تطورت (وقد لا تكون قادرة على القيام بذلك) ، إلا أن هناك أسئلة أبسط يمكن طرحها وربما الإجابة عليها.

هل من الممكن أن تكون الجزيئات العضوية (تلك الجزيئات المعقدة للكائنات الحية) قد نشأت من جزيئات غير عضوية بسيطة في غياب الحياة؟ نعم فعلا.

كان يُعتقد أن الجزيئات العضوية موجودة فقط في الكائنات الحية ولديها "روحانية" أو "حيوية" لا يمكن أن تنشأ بدون الحياة (جويس ، 1998). جادل أنصار الحيوية ذات مرة بأن الجزيئات العضوية لا يمكن أبدًا أن تتولد في المختبر ، أو في أي مكان خارج الكائن الحي. لقد ثبت خطأهم. يمكن أن تتشكل الجزيئات العضوية دون وجود حياة في المختبرات وقد تم اكتشاف الجزيئات العضوية في النيازك والمذنبات والعديد من أجسام نظامنا الشمسي (مثل أقمار المشتري كاليستو وجانيميد). بعبارة أخرى ، يمكن العثور على الجزيئات العضوية التي هي مادة الحياة بدون حياة.

أثبتت تجربة Miller- Urey (والتجارب اللاحقة) أن جميع الجزيئات العضوية البسيطة التي تعتمد عليها الحياة يمكن تصنيعها فقط باستخدام غازات الغلاف الجوي البدائي للأرض ومصدر للطاقة. كان من الممكن أن يكون هناك الكثير من الطاقة في الأرض البدائية ، مثل حرارة كوكب شبه مذاب ، وبرق ، وإشعاع شمسي غير مفلتر بطبقة أوزون ، وما إلى ذلك. بمجرد خلط الجزيئات غير العضوية والطاقة ، تم إنتاج الجزيئات العضوية التالية: جميع الأحماض الأمينية توجد في الكائنات الحية (بالإضافة إلى الأحماض الأمينية غير الموجودة في الكائنات الحية) ، وجميع السكريات الأساسية ، وسلائف النوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات اللازمة لتخليق الحمض النووي الريبي النووي والحمض النووي الريبي ، والألدهيدات ، والأحماض الكربوكسيلية ، وغيرها. يمكن أن تشتمل هذه الجزيئات العضوية المركبة في غياب الحياة على نسبة كبيرة من الكربون المتاح. وجد ميلر أنه يمكن دمج ما يصل إلى 10٪ من جميع ذرات الكربون في جزيئات عضوية وما يصل إلى 2٪ يتم دمجها في الأحماض الأمينية. في تحليل نيزكي دعم نتائج تجربة Miller-Urey: أنتج كل من النيزك والتجربة بعض الأحماض الأمينية نفسها وبنفس الكميات النسبية.

هل يمكن أن تتحد هذه اللبنات العضوية الصغيرة لتشكل جزيئات حيوية أكبر في غياب الحياة؟ نعم فعلا.

في الكائنات الحية ، لا يمكن للجزيئات العضوية الصغيرة (المونومرات) أن تعمل وحدها فحسب ، بل يمكنها أن ترتبط ببعضها البعض لتشكل سلاسل طويلة (بوليمرات). هل يمكن أن تنضم المونومرات لتكوين بوليمرات في غياب الحياة؟ نعم فعلا. لا يمكن أن يحدث هذا فقط في المحلول ، فهناك عدد من المحفزات التي يمكنها تسريع هذه التفاعلات. توفر بعض الأسطح المعدنية (الفلسبار ، والكالسيت ، والزيوليت ، والطين) مواقع يمكن أن تندمج فيها الجزيئات العضوية الصغيرة لتكوين أسطح أكبر. تمتص الجزيئات الصغيرة (نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي والأحماض الأمينية) على هذه الأسطح ، وبما أنها قريبة بدرجة كافية من بعضها البعض وفي الاتجاه الصحيح ، فيمكنها الارتباط لتشكيل سلاسل. تم إنتاج بروتينات صغيرة تحتوي على أكثر من 200 حمض أميني وخيوط قصيرة من الحمض النووي والحمض النووي الريبي (يصل طولها إلى 50 نيوكليوتيد) ، ولأن المعادن تساعد على تحفيز تفاعلات البلمرة ، فقد تمت تغطية صخور الأرض المبكرة بسلاسل من عشرات المونومر على الأقل وحدات (جويس ، 1998)

3) هل يمكن للجزيئات أن تتكاثر في غياب الحياة؟ نعم ، إلى حد ما.

تعتمد الكائنات الحية الحديثة على مجموعة معقدة جدًا من الآليات لتكرار شفرتها الجينية من أجل التكاثر. هل يمكن أن يحدث تكاثر الجزيئات البسيطة في غياب الحياة؟ نعم فعلا. يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبي والحمض النووي القصيرة أن تعمل كقوالب وتنسخ نفسها. (أظهر أحد الحمض النووي الريبي نفسه في الواقع ليس فقط قالبًا لنسخه المتماثل ، ولكنه أيضًا محفز لتكاثر الحمض النووي الريبي.) في عام 1996 ، لوحظ أن بروتينًا صغيرًا (يعتمد على بروتين موجود في الخميرة) يكرر نفسه. يمكن أن تتحد الأمينات والإسترات لتشكيل أميد والذي يعمل بعد ذلك كقالب للأمينات والإسترات الأخرى للقيام بنفس الشيء. هناك عدد من الجزيئات العضوية غير الموجودة في الكائنات الحية التي ثبت أنها تتكاثر (خاصة البوليمرات المتجانسة من الفينيل والبوليمرات المشتركة).

4) تستخدم الكائنات الحية أشكالًا معينة من الجزيئات (الإيزومرات الفراغية) وليس غيرها. هل يمكن أن يحدث هذا الاختيار غير العشوائي للأيزومرات الفراغية في غياب الحياة؟ نعم فعلا.

تستخدم الكائنات الحية أحد أشكال الأحماض الأمينية والسكريات (أو الأيزومرات الفراغية) دون الأخرى. هل هناك آليات يمكن أن تنتج مثل هذا التفضيل؟ هناك دليل على أن شكل الأحماض الأمينية الموجودة في الكائنات الحية من المرجح أن يتشكل تلقائيًا ، وهناك طين يسهل تكوين سلاسل بشكل واحد فقط ، والجزيئات العضوية التحفيزية معروفة والتي تنضم فقط إلى الأيزومرات الفراغية المماثلة.

5) هل يمكن أن تشكل الجزيئات العضوية كرات غشائية؟ هل يمكن لهذه الخلايا أن تؤدي بعض الأنشطة التي تؤديها الخلايا؟ نعم فعلا.

الخلايا الحية محاطة بأغشية الخلايا الدهنية. على الرغم من أن الدهون يمكن أن تتشكل في غياب الحياة ، فهل يمكن لمثل هذه الدهون أن تشكل تلقائيًا هياكل شبيهة بغشاء الخلية؟ نعم فعلا. تشكل الدهون في المحلول طبقات متشابهة في التركيب والوظيفة لتلك الموجودة في أغشية الخلايا. في المحلول ، يمكن للدهون أن تشكل كريات تعرف باسم المذيلات ، والميكروبات ، والكرات المجهرية. تشكل محاكاة تكوين الجزيئات العضوية في الجليد بين النجوم للمذنبات (باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية) جزيئات عضوية تتجمع ذاتيًا في مثل هذه الحويصلات. يمكن أن تتراكم هذه الحويصلات الجزيئات العضوية داخل نفسها ، وتزداد في الحجم ، بل وتنقسم بمجرد وصولها إلى حجم معين. إذا كانت الإنزيمات (البروتينات التي تسرع التفاعلات الكيميائية) في هذه القطيرات ، يمكن أن تحدث تفاعلات كيميائية. إذا كانت تحتوي على إنزيم بوليميراز RNA ، يتم أخذ نيوكليوتيدات RNA من البيئة وتجميعها في سلاسل RNA (Zimmer ، 1995). تم العثور على الجزيئات العضوية التي تم جمعها من النيازك لتشكيل هذه الكرات الغشائية في الماء.

6) هل يُظهر الحمض النووي الريبي القدرة على العمل كرمز جيني وتحفيز التفاعلات؟ نعم فعلا.

الخلايا الحديثة معقدة للغاية. على سبيل المثال ، تستخدم الخلايا الحديثة البروتينات لتحفيز تفاعلاتها الكيميائية ، لكن تخليق البروتين يعتمد على الحمض النووي الريبي (RNA) ويعتمد تركيب الحمض النووي الريبي (RNA) على الحمض النووي. بما أن تخليق الحمض النووي نفسه يعتمد على البروتين ، فكيف يمكن للخلايا الأولى أن تعمل بدون ثلاث مجموعات من الجزيئات المعقدة ، DNA ، RNA ، والبروتين؟ من الممكن أن تكون الخلايا الأولى موجودة في عالم RNA لم يكن فيه البروتين والحمض النووي موجودًا. هل يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبي أن تؤدي وظائف البروتينات بينما تعمل في نفس الوقت كأول شفرة جينية؟ في الكائنات الحية الحديثة ، لا يزال الحمض النووي الريبي (RNA) هو الجزيء الوحيد الذي يعمل كنمط وراثي (رمز جيني) ونمط ظاهري (تحديد المظهر الخارجي ، العديد من الحمض النووي الريبي تعمل من تلقاء نفسها ولا يتم تحويلها أبدًا إلى بروتين). هناك عدد من الملاحظات التي تشير إلى أن الحمض النووي الريبي كان الجزيء الوظيفي الأساسي في الخلايا الأولى.

أ) النيوكليوتيدات (بشكل أساسي نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي) لها أدوار متنوعة للغاية في الخلايا

يشير تحليل الخلايا الحديثة إلى أن الحمض النووي الريبي أساسي للعديد من الآليات الخلوية. نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي (المونومرات التي تؤلف سلاسل الحمض النووي الريبي) هي جزيئات أساسية للخلايا الحديثة. الجزيء الذي تستخدمه الخلايا لجميع معاملات الطاقة (ATP) تقريبًا هو نيوكليوتيد RNA مع إضافة مجموعات فوسفات إضافية. بعبارة أخرى ، فإن الطاقة التي تستخدمها في هذه اللحظة لتشغيل تقلصات العضلات ، وضخ الأيونات ، وتحريك الأهداب ، وتسبب انقسام الخلايا ، وما إلى ذلك ، يتم اشتقاقها من ATP ، وهو نيوكليوتيد RNA مع مجموعات فوسفات إضافية. معظم الإنزيمات المساعدة إما نيوكليوتيدات معدلة أو يمكن تصنيعها من النيوكليوتيدات.

ب) يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبي أن تعمل كأنزيمات (كل من تلك الموجودة في الخلايا الحية والتسلسلات المتولدة في غياب الحياة)

على الرغم من أن البروتينات لا غنى عنها في الخلايا الحديثة (على سبيل المثال ، البروتينات التي تسمى الإنزيمات تحفز التفاعلات الكيميائية) ، يمكن العثور على جزيئات الحمض النووي الريبي التي تؤدي العديد من المهام التي تقوم بها البروتينات الحديثة. في مجموعات تسلسلات RNA العشوائية ، يمكن عزل بعض جزيئات RNA التي تؤدي وظائف معينة (مثل تحفيز التفاعلات). تم عزل إنزيمات الحمض النووي الريبي (الريبوزيمات) من هذه التسلسلات العشوائية التي تساعد على نسخ جزيئات الحمض النووي الريبي الموجودة باستخدام نفس التفاعل الذي تستخدمه البروتينات في الخلايا الحديثة. يمكن أن تخضع هذه الريبوزيمات أيضًا لانتقاء طبيعي من الأنواع التي يفضل فيها الباحثون نوعًا معينًا من الريبوزيم وبمرور الوقت أنتجت هذه التسلسلات العشوائية ريبوزيمات أكثر كفاءة يمكنها تحفيز التفاعل أسرع بمئات إلى ملايين المرات من المعدل الملاحظ بدون الريبوزيم (بارتيل ، 1993 رايت ، 1997).

ج) يمكن أن تحفز الريبوزيمات في الخلايا الحديثة مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية

في وقت مبكر من الأرض ، هل يمكن أن تعمل ريبوزيمات RNA في تحويل الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي ، وتحويل الحمض النووي الريبي إلى بروتين ، وتضفير وحدات الترميز الصغيرة لتشكيل رسائل وراثية وظيفية؟ هذه ليست فرضية غير معقولة ، بالنظر إلى أن جزيئات الحمض النووي الريبي في الخلايا الحديثة تؤدي هذه التفاعلات وغيرها. يستمر الحمض النووي الريبي في أداء وظائف متنوعة في الخلايا الحية وهو أكثر نشاطًا في الأنشطة الخلوية التي كان من الممكن أن تكون أقدم (مثل ربط الرسالة الجينية وتخليق البروتينات).

تشمل التفاعلات التي تؤديها جزيئات الحمض النووي الريبي الحديثة المعزولة من الخلايا الحية قطع وتضفير جزيئات الحمض النووي الريبي (spliceosomes ، introns ذاتية التعديل ، Sharp ، 1985 Cech ، 1987 Kruger ، 1982) ، وتمديد نهايات الكروموسومات (تيلوميراز) (بول ، 1997) ، وتعديل الحمض الريبي النووي النقال المستخدم في بناء البروتين (Rnase P) ، وإدخال النوكليوتيدات (Mueller ، 1993) ، وكسر روابط ثلاثي الفوسفات من أجل الطاقة (srp RNA) (Jeffares ، 1998) والطي ، والانقسام ، وتعديل النيوكليوتيدات ، وتجميع الريبوسوم الوحدات الفرعية (snoRNAs Maxwell ، 1995). يحدث تخليق البروتينات ، الذي يمكن القول بأنه أحد أهم العمليات الخلوية ، في الهياكل المعروفة باسم الريبوسومات التي يعمل الحمض النووي الريبي في الواقع بمثابة ريبوزيم (Steitz ، 2003)

د) يمكن أن تحفز الريبوزيمات المتولدة في المختبر مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية

هل يمكن أن تتكاثر الريبوزيمات الاصطناعية؟ نعم و لا. على الرغم من عزل الريبوزيمات التي تؤدي التفاعلات الضرورية في التكاثر الذاتي ، إلا أنها لا تعمل بالمستويات التي تتطلبها السلائف للخلية الحية (Bartel ، 2000). يمكن لـ Ribozymes التعرف على قالب التمهيدي وإرفاق قواعد مجانية بالقالب. تم تحقيق القدرة على ضم نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي إلى مادة أولية بواسطة ريبوزيمات مختلفة ذات بنى مختلفة وخصائص كيميائية حيوية. كانت دقة إضافة القواعد التكميلية 97٪ ويمكن زيادتها إلى 99٪ عن طريق تغيير تركيزات النوكليوتيدات. يمكن أن يمد الريبوزيم التمهيدي بـ 14 نيوكليوتيد (على الرغم من أن الريبوزيم نفسه كان 189 نيوكليوتيد) (McGuiness ، 2003).

في التجارب التي لا تحتوي على خلايا ، يمكن اختيار الريبوزيمات من تسلسلات الحمض النووي الريبي العشوائية التي تحفز التفاعلات الكيميائية مثل تخليق النوكليوتيدات ، وتشكيل روابط الكربون والكربون ، وتشكيل الروابط التي يجب أن تشكلها الريبوسومات الحديثة أثناء تخليق البروتين ، وتشكيل الروابط التي تصنعها الحمض النووي الريبي الحديث ( التي هي بروتينات) تؤدي في تخليق البروتين ، وتشق روابط الفوسفوديستر ، وتعمل مثل RNA ligase ، وتحلل الفوسفات الحلقي المائي ، والفوسفوريلات RNA ، ونقل الفوسفات أنهيدريد ، وإجراء نقل الأسيل ، وتشكيل روابط أميد ، وتشكيل روابط الببتيد ، وتشكيل روابط جليكوسيدية ، وعدد آخر ردود الفعل (Bartel، 2000 Landweber، 1999، Ekland، 1996 Ekland، 1995. Green 1992، Illangasekare، 1995 Lohse، 1996 Tarasow، 1997 Bartel، 1993 Unrau، 1998).

كيف يمكن أن تكتسب الجسيمات الأولية المبكرة جزيئات RNA محفزة إضافية؟ تعد الطفرات مصدرًا للتنوع في الكائنات الحية الحديثة وكان من الممكن أن تولد مجموعة متنوعة من الحمض النووي الريبي في الخلايا المبكرة. في الكائنات الحية الحديثة ، يمكن أن يحدث النقل الجانبي أيضًا حيث يمكن للجينات أن تنتقل من نوع إلى آخر. يمكن تبادل الحمض النووي بين الخلايا الحية ويمكن أن تمتص الخلايا الحية الحمض النووي من بيئتها. تقوم الفيروسات أحيانًا بإدخال أجزاء من الحمض النووي من مضيفها السابق إلى مضيفها التالي.

كانت الأنظمة الجينية المبكرة قد شهدت معدل طفرة مرتفعًا للغاية ومعدل نقل جانبي مرتفع للغاية. ونتيجة لذلك ، فإن الكائنات الحية كما يفهم المصطلح حاليًا لم تكن موجودة لأن الجينات يمكن تبادلها بغض النظر عن النسب. لقد تم اقتراح أن آخر سلف مشترك عالمي للكائنات الحديثة كان أكثر من مجتمع من الخلايا وليس خلية واحدة. قد يكون نقل الجينات الجانبي هو الآلية الأساسية للتطور في هذه الخلايا المبكرة ، بدلاً من النزول مع التعديل (Woese ، 1998).


كيمياء الكم تحل لغز الأحماض الأمينية

تتميز الأحماض الأمينية الثلاثة عشر الأولى بصلابة كيميائية ومستويات طاقة إلكترونية متشابهة جدًا (كما هو موضح في الصورة كدائرة واحدة). أصبحت الأحماض الأمينية الجديدة أكثر نعومة وأكثر فردية أثناء التطور ، وهو ما ينعكس في مستويات الطاقة المتباينة (في الصورة الممثلة كدوائر متعددة متحدة المركز).

باستخدام الأساليب الكيميائية الكمومية ، قام فريق من الباحثين بقيادة الدكتور ماتياس جرانولد والبروفيسور بيرند موسمان من معهد الكيمياء المرضية في جامعة يوهانس جوتنبرج ماينز بحل أحد أقدم الألغاز في الكيمياء الحيوية. لقد اكتشفوا سبب وجود 20 من الأحماض الأمينية التي تشكل أساس كل أشكال الحياة اليوم ، على الرغم من أن أول 13 حمضًا أمينيًا تم توليدها بمرور الوقت كانت كافية لتشكيل ذخيرة شاملة من البروتينات الوظيفية المطلوبة. العامل الحاسم هو التفاعل الكيميائي الأكبر للأحماض الأمينية الأحدث بدلاً من هيكلها المكاني. في نشرهم في المجلة الرائدة PNAS ، افترض الباحثون المقيمون في ماينز أيضًا أن الزيادة في الأكسجين في المحيط الحيوي هي التي أدت إلى إضافة الأحماض الأمينية التكميلية إلى صندوق أدوات البروتين.

تعتمد كل أشكال الحياة على الأرض على 20 حمضًا أمينيًا ، والتي يحكمها الحمض النووي لتشكيل البروتينات. في الحمض النووي الموروث ، تكون دائمًا ثلاث قواعد DNA متسلسلة ، أو أكواد ، والتي تتحد مع & # 8220 ترميز & # 8221 واحد من هذه الأحماض الأمينية العشرين. الشبكة الناتجة من الكودونات هي ما يُعرف بالشفرة الجينية. & # 8220 كان الباحثون في حيرة من أمرهم لعقود من الزمن بسبب اختيار التطور لهذه الأحماض الأمينية العشرين للتشفير الجيني ، & # 8221 قال البروفيسور بيرند موسمان. & # 8220 من الصعب تفسير وجود آخر وأحدث سبعة أحماض أمينية ، لأن البروتينات المناسبة والعملية يمكن تجميعها باستخدام أول وأقدم 10 إلى 13 من الأحماض الأمينية. & # 8221

في نهج جديد ، قارن الباحثون كيمياء الكم لجميع الأحماض الأمينية التي تستخدمها الحياة على الأرض مع كيمياء الكم للأحماض الأمينية من الفضاء ، والتي يتم جلبها على النيازك ، وكذلك مع الجزيئات الحيوية المرجعية الحديثة. ووجدوا أن الأحماض الأمينية الأحدث أصبحت أكثر ليونة بشكل منهجي ، أي أكثر تفاعلًا أو أكثر عرضة للتغيرات الكيميائية. & # 8220 الانتقال من الكيمياء الميتة الموجودة في الفضاء إلى الكيمياء الحيوية الخاصة بنا هنا اليوم تميز بزيادة الليونة وبالتالي تفاعل معزز لبنات البناء ، & # 8221 أوضح موسمان. تمكن الباحثون من التحقق من نتائج حساباتهم النظرية في التجارب البيوكيميائية. يجب أن تكون الجوانب الوظيفية أيضًا قد لعبت دورًا مهمًا فيما يتعلق بالأحماض الأمينية الأحدث حيث أن هؤلاء الوافدين الجدد بالكاد يظهرون مزايا معينة عندما يتعلق الأمر ببناء هياكل البروتين.

ومع ذلك ، ظلت مشكلة سبب إضافة الأحماض الأمينية اللينة إلى صندوق الأدوات في المقام الأول. ما الذي كان من المفترض أن تتفاعل معه هذه الأحماض الأمينية سريعة التفاعل؟ على أساس نتائجهم ، خلص الباحثون إلى أنه تمت إضافة بعض الأحماض الأمينية الجديدة على الأقل ، وخاصة الميثيونين ، والتربتوفان ، والسيلينوسيستين ، نتيجة لزيادة مستويات الأكسجين في المحيط الحيوي. شجع هذا الأكسجين على تكوين الجذور الحرة السامة ، والتي تعرض الكائنات الحية والخلايا الحديثة لضغط مؤكسد هائل. خضعت الأحماض الأمينية الجديدة لتفاعلات كيميائية مع الجذور الحرة وبالتالي تخلصت منها بطريقة فعالة. الأحماض الأمينية المؤكسدة الجديدة ، بدورها ، يمكن إصلاحها بسهولة بعد الأكسدة ، لكنها تحمي الهياكل البيولوجية الأخرى الأكثر قيمة ، والتي لا يمكن إصلاحها ، من التلف الناجم عن الأكسجين. ومن ثم ، فإن الأحماض الأمينية الجديدة زودت الأسلاف البعيدة لجميع الخلايا الحية بميزة بقاء حقيقية للغاية سمحت لهم بالنجاح في عالم جديد أكثر تأكسدًا ، & # 8220brave & # 8221 على الأرض. & # 8220 مع أخذ هذا في الاعتبار ، يمكننا وصف الأكسجين بأنه المؤلف يضيف اللمسة النهائية للشفرة الجينية ، & # 8221 صرح Moosmann.

المنشور: ماتياس جرانولد وآخرون ، & # 8220 التنويع الحديث لمخزون الأحماض الأمينية المدفوع بالأكسجين ، & # 8221 PNAS ، 2018 doi: 10.1073 / pnas.1717100115


ما هي عصور ما قبل التاريخ من الأحماض الأمينية في الخلايا؟ - مادة الاحياء

بنية الخلية ووظيفة أمبير

علم وظائف الأعضاء - العلم الذي يصف كيفية عمل الكائنات الحية والبقاء على قيد الحياة في البيئات المتغيرة باستمرار

مستويات التنظيم:


(المصدر: Hunter and Borg 2003).

المستوى الكيميائي - يشمل جميع المواد الكيميائية (الذرات والأيونات وجزيئات الأمبير) الضرورية للحياة (على سبيل المثال ، الجينات والبروتينات أو ، كما هو موضح أدناه ، جزء صغير - مجموعة الهيم - من جزيء الهيموجلوبين) معًا يشكلون المستوى الأعلى التالي


المصدر: http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH25/FG25_07.JPG


كارل ساجان - كيمياء الحياة

المستوى الخلوي - الخلايا هي الوحدات الهيكلية والوظيفية الأساسية لجسم الإنسان ، وهناك العديد من أنواع الخلايا المختلفة (مثل العضلات والأعصاب والدم وما إلى ذلك)

مستوى الأنسجة - الأنسجة عبارة عن مجموعة من الخلايا تؤدي وظيفة محددة وأنواع الأنسجة الأساسية في جسم الإنسان تشمل الأنسجة الظهارية والعضلية والعصبية والضامة.

مستوى العضو - يتكون العضو من نسجتين أو أكثر تؤدي وظيفة معينة (على سبيل المثال ، القلب والكبد والمعدة وما إلى ذلك)

مستوى النظام - مجموعة من الأعضاء التي لها وظيفة مشتركة هناك 11 جهازًا رئيسيًا في جسم الإنسان ، بما في ذلك الجهاز الهضمي ، والجهاز العصبي ، والغدد الصماء ، والدورة الدموية ، والجهاز التنفسي ، والجهاز البولي ، والتناسلي ، والعضلي ، والليمفاوي ، والهيكل العظمي ، والغلافي.



هيكل الخلية ووظيفتها

نوعان من الخلايا التي تتكون منها جميع الكائنات الحية على الأرض: بدائية النواة وحقيقية النواة. الخلايا بدائية النواة (شاهد هذا الفيديو) ، مثل البكتيريا ، ليس لها "نواة" ، بينما الخلايا حقيقية النواة ، مثل تلك الموجودة في جسم الإنسان ، لديها. لذلك ، الخلية البشرية محاطة بغشاء خلية أو بلازما. يحيط بهذا الغشاء السيتوبلازم (مع العضيات المرتبطة به) بالإضافة إلى النواة.


هيكل البكتيريا النموذجية (بدائيات النوى)
(المصدر: en.wikipedia.org/wiki/Prokaryote).


هيكل خلية حقيقية النواة نموذجية
(المصدر: training.seer.cancer.gov/module_anatomy/unit2_1_cell_functions_1.html)

الخلية ، أو الغشاء البلازمي - يحيط بكل خلية بشرية

  • بنية - 2 من اللبنات الأساسية تشمل البروتين (حوالي 60٪ من الغشاء) والدهون ، أو الدهون (حوالي 40٪ من الغشاء). يُطلق على الشحوم الأولية اسم phospholipid ، وتشكل جزيئات الفوسفوليبيد "طبقة ثنائية الفوسفوليبيد" (طبقتان من جزيئات الفوسفوليبيد). تتكون هذه الطبقة الثنائية لأن طرفي جزيئات الفوسفوليبيد لهما خصائص مختلفة تمامًا: أحدهما قطبي (أو محب للماء) والآخر (ذيول الهيدروكربون أدناه) غير قطبي (أو كاره للماء):
    • المهام يشمل:
      • دعم واستبقاء السيتوبلازم
      • كونه حاجزًا انتقائيًا
        • يتم فصل الخلية عن بيئتها وتحتاج إلى إدخال العناصر الغذائية وإخراج النفايات. يمكن لبعض الجزيئات عبور الغشاء دون مساعدة ، ومعظمها لا تستطيع ذلك. يمكن للماء والجزيئات غير القطبية وبعض الجزيئات القطبية الصغيرة أن تعبر. تخترق الجزيئات غير القطبية بالتحلل الفعلي في طبقة ثنائية الدهون. لا يُسمح بدخول معظم المركبات القطبية مثل الأحماض الأمينية والأحماض العضوية والأملاح غير العضوية ، ولكن بدلاً من ذلك يجب نقلها على وجه التحديد عبر الغشاء بواسطة البروتينات.
        • تعمل العديد من البروتينات في الغشاء على المساعدة في إجراء النقل الانتقائي. تمتد هذه البروتينات عادةً عبر الغشاء بأكمله ، وتتصل بالبيئة الخارجية والسيتوبلازم. غالبًا ما تتطلب إنفاق الطاقة لمساعدة المركبات على التحرك عبر الغشاء


        في قلب الاستجابة المناعية تكمن القدرة على التمييز بين الذات وغير الذات.
        كل خلية من خلايا الجسم تحمل جزيئات مميزة تميزها على أنها "ذات". عادة دفاعات الجسم
        لا تهاجم الأنسجة التي تحمل علامة ذاتية بدلاً من ذلك ، تتعايش الخلايا المناعية بشكل سلمي مع خلايا الجسم الأخرى
        دولة تعرف باسم التسامح الذاتي (المصدر: المعهد الوطني للسرطان).


        المصدر: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookCELL2.html

        • يتكون السيتوبلازم من محلول هلامي ويحتوي على أنابيب دقيقة (تعمل كهيكل خلوي للخلية) وعضيات (تعني حرفياً "أعضاء صغيرة")

        الألياف الثلاثة للهيكل الخلوي والأنابيب الدقيقة باللون الأزرق ، والخيوط الوسيطة باللون الأحمر ، والأكتين باللون الأخضر - تلعب أدوارًا لا حصر لها في الخلية.

        في هذه الخلايا ، تظهر خيوط الأكتين أرجوانية فاتحة ، والأنابيب الدقيقة صفراء ، ونواة زرقاء مخضرة.

        ال هيكل cyotoskeleton يمثل الهيكل العظمي للخلية. مثل الهياكل العظمية التي تمنحنا الاستقرار ، يمنح الهيكل الخلوي خلايانا الشكل والقوة والقدرة على الحركة ، لكنه يفعل أكثر من ذلك بكثير. يتكون الهيكل الخلوي من ثلاثة أنواع من الألياف التي تتقلص وتنمو باستمرار لتلبية احتياجات الخلية: الأنابيب الدقيقة ، والألياف الدقيقة ، وخيوط الأكتين. كل نوع من الألياف يبدو ويشعر ويعمل بشكل مختلف. أنابيب مجهرية يتكون من بروتين قوي يسمى توبولين وهم `` الرافعات الثقيلة '' للهيكل الخلوي. إنهم يقومون بالعمل البدني الشاق المتمثل في فصل الكروموسومات المكررة عندما تنسخ الخلايا نفسها وتعمل كمسارات قوية للسكك الحديدية تنتقل عليها جزيئات ومواد لا حصر لها ذهابًا وإيابًا. كما أنهم يحتفظون بـ ER و Golgi بدقة في أكوام ويشكلون المكون الرئيسي للأسواط والأهداب.

        الميكروفيلامين غير عادية لأنها تختلف اختلافًا كبيرًا حسب موقعها ووظيفتها في الجسم. على سبيل المثال ، تشكل بعض الخيوط الدقيقة أغلفة صلبة ، مثل الأظافر والشعر والطبقة الخارجية من الجلد (ناهيك عن مخالب وقشور الحيوانات). يوجد البعض الآخر في الخلايا العصبية وخلايا العضلات والقلب والأعضاء الداخلية. في كل من هذه الأنسجة ، تتكون الخيوط من بروتينات مختلفة.

        خيوط الأكتين تتكون من سلسلتين من بروتين الأكتين ملتويتين معًا. على الرغم من أن خيوط الأكتين هي أكثر ألياف الهيكل الخلوي هشاشة ، إلا أنها أيضًا الأكثر تنوعًا من حيث الأشكال التي يمكن أن تتخذها. يمكن أن يتجمعوا معًا في حزم ، أو شبكات شبيهة بالويب ، أو حتى مواد هلامية ثلاثية الأبعاد. إنها تقصر أو تطول للسماح للخلايا بالتحرك وتغيير شكلها. تتيح خيوط الأكتين ، جنبًا إلى جنب مع شريك بروتيني يسمى الميوسين ، تقلصات العضلات الضرورية لكل شيء بدءًا من نشاطك في الملعب الرياضي إلى الضربات التلقائية لقلبك. (المصدر: NIGM).


        الحياة الداخلية للخلية (تبدأ الأنابيب الدقيقة في حوالي الساعة 3:20)

        • تحتوي الخلايا أيضًا على نواة يوجد بداخلها الحمض النووي (حمض الديوكسي ريبونوكلييك) في شكل كروماتين (أو كروموسومات أثناء انقسام الخلية) بالإضافة إلى النوى (التي تتكون داخلها الريبوسومات)
        • تشمل العضيات:
          • الشبكة الأندوبلازمية -
            • يأتي في شكلين: سطح أملس وخشن من ER الخام مغطى بالريبوسومات ، سطح ER الأملس ليس كذلك
            • تشمل الوظائف: الدعم الميكانيكي ، والتوليف (خاصة البروتينات بواسطة ER الخام) ، والنقل

              • مجمع جولجي (تحقق من هذه الرسوم المتحركة: http://bcs.whfreeman.com/thelifewire/content/chp04/0402002.html & amp http://www.sinauer.com/cooper5e/animation1002.html) -
                • يتكون من سلسلة من الأكياس المسطحة (أو الصهاريج)
                • تشمل الوظائف: التخليق (لمواد مثل الفوسفوليبيد) ، وتعبئة المواد للنقل (في الحويصلات) ، وإنتاج الجسيمات الحالة.
                  • الجسيمات المحللة (تحقق من هذه الرسوم المتحركة: http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120067/bio01.swf)
                    • المجالات المغطاة بالغشاء التي تحتوي على إنزيمات هضمية قوية
                    • تشمل الوظائف تدمير الخلايا التالفة (وهذا هو سبب تسميتها أحيانًا "بالأكياس الانتحارية") وهضم المواد الملتهمة (مثل البكتيريا)
                      • الميتوكوندريا -
                        • لها غشاء مزدوج: غشاء خارجي وغشاء داخلي معقد للغاية (تحقق من فيديو NSF هذا حول الميتوكوندريا).


                        المصدر: ويكيبيديا

                            • يحتوي الغشاء الداخلي على طيات أو هياكل شبيهة بالجرف تسمى cristae تحتوي على جزيئات أولية تمثل هذه الجسيمات إنزيمًا مهمًا في إنتاج ATP
                            • الوظيفة الأساسية هي إنتاج الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP).

                              • الريبوسومات-
                                • يتكون من الرنا الريباسي (RNA) والبروتين أمبير
                                • يمكن أن تنتشر بشكل عشوائي في جميع أنحاء السيتوبلازم أو تعلق على سطح الشبكة الإندوبلازمية الخشنة
                                • غالبًا ما يتم ربطها معًا في سلاسل تسمى polyribosomes أو polysomes
                                • الوظيفة الأساسية هي إنتاج البروتينات
                                • هياكل أسطوانية مقترنة تقع بالقرب من النواة
                                • تلعب دورًا مهمًا في انقسام الخلايا
                                  • فلاجيلا وأهداب - نتوءات شبيهة بالشعر من بعض الخلايا البشرية
                                    • الأهداب قصيرة نسبيًا ومتعددة (على سبيل المثال ، تلك التي تبطن القصبة الهوائية)
                                    • السوط طويل نسبيًا وعادة ما يكون هناك واحد فقط (مثل الحيوانات المنوية)


                                    الإباضة (شرح دور الأهداب بدءًا من حوالي 1:40)

                                      • الزغابات المعوية - نتوءات غشاء الخلية التي تعمل على زيادة مساحة سطح الخلية (وهو أمر مهم ، على سبيل المثال ، للخلايا التي تبطن الأمعاء)

                                      DNA (حمض الديوكسي ريبونوكلييك) - يتحكم في وظيفة الخلية عن طريق النسخ والترجمة (بمعنى آخر ، عن طريق التحكم في تخليق البروتين في الخلية)

                                      يمتد الحمض النووي المخزن في نواة خلية بشرية واحدة بطول أكثر من ستة أقدام إذا امتد من طرف إلى آخر. يتكون الحمض النووي من أربع وحدات بناء كيميائية تسمى A و C و T و G ، باختصار ، يحتوي الحمض النووي على التعليمات الخاصة بصنع جميع الكائنات الحية. ترتبط اللبنات الأساسية لتشكيل بنية "الحلزون المزدوج" الشهيرة للجزيء ، والتي تسمح بنسخ المعلومات الجينية وتمريرها من جيل إلى آخر. في بعض الأحيان ، يؤدي التعرض للسموم أو خلل في العمليات الخلوية ، من بين أمور أخرى ، إلى حدوث أخطاء في النسخ. توفر مثل هذه التغييرات على مدى فترات زمنية طويلة فرصًا للكائنات الحية للتكيف مع محيط جديد - أو تسبب في موتها. تقوم أجزاء منفصلة من الحمض النووي ، تسمى الجينات ، بتشفير التعليمات الخاصة بصنع البروتينات. تعمل خيل الخلية والبروتينات كمواد هيكلية وهرمونات وإنزيمات وناقلات عصبية بالإضافة إلى العديد من الأدوار الأخرى. (المصدر: NSF).


                                      النسخ


                                      المصدر: http://www.nytimes.com/2003/01/21/science/21RNA.html


                                      من الحمض النووي الريبي إلى تخليق البروتين

                                        • يتم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين من خلال تسلسل الكودونات (مرنا). تتم قراءة الكودونات بواسطة مضادات الكودونات من tRNAs و amp tRNAs ثم تقوم بتوصيل الأحماض الأمينية الخاصة بها.
                                        • الأحماض الأمينية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد (انظر الرسم البياني إلى اليمين)
                                        • عندما تنزلق mRNA عبر الريبوسوم ، تتعرض الكودونات بالتسلسل ويتم تسليم الأحماض الأمينية المناسبة بواسطة الحمض الريبي النووي النقال. وهكذا ينمو البروتين (أو عديد الببتيد) في الطول مع توصيل المزيد من الأحماض الأمينية.
                                        • ثم "تطوي" سلسلة البولي ببتيد بطرق مختلفة لتشكيل جزيء بروتين معقد ثلاثي الأبعاد يعمل إما كبروتين هيكلي أو إنزيم.

                                        مكونات البيئة الخلوية

                                        • تضم 60-90٪ من معظم الكائنات الحية (والخلايا)
                                        • مهم لأنه يعمل كمذيب ممتاز ويدخل في العديد من التفاعلات الأيضية
                                        • توجد في كل من السائل داخل وخارج الخلية
                                        • من أمثلة الأيونات المهمة الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والكلوريد
                                        • حوالي 3٪ من الكتلة الجافة لخلية نموذجية
                                        • يتكون من ذرات الكربون والهيدروجين وأكسجين الأمبير (على سبيل المثال ، الجلوكوز هو C 6 H 12 O 6)
                                        • مصدر مهم للطاقة للخلايا
                                        • الأنواع تشمل:
                                          • السكريات الأحادية (مثل الجلوكوز) - تحتوي معظمها على 5 أو 6 ذرات كربون
                                          • السكريات
                                            • 2 من السكريات الأحادية مرتبطة ببعضها البعض
                                            • تشمل الأمثلة السكروز (يتكون السكاريد النباتي الشائع من السكريات الأحادية الجلوكوز والفركتوز) وأمبير اللاكتوز (أو سكر الحليب وهو ثنائي السكاريد المكون من الجلوكوز وجلاكتوز أحادي السكاريد)
                                            • العديد من السكريات الأحادية مرتبطة ببعضها البعض
                                            • تشمل الأمثلة النشا (عديد سكاريد نباتي شائع يتكون من العديد من جزيئات الجلوكوز) والجليكوجين (عادةً ما يتم تخزينه في الكبد)
                                            • حوالي 40٪ من الكتلة الجافة لخلية نموذجية
                                            • تتكون بشكل كبير من الكربون & amp ؛ الهيدروجين
                                            • عموما غير قابل للذوبان في الماء
                                            • تشارك بشكل أساسي في تخزين الطاقة على المدى الطويل ، وتتمثل الوظائف الأخرى كمكونات هيكلية (كما في حالة الدهون الفوسفورية التي تعد اللبنة الرئيسية في أغشية الخلايا) و "رسل" (هرمونات) تلعب أدوارًا في الاتصالات داخل الخلايا وفيما بينها
                                            • تشمل الفئات الفرعية:
                                              • الدهون الثلاثية - تتكون من جزيء جلسرين واحد + 3 أحماض دهنية (على سبيل المثال ، حمض دهني في الرسم البياني أدناه). تتكون الأحماض الدهنية عادة من سلاسل من 16 أو 18 كربون (بالإضافة إلى الكثير من الهيدروجين).
                                                • الفسفوليبيدات - مجموعة فوسفاتية (-PO4) بدائل لحمض دهني واحد ، وتعتبر هذه الدهون مكونًا مهمًا في أغشية الخلايا
                                                • الستيرويدات - تشمل التستوستيرون والإستروجين والكولسترول
                                                • حوالي 50-60٪ من الكتلة الجافة لخلية نموذجية
                                                • الوحدة الفرعية هي الأحماض الأمينية وترتبط الأحماض الأمينية بروابط الببتيد
                                                • فئتان وظيفيتان = هيكلي (بروتينات جزء من بنية الخلية مثل تلك الموجودة في غشاء الخلية) وإنزيمات أمبير
                                                  • الإنزيمات محفزات. ترتبط الإنزيمات مؤقتًا بواحد أو أكثر من المواد المتفاعلة للتفاعل الذي تحفزه. عند القيام بذلك ، فإنها تقلل من كمية طاقة التنشيط اللازمة وبالتالي تسريع التفاعل (راجع هذه الرسوم المتحركة - كيف تعمل الإنزيمات).

                                                  • انتشار بسيط = صافي حركة مادة من منطقة عالية التركيز إلى منطقة تركيز منخفض (تحقق من هذه الرسوم المتحركة - كيف يعمل الانتشار). يتأثر معدل الانتشار بما يلي:
                                                    • تدرج التركيز
                                                    • منطقة المقطع العرضي التي يحدث من خلالها الانتشار
                                                    • الوزن الجزيئي للمادة
                                                    • المسافة التي يحدث من خلالها الانتشار
                                                    • نشر الميسر= حركة مادة عبر غشاء الخلية من منطقة عالية التركيز إلى منطقة تركيز منخفض (راجع هذه الرسوم المتحركة - كيف يعمل الانتشار الميسر). تتطلب هذه العملية استخدام "الناقلات" (بروتينات الغشاء). في المثال أدناه ، يرتبط جزيء يجند (على سبيل المثال ، أستيل كولين) ببروتين الغشاء. يتسبب هذا في حدوث تغيير في التركيب أو ، بعبارة أخرى ، "فتحة" في البروتين يمكن أن تمر من خلالها مادة (مثل أيونات الصوديوم).
                                                      • النقل النشط = حركة مادة عبر غشاء الخلية من منطقة تركيز منخفض إلى منطقة تركيز عالي باستخدام جزيء ناقل


                                                      النقل النشط: مضخة الصوديوم والبوتاسيوم
                                                      مستخدمة بإذن من جاري كايزر

                                                      مثال على الالتقام الخلوي (بواسطة خلية دم بيضاء تسمى العدلة)

                                                      الموضح هنا هو طريقة واحدة النقل النشط يمكن أن يحدث. في البداية ، يكون بروتين نقل الغشاء (ويسمى أيضًا الناقل) في تكوينه المغلق الذي لا يسمح للركائز أو الجزيئات الأخرى بدخول الخلية أو مغادرتها. بعد ذلك ، المادة التي يتم نقلها (بقع حمراء صغيرة) ترتبط بالناقل في الموقع النشط (أو موقع الربط). بعد ذلك ، في داخل الخلية ، يرتبط ATP (Adenosine TriPhosphate) بموقع آخر على الناقل و phosphorylates (يضيف إحدى مجموعات الفوسفات ، أو -PO4 ، إلى) أحد الأحماض الأمينية التي تشكل جزءًا من الجزيء الحامل . يتسبب هذا الارتباط لمجموعة الفوسفات بالجزيء الحامل في تغيير تكوين (أو تغيير في شكل) البروتين بحيث يتم فتح قناة بين داخل وخارج غشاء الخلية. بعد ذلك ، يمكن أن تدخل الركيزة الخلية. عندما يدخل جزيء واحد من الركيزة ، تخرج مجموعة الفوسفات من الحامل وينغلق الحامل مرة أخرى بحيث لا يمكن لأي جزيئات أخرى المرور عبر القناة. الآن بروتين النقل ، أو الناقل ، جاهز لبدء الدورة مرة أخرى. لاحظ أنه أثناء نقل المواد إلى الخلية ، يتم استخدام ATP ويتراكم ADP و -PO4. يجب تصنيع المزيد من ATP عن طريق تحلل السكر ودورة كريب.

                                                      الأيض الخلوي:

                                                      تتطلب الخلايا طاقة للنقل النشط والتوليف والتوصيل النبضي (الخلايا العصبية) والتقلص (خلايا العضلات) وما إلى ذلك. يجب أن تكون الخلايا قادرة على "التقاط" وتخزين الطاقة وتحرير هذه الطاقة بكميات مناسبة عند الحاجة. مصدر مهم للطاقة للخلايا هو الجلوكوز (C 6 H 12 O 6):

                                                      C 6 H 12 O 6 + O 2 ----------> CO 2 + H 2 O + طاقة

                                                      ومع ذلك ، فإن هذا التفاعل يطلق كميات هائلة من الطاقة (للخلية). لذلك ، تكسر الخلايا الجلوكوز تدريجيًا في سلسلة كاملة من التفاعلات وتستخدم كميات أقل من الطاقة المنبعثة في هذه التفاعلات لإنتاج ATP (Adenosine Triphosphate) من ADP (Adenosine Diphosphate). بعد ذلك ، يمكن للخلايا تحطيم ATP (كما في هذا التفاعل):

                                                      A ---- P ++ P ++ P & lt -----> A ---- P +++ P + P + 7300 سعرة حرارية (لكل مول من ATP ، أو


                                                      منظر حامل ATP / ADP (AAC) من السيتوبلازم ، مع جزيء ADP (الكرات الزرقاء ، المائية ، الحمراء والبيضاء)
                                                      عند المدخل ، جاهز ليتم توجيهه إلى الناقل.
                                                      (مصدر الصورة: عماد تاجخورشيد ويي وانج ، الولايات المتحدة من إلينوي)

                                                      يعمل تبادل ATP و ADP عبر غشاء الميتوكوندريا على تجديد السيتوبلازم باستخدام ATP المُصنَّع حديثًا ويزود الميتوكوندريا بالركيزة ADP من أجل الفسفرة المؤكسدة. يتطلب هذا التبادل جزيء يعرف باسم AAC (ناقل ADP / ATP). AAC هو بروتين غشائي يعمل كباب دوار - ينقل ADP إلى الميتوكوندريا (ليتم تحويله إلى ATP) و ATP من الميتوكوندريا إلى السيتوبلازم (Wang and Tajkhorshid 2008).

                                                      يتم استخدام الطاقة المنبعثة في هذا التفاعل (ATP --- & gt ADP) بواسطة الخلايا للنقل النشط والتوليف والانكماش وما إلى ذلك. تحتاج الخلايا إلى كميات كبيرة من ATP & amp ؛ بالطبع ، يجب أن تصنع المزيد باستمرار. لكن صنع ATP يتطلب طاقة. يؤدي انهيار الجلوكوز إلى إطلاق الطاقة. ولكن ، كيف ، على وجه التحديد ، يتم إطلاق الطاقة في تحلل الجلوكوز المستخدم في صنع ATP؟

                                                      عندما يتم استقلاب الجلوكوز ، يتم إنتاج بعض ATP لأن الطاقة المنبعثة في بعض التفاعلات كافية لتحويل ADP + P إلى ATP (الفسفرة). لكن، يُشتق معظم ATP الناتج من الجلوكوز من الهيدروجين الذي يتم إطلاقه عند استقلاب الجلوكوز. تشكل هذه الهيدروجين جزيئات من NADH و FADH 2 التي ، في الميتوكوندريا ، تستخدم بعد ذلك لصنع ATP.

                                                      في الميتوكوندريا ، تعمل الهيدروجين المرتبطة بـ NADH و FADH 2 عن طريق الإنزيمات التي تسبب إطلاق إلكتروناتها لتكوين أيون الهيدروجين (H +).

                                                      يتم بعد ذلك تمرير الإلكترونات ، في سلسلة من التفاعلات التي تحركها الإنزيمات ، من البروتين إلى البروتين (وتقع هذه البروتينات في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا) فيما يسمى بسلسلة نقل الإلكترون. عندما تحدث تفاعلات نقل الإلكترون هذه ، يتم إطلاق الطاقة التي تُستخدم لضخ أيونات الهيدروجين عبر هذا الغشاء وإلى المنطقة الواقعة بين أغشية الميتوكوندريا. ينتج عن هذا تدرج تركيز يؤدي إلى عودة أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي ، وعلى وجه التحديد ، من خلال إنزيم يسمى سينسيز ATP. يتسبب تدفق أيونات الهيدروجين في تدوير جزيء سينسيز ATP وهذا بدوره يحول ADP + P إلى ATP (تفاعل يسمى الفسفرة). لذا ، فإن ما يحدث في الميتوكوندريا يتضمن نقل الإلكترون (أو الأكسدة وفقدان أو نقل الإلكترون) + الفسفرة ، أو بعبارة أخرى ، الفسفوريلاتيو المؤكسدةن. تنتج الفسفرة المؤكسدة الكثير من الطاقة ، ولكنها تتطلب الهيدروجين (NADH و FADH 2).


                                                      سلسلة نقل الإلكترون الميتوكوندريا. لاحظ أن "سلسلة" التفاعلات التي تحدث مع تحويل NADH إلى NAD + تؤدي إلى نقل ثلاثة أزواج من الهيدروجين (2H +) (سيؤدي ذلك بعد ذلك إلى إنتاج 3 ATP) ، بينما تحدث التفاعلات بعد تحويل ينتج عن FADH 2 إلى FAD نقل ساعتين + (سيؤدي ذلك بعد ذلك إلى إنتاج 2 ATP) (المصدر: ويكيبيديا).

                                                      سينسيز ATP. تظهر قناة البروتون والساق الدوار باللون الأزرق.

                                                      من أين تأتي الهيدروجين (NADH و FADH2)؟

                                                      تحلل السكر ينطوي على انهيار الجلوكوز. تحصل الخلايا على الجلوكوز من الدم. يتم الحفاظ على مستويات الجلوكوز في الدم من خلال تفاعل عمليتين: تكوين الجليكوجين وتحلل الجليكوجين. تكوّن الجليكوجين هو إنتاج الجليكوجين من الجلوكوز ويحدث (بشكل أساسي في الكبد وعضلات الهيكل العظمي) عندما تكون مستويات الجلوكوز في الدم مرتفعة للغاية (على سبيل المثال ، بعد تناول وجبة).

                                                      تحلل الجليكوجين هي العملية العكسية - انهيار الجليكوجين لإطلاق جزيئات الجلوكوز الفردية. يحدث هذا عندما تبدأ مستويات الجلوكوز في الدم في الانخفاض (على سبيل المثال ، بعد عدة ساعات من تناول الوجبة). يميل تفاعل هاتين العمليتين إلى الحفاظ على مستويات الجلوكوز في الدم ثابتة نسبيًا.

                                                      يستخدم الجلوكوز الذي تمتصه الخلايا من الدم لتوليد الطاقة في عملية تسمى تحلل السكر.


                                                      تحلل السكر ودورة كريب (المصدر: ويكيبيديا)

                                                      في الخطوات القليلة الأولى من تحلل الجلوكوز ، يتم تحويل الجلوكوز إلى سكر الفواكه -1،6-ثنائي فوسفات. هذه التفاعلات ، مثلها مثل جميع التفاعلات الكيميائية ، تنطوي على تكوين وكسر الروابط بين الذرات ، وهذا يتطلب طاقة في بعض الأحيان. على الرغم من أن تحلل السكر ، بشكل عام ، يطلق الطاقة ، يجب إضافة بعض الطاقة في البداية لكسر الروابط الضرورية وبدء التفاعلات المنتجة للطاقة. هذه الطاقة تسمى طاقة التنشيط. في الرسم البياني أعلاه ، هناك حاجة للطاقة (أي جزيء ATP) في الخطوتين 1 و 3. لذا ، قبل أن تبدأ تفاعلات تحلل السكر المنتجة للطاقة ، يجب أن تستخدم الخلية جزيئين من ATP.

                                                      الجلوكوز ----> 2 حمض بيروفيك (أو بيروفات) + 2 صافي ATP + 2 NADH

                                                      لذلك ، ينتج تحلل السكر 2 ATP مباشر (ATP يتم إنتاجه مباشرة من التفاعلات التي تحدث أثناء تحلل السكر) و 6 ATP غير مباشر (2 NADH الناتج في تحلل السكر سوف يمر لاحقًا عبر الفسفرة المؤكسدة وينتج 3 ATP لكل جزيء NADH ، أو 6 ATP). وبالتالي ، ينتج تحلل السكر ما مجموعه 8 ATP.

                                                      بعد ذلك تأتي خطوة وسيطة (تسمى نزع الكربوكسيل المؤكسد):


                                                      مستخدمة بإذن من جاري كايزر

                                                      يتم تحويل 2 Pyruvic Acid إلى 2 Acetyl CoA & amp ؛ تنتج هذه التفاعلات جزيئين من NADH. تمر جزيئات NADH من خلال الفسفرة المؤكسدة وتنتج 6 ATP (3 ATP لكل NADH).

                                                      أخيرًا ، يأتي دورة كريبس:

                                                      يمر 2 Acetyl CoA خلال هذه الدورة من التفاعلات وينتج 2 ATP (= GTP في الرسم البياني أعلاه) + 6 NADH + 2 FADH2 بالإضافة إلى نفايات ثاني أكسيد الكربون + الماء. ثم تُستخدم جزيئات NADH الستة لإنتاج 18 ATP (3 ATP لكل NADH) ، و 2 FADH2 تولد الجزيئات 4 أكثر من ATP.

                                                      بشكل عام ، فإن دورة Kreb تنتج 24 ATP (2 مباشر و 22 أمبير غير مباشر).

                                                      الإنتاج الكلي ATP من الجلوكوز = 8 (من تحلل السكر) + 6 (من الهيدروجين الناتج عندما يتم تحويل 2 حمض البيروفيك إلى 2 أسيتيل CoA) + 24 (من دورة كريب) لإجمالي 38:

                                                      مباشر غير مباشر (O.P.) المجموع
                                                      الجلوكوز ----> 2 حمض بيروفيك 2 6 8
                                                      2 حمض بيروفيك ----> 2 أسيتيل CoA 0 6 6
                                                      2 أسيتيل CoA ----> CO2 + H2O 2 22 24

                                                      الإجمالي الكلي = 38 ATP

                                                      الجلوكوز (الكربوهيدرات) ليس المصدر الوحيد للطاقة للخلايا. الدهون (أو الدهون) ، مثل الدهون الثلاثية ، يتم استقلابها أيضًا لإنتاج الطاقة.

                                                      • الجلسرين ----> Glyceraldehyde ----> حمض البيروفيك ----> Acetyl CoA ----> دورة كريب
                                                      • يتم تحويل الأحماض الدهنية إلى جزيئات من Acetyl CoA في عملية تسمى BETA OXIDATION.

                                                      لا ينتج هذا التفاعل الكثير من Acetyl CoA (أو الأسيتات) فحسب ، بل ينتج أيضًا الكثير من الهيدروجين. يمر Acetyl CoA خلال دورة Kreb ، بينما تمر الهيدروجين من خلال الفسفرة المؤكسدة.

                                                      تستخدم البروتينات أيضًا كمصدر للطاقة.

                                                      يتم تقسيم البروتينات أولاً إلى أحماض أمينية. ثم يتم إزالة مكون النيتروجين من الأحماض الأمينية (في تفاعل يسمى DEAMINATION) ، ثم يتم تحويل هذه الأحماض الأمينية المنزوعة الأمين إلى Acetyl CoA الذي يمر عبر دورة Kreb لإنتاج المزيد من ATP.


                                                      مستخدمة بإذن من جاري كايزر


                                                      ما قبل تاريخ الحياة: مبادئ تنظيمية بسيطة بأناقة تظهر في الريبوسومات

                                                      كشف تحليل هياكل الريبوسوم ، الموضح على اليسار ، من أربعة أنواع مختلفة عن تقارب غير عشوائي بين ثلاثة توائم من الحمض النووي الريبي المحتوية على مضادات الكودون والأحماض الأمينية الخاصة بها ، كما هو موضح على اليمين). الائتمان: بإذن من ديفيد جونسون ، معهد سالك للدراسات البيولوجية.

                                                      مع استثناءات قليلة ، تعتمد جميع أشكال الحياة المعروفة على كوكبنا على نفس الشفرة الجينية لتحديد تكوين الأحماض الأمينية للبروتينات. على الرغم من تعدد الفرضيات المختلفة ، إلا أن كيفية تخصيص الأحماض الأمينية الفردية لتركيبات أو أكواد محددة مكونة من ثلاثة أحرف أثناء تطور الشفرة الجينية لا تزال خاضعة للتكهنات.

                                                      أخذ الباحثون تلميحاتهم من بقايا هذا التطور المتروكة في الخلايا الحديثة ، وخلص الباحثون في معهد سالك للدراسات البيولوجية إلى أنه بعد موجتين فقط من "المطابقة" وبعض العبث في اللحظة الأخيرة ، ارتبطت جميع الأحماض الأمينية العشرون المستخدمة بشكل شائع ارتباطًا وثيقًا مع كل منها. الكودونات ، مما يمهد الطريق لظهور البروتينات بتسلسلات وخصائص فريدة ومحددة.

                                                      النتائج التي توصلوا إليها ، والتي سيتم نشرها في الطبعة الإلكترونية الأسبوع المقبل من وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، تقدم أول بيانات في الجسم الحي تسلط الضوء على أصل وتطور الشفرة الجينية.

                                                      يقول المؤلف الرئيسي للدراسة لي وانغ: "على الرغم من أن الخوارزميات أو الرموز المختلفة قد تم اختبارها على الأرجح خلال فترة طويلة من التطور الكيميائي ، إلا أن الشفرة الحديثة أثبتت قوتها لدرجة أنه بمجرد إنشائها ، ولدت شجرة الحياة بأكملها". ، دكتوراه ، أستاذ مساعد في مختبر البيولوجيا الكيميائية والبروتيوميات.

                                                      "لكن عالمية الشفرة تجعل من الصعب جدًا على الباحثين دراسة تكوينها نظرًا لعدم وجود كائنات حية تستخدم رمزًا وراثيًا بدائيًا أو وسيطًا يمكننا تحليله للمقارنة" ، كما يوضح.

                                                      توفر الخلايا مجموعة رائعة من الوظائف التي تغطي جميع احتياجات أجسامنا ، ومع ذلك فإنها تقوم بعدد محدود جدًا من اللبنات الجزيئية. مع استثناءات قليلة ، تستخدم جميع أشكال الحياة المعروفة نفس الأحماض الأمينية العشرين المشتركة - فقط تلك الأحماض العشرين - للحفاظ على الكائنات الحية المتنوعة مثل البشر ، وديدان الأرض ، والإقحوانات الصغيرة ، والعصابات العملاقة.

                                                      يتطابق كل من الأحماض الأمينية العشرين مع الجزيء الحامل الخاص به المعروف باسم نقل الحمض النووي الريبي (الحمض الريبي النووي النقال). أثناء تخليق البروتين ، الذي يتم تنسيقه بواسطة ما يسمى الريبوسومات ، يتم إخراج الأحماض الأمينية واحدة تلو الأخرى عن طريق tRNAs الخاصة بها وإدخالها في سلسلة البروتين المتنامية وفقًا للتعليمات الموضحة في اللغة العالمية للحياة - الشفرة الجينية. تتم "قراءة" الشفرة بمساعدة مضادات الشفرات المضمنة في كل الحمض الريبي النووي النقال ، والتي تقترن بنظيراتها من الكودونات.

                                                      تم طرح العديد من الفرضيات لشرح سبب تخصيص الكودونات بشكل انتقائي لأحماض أمينية معينة. جونسون: "اكتسبت إحدى النظريات ، وهي الفرضية الكيميائية الفراغية ، بعض الزخم عندما تمكن الباحثون من إظهار أن جزيئات البولي نيوكليوتيد القصيرة المحتوية على الكودون أو مضادات الكودون تحب التفاعل مع الأحماض الأمينية الخاصة بكل منها" ، كما يقول طالب الدراسات العليا والمؤلف الأول ديفيد ب.

                                                      إذا كانت التفاعلات الكيميائية أو الفيزيائية بين الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات هي التي دفعت بالفعل إلى تكوين الشفرة الجينية ، حسب رأي جونسون ، فيجب أن يكون قادرًا على العثور على بقايا هذا التقارب المتبادل في الخلايا الحديثة. قام بتكبير الريبوسومات ، وهي مجمعات كبيرة تتكون من حوالي 50 بروتينًا تتفاعل بشكل وثيق مع الريبوسومات RNAs.

                                                      يوضح وانج: "ظهر الريبوسوم أيضًا من مرحلة تطورية مبكرة من الحياة للمساعدة في ترجمة الشفرة الجينية قبل آخر سلف مشترك عالمي" ، وبالتالي من المرجح أن يكون بمثابة أحفورة جزيئية تحافظ على الأدلة البيولوجية. "

                                                      عندما بحث وانج وجونسون في الريبوسومات البكتيرية بحثًا عن بصمات الشفرة الجينية ، وجدوا دليلًا على أن التفاعلات المباشرة بين الأحماض الأمينية ومضادات الكودونات ثلاثية النوكليوتيدات ساعدت في إنشاء أزواج متطابقة. يقول جونسون: "نعتقد الآن أن الشيفرة الجينية تم إنشاؤها على مرحلتين مختلفتين".

                                                      لا تسلط بياناتهم الكثير من الضوء على الكود المبكر ، الذي يتكون من الأحماض الأمينية المتوفرة مسبقًا - النوع الذي تم إنشاؤه في تجربة ستانلي ميلر الشهيرة "الانطلاق". ولكن بمجرد إنشاء بعض آليات الترجمة البدائية ، تمت إضافة أحماض أمينية جديدة إلى المزيج وبدأت في التسلل إلى الشفرة الوراثية بناءً على تفاعلات محددة من الأحماض الأمينية / مضادات الكودون.

                                                      يقول جونسون: "لقد وجدنا دليلًا على أنه تم إعادة تخصيص عدد قليل من الأحماض الأمينية إلى كودون مختلف ، ولكن بمجرد وضع الشفرة ، تم الاستيلاء عليها". "ربما لم يكن أفضل حل ممكن ولكنه الحل الوحيد الذي كان قابلاً للتطبيق في ذلك الوقت."


                                                      ما قبل تاريخ الحياة: مبادئ تنظيمية بسيطة بأناقة تظهر في الريبوسومات

                                                      صورة: كشف تحليل هياكل الريبوسوم ، الموضح على اليسار ، من أربعة أنواع مختلفة عن تقارب غير عشوائي بين ثلاثة توائم من الحمض النووي الريبي المحتوية على مضادات الكودون والأحماض الأمينية الخاصة بها ، كما هو موضح على اليمين). عرض المزيد

                                                      الائتمان: بإذن من ديفيد جونسون ، معهد سالك للدراسات البيولوجية.

                                                      لا جولا ، كاليفورنيا - مع استثناءات قليلة ، تعتمد جميع أشكال الحياة المعروفة على كوكبنا على نفس الشفرة الجينية لتحديد تكوين الأحماض الأمينية للبروتينات. على الرغم من كثرة الفرضيات المختلفة ، إلا أن كيفية تخصيص الأحماض الأمينية الفردية لتركيبات أو أكواد محددة مكونة من ثلاثة أحرف أثناء تطور الشفرة الجينية لا تزال خاضعة للتكهنات.

                                                      أخذ الباحثون تلميحاتهم من بقايا هذا التطور المتروكة في الخلايا الحديثة ، وخلص الباحثون في معهد سالك للدراسات البيولوجية إلى أنه بعد موجتين فقط من "المطابقة" وبعض العبث في اللحظة الأخيرة ، ارتبطت جميع الأحماض الأمينية العشرون الشائعة الاستخدام ارتباطًا وثيقًا مع كل منها. الكودونات ، مما يمهد الطريق لظهور البروتينات بتسلسلات وخصائص فريدة ومحددة.

                                                      النتائج التي توصلوا إليها ، والتي سيتم نشرها في النسخة الإلكترونية الأسبوع المقبل من وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، توفر أول بيانات في الجسم الحي تلقي الضوء على أصل وتطور الشفرة الجينية.

                                                      يقول المؤلف الرئيسي للدراسة لي وانغ: "على الرغم من أن الخوارزميات أو الرموز المختلفة قد تم اختبارها على الأرجح خلال فترة طويلة من التطور الكيميائي ، إلا أن الشفرة الحديثة أثبتت قوتها لدرجة أنه بمجرد إنشائها ، ولدت شجرة الحياة بأكملها". ، دكتوراه ، أستاذ مساعد في مختبر البيولوجيا الكيميائية والبروتيوميات.

                                                      "لكن عالمية الشفرة تجعل من الصعب جدًا على الباحثين دراسة تكوينها نظرًا لعدم وجود كائنات حية تستخدم رمزًا وراثيًا بدائيًا أو وسيطًا يمكننا تحليله للمقارنة" ، كما يوضح.

                                                      توفر الخلايا مجموعة رائعة من الوظائف التي تغطي جميع احتياجات أجسامنا ، ومع ذلك فإنها تقوم بعدد محدود جدًا من اللبنات الجزيئية. مع استثناءات قليلة ، تستخدم جميع أشكال الحياة المعروفة نفس الأحماض الأمينية العشرين المشتركة - وتلك فقط العشرين - للحفاظ على الكائنات الحية المتنوعة مثل البشر ، وديدان الأرض ، والإقحوانات الصغيرة ، والأقحوان العملاقة.

                                                      يتطابق كل من الأحماض الأمينية العشرين مع الجزيء الحامل الخاص به المعروف باسم نقل الحمض النووي الريبي (الحمض الريبي النووي النقال).أثناء تخليق البروتين ، الذي يتم تنسيقه بواسطة ما يسمى الريبوسومات ، يتم إخراج الأحماض الأمينية واحدة تلو الأخرى عن طريق tRNAs الخاصة بها وإدخالها في سلسلة البروتين المتنامية وفقًا للتعليمات الموضحة في اللغة العالمية للحياة - الشفرة الجينية. تتم "قراءة" الشفرة بمساعدة مضادات الشفرات المضمنة في كل الحمض الريبي النووي النقال ، والتي تقترن بنظيراتها من الكودونات.

                                                      تم طرح العديد من الفرضيات لشرح سبب تخصيص الكودونات بشكل انتقائي لأحماض أمينية معينة. جونسون: "اكتسبت إحدى النظريات ، وهي الفرضية الكيميائية الفراغية ، بعض الزخم عندما تمكن الباحثون من إظهار أن جزيئات البولي نيوكليوتيد القصيرة المحتوية على الكودون أو مضادات الكودون تحب التفاعل مع الأحماض الأمينية الخاصة بكل منها" ، كما يقول طالب الدراسات العليا والمؤلف الأول ديفيد ب.

                                                      إذا كانت التفاعلات الكيميائية أو الفيزيائية بين الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات هي التي دفعت بالفعل إلى تكوين الشفرة الجينية ، حسب رأي جونسون ، فيجب أن يكون قادرًا على العثور على بقايا هذا التقارب المتبادل في الخلايا الحديثة. قام بتكبير الريبوسومات ، وهي مجمعات كبيرة تتكون من حوالي 50 بروتينًا تتفاعل بشكل وثيق مع الريبوسومات RNAs.

                                                      يوضح وانج: "ظهر الريبوسوم أيضًا من مرحلة تطورية مبكرة من الحياة للمساعدة في ترجمة الشفرة الجينية قبل آخر سلف مشترك عالمي" ، وبالتالي من المرجح أن يكون بمثابة أحفورة جزيئية تحافظ على الأدلة البيولوجية. "

                                                      عندما بحث وانج وجونسون في الريبوسومات البكتيرية بحثًا عن بصمات الشفرة الجينية ، وجدوا دليلًا على أن التفاعلات المباشرة بين الأحماض الأمينية ومضادات الكودونات ثلاثية النوكليوتيدات ساعدت في إنشاء أزواج متطابقة. يقول جونسون: "نعتقد الآن أن الشيفرة الجينية تم إنشاؤها على مرحلتين مختلفتين".

                                                      لا تسلط بياناتهم الكثير من الضوء على الكود المبكر ، الذي يتكون من الأحماض الأمينية المتوفرة مسبقًا - النوع الذي تم إنشاؤه في تجربة ستانلي ميلر الشهيرة "الانطلاق". ولكن بمجرد إنشاء بعض آليات الترجمة البدائية ، تمت إضافة أحماض أمينية جديدة إلى المزيج وبدأت في التسلل إلى الشفرة الوراثية بناءً على تفاعلات محددة من الأحماض الأمينية / مضادات الكودون.

                                                      يقول جونسون: "لقد وجدنا دليلًا على أنه تم إعادة تخصيص عدد قليل من الأحماض الأمينية إلى كودون مختلف ، ولكن بمجرد وضع الشفرة ، تم الاستيلاء عليها". "ربما لم يكن أفضل حل ممكن ولكنه الحل الوحيد الذي كان قابلاً للتطبيق في ذلك الوقت."

                                                      تم دعم العمل جزئيًا من قبل برنامج Searle Scholar ، وبرنامج Beckman Young Investigator Program ، وجائزة New Innovator Award من المعاهد الوطنية للصحة.

                                                      حول معهد سالك للدراسات البيولوجية

                                                      معهد سالك للدراسات البيولوجية هو أحد المؤسسات البحثية الأساسية البارزة في العالم ، حيث يبحث أعضاء هيئة التدريس المشهورون دوليًا في أسئلة علوم الحياة الأساسية في بيئة فريدة وتعاونية وإبداعية. من خلال التركيز على الاكتشاف وتوجيه الأجيال القادمة من الباحثين ، يقدم علماء Salk مساهمات رائدة لفهمنا للسرطان والشيخوخة والزهايمر والسكري والأمراض المعدية من خلال دراسة علم الأعصاب وعلم الوراثة وبيولوجيا الخلايا والنباتات والتخصصات ذات الصلة.

                                                      تم الاعتراف بإنجازات أعضاء هيئة التدريس بالعديد من الأوسمة ، بما في ذلك جوائز نوبل والعضويات في الأكاديمية الوطنية للعلوم. تأسس المعهد عام 1960 من قبل رائد لقاح شلل الأطفال جوناس سالك ، وهو حاصل على درجة الدكتوراه في الطب ، وهو منظمة مستقلة غير ربحية ومعلم معماري.

                                                      تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة إلى EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


                                                      أحماض أمينية

                                                      يمكن أن يمثل التعرف على الأحماض الأمينية وإيجاد مخططات ودلائل دراسة جيدة تحديًا ، ولكن هناك موارد موثوقة متاحة. تتضمن قائمتنا بعضًا من أفضل المخططات المرجعية وأدلة الدراسة الأكثر تنوعًا لتناسب مجموعة متنوعة من أنماط التعلم والتفضيلات الأخرى.

                                                      سواء كنت مستخدمًا مبتدئًا أو أكثر تقدمًا ، يمكن أن تكون هذه المخططات والأدلة مفيدة في تسريع التعلم واختبار المعرفة التي تمتلكها بالفعل. بالنسبة لأولئك الذين يدرسون في MCAT ، فإن وجود هذه الأدوات تحت تصرفك يمكن أن يساعد في استكمال المواد الأخرى الخاصة بك والتحقق من معرفتك من خلال تقديم المحتوى في نماذج بديلة.


                                                      ما هي عصور ما قبل التاريخ من الأحماض الأمينية في الخلايا؟ - مادة الاحياء

                                                      تم عقد Cell Bio 2020 Virtual & # 8211 ASCB عبر الإنترنت | اجتماع EMBO & # 8211 في الفترة من 2 إلى 16 ديسمبر 2020 وقدم العديد من الأفكار القيمة على الأساس الهيكلي والتطوري للأنظمة البيولوجية. بعد الحضور شخصيًا في عام 2019 (انظر كتابة 2019 هنا) GigaScience حضر عالم البيانات كريس أرميت الاجتماع الافتراضي الشهر الماضي وقدم واحدًا في سلسلة تقارير المؤتمر الخاصة به حول كيفية تعزيز بيولوجيا الخلية لفهمنا للوحدة الأساسية للحياة.

                                                      الجينوم القديم والأصل البشري
                                                      في خطابه الرئيسي بعنوان "الجينوم القديم" ، قدم Svante Pääbo (معهد ماكس بلانك للأنثروبولوجيا التطورية ، لايبزيغ ، ألمانيا ومعهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا ، Onna-son ، اليابان) نظرة عامة رائعة على تطور الإنسان من منظور علم الجينوم. Svante هو أحد المؤسسين الرئيسيين لعلم الأحياء القديمة ، وقد طور فريقه تقنيات مهمة لعزل وتسلسل الحمض النووي المأخوذ من عينات قديمة من الانسان العاقل وأنواع أسلاف الإنسان الأخرى. الاكتشاف الرئيسي من مختبر Svante هو أن خليط من الحمض النووي لإنسان نياندرتال ودينيسوفان موجود في البشر الأحياء اليوم ، وهذا يسلط الضوء على التزاوج بين أجداد البشر وهذه الأنواع الفرعية المنقرضة الآن في عصور ما قبل التاريخ العميقة. كما أوضح سفانتي ، كما الانسان العاقل هاجروا من إفريقيا قبل 100000 عام ، وتزاوجوا مع إنسان نياندرتال ، وهذا ترك بصمة وراثية دائمة في الحمض النووي الجيني للسكان الأوراسيين. في سكان شرق أوراسيا ، نرى مزيدًا من التزاوج مع دينيسوفان - الذي سمي على اسم كهف دينيسوفا في جبال ألتاي في سيبيريا حيث تم اكتشاف هذه الأنواع الفرعية المنقرضة من البشر لأول مرة - وأفاد سفانتي أيضًا أن اثنين من سكان دينيسوفان ساهموا في السكان الآسيويين. كان إنسان نياندرتال ودينيسوفان مرتبطين بسلف مشترك 381-473 كر منذ زمن ، وهذا يسلط الضوء على تعقيد أصل الإنسان.

                                                      في حين أن هذه كانت رؤى رائعة حول الجينوم القديم ، فإن ما وجدته أكثر إثارة للدهشة هو علاقة جينومات أسلاف الإنسان المنقرضة بفهمنا لمرض COVID-19 في الوباء الحالي. من خلال ربط الشدة السريرية لنتائج COVID-19 ببيانات النمط الفرداني ، كان Svante قادرًا على استنتاج أن هناك أليلات متعددة على الكروموسوم 12 ورثتها مجموعات سكان أوراسيا من إنسان نياندرتال تحمي من مرض COVID-19. في المقابل ، هناك العديد من الأليلات الخطرة على الكروموسوم 3 والتي يتم توريثها أيضًا من الإنسان البدائي ، والتي ترتبط بنتائج سريرية أكثر خطورة لـ COVID-19. كما أوضح Svante ، بشكل عام ، فإن النمط الفرداني للمخاطر على الكروموسوم 3 يفوق النمط الفرداني الوقائي للكروموسوم 12 ، وهذا يشير إلى أن مساهمة الإنسان البدائي في الجينوم البشري هي عامل رئيسي في تطور مرض COVID-19 الذي يرتبط بنتائج سيئة. (انظر GigaBlogs الأخيرة حول التنبؤ بنتيجة COVID-19 وسنة COVID قيد المراجعة).

                                                      تطور مرض الشريان التاجي
                                                      في ندوة "النمو والنمط والشكل" ، ألقت كريستي ريد هورس (جامعة ستانفورد) محاضرة رائعة بعنوان "استخدام بيولوجيا الخلية للتطور الجنيني لإبلاغ تجديد الأنسجة وإصلاحها في القلب" والتي قدمت نظرة ثاقبة حول تطور الأوعية الدموية. في الجنين النامي ، هناك خطوات أساسية في تكوين أسرة وعائية خاصة بالأعضاء ، وتشمل هذه تنبت الأوعية الدموية ، والتي تشكل ضفيرة غير ناضجة. يتبع ذلك إعادة تشكيل وتقليم الضفيرة غير الناضجة وتجنيد خلايا العضلات الملساء الوعائية.

                                                      كان يعتقد سابقًا أن تكوين الشريان في الجسم الحي يتطلب تدفق الدم. ومع ذلك ، لاحظ مختبر كريستي وجود علامات شريانية في الضفيرة التاجية قبل تدفق الدم ، والنموذج الجديد الذي تقترحه كريستي هو أن الخلايا الوريدية للقلب النامي تخضع لـ "تبديل مصير الخلية مبكرًا" لإنشاء مجموعة فرعية متميزة قبل الشريان ، و أن خلايا ما قبل الشرايين هذه تهاجر وتتجمع لتشكل الشرايين التاجية. باستخدام تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية ، أظهر مختبر كريستي هذا بشكل مقنع في الماوس حيث يتم التعبير عن جين العلامة سي اكس 40، وهو مؤشر على خلايا ما قبل الشريان ، لوحظ في الضفيرة الوعائية غير الناضجة قبل تدفق الدم.

                                                      ومن هذا المنطلق يصبح السؤال ، ما هو دور جريان الدم في تكوين الشرايين؟ للتحقيق في هذا ، نظر فريق كريستي في دور الجين المسمى داتش 1، وهو أمر ضروري لتطور الشريان التاجي. داتش 1 يتم التعبير عنها في جميع الخلايا البطانية التاجية النامية ، والفئران الناقصة التي تعاني من نقص داتش 1 تطوير شرايين تاجية أصغر ، مما يبرز دور حاسم في هذا النسيج. توسعت كريستي في هذا الأمر من خلال سلسلة أنيقة من تجارب زراعة الخلايا. استجابةً للتدفق الصفحي - الذي ينمذج تدفق الدم في الجنين النامي - تتم محاذاة خلايا ما قبل الشرايين واستطالة في اتجاه التدفق. ومع ذلك، إذا داتش 1 يتم التعبير عنه بشكل مفرط في هذه الخلايا ، وهناك استجابة محسنة للتدفق الصفحي وتهاجر الخلايا قبل الشرايين ضد اتجاه التدفق. الأمر المثير للاهتمام للغاية هو أن كريستي أظهرت أن هذه العملية يمكن ملاحظتها أيضًا في الجسم الحي ، وذلك داتش 1 الإفراط في التعبير في الخلايا البطانية "يحفز الهجرة ضد تدفق الدم في تطوير الأوعية الدموية الشريانية".

                                                      لذلك لماذا هذا مهم؟ مرض الشريان التاجي (CAD) هو السبب الأول للوفاة في جميع أنحاء العالم ، والعامل الرئيسي الذي يساهم في هذه الإحصائية هو نقص التجدد في قلب الثدييات. باستخدام نموذج فأر لاحتشاء عضلة القلب ، تمكنت كريستي من إظهار ذلك الإفراط في التعبير داتش 1 في الخلايا البطانية التاجية يوفر الحماية ضد احتشاء عضلة القلب ويقلل من الوفيات. كما أوضح كريستي ، "الإفراط في التعبير على نطاق واسع داتش 1 يزيد من عدد الشرايين الصغيرة ويحسن نتيجة ما بعد احتشاء عضلة القلب ". من منظور متعدية ، هذا بحث مثير في بيولوجيا الخلية يقدم بعض الأمل في علاج مرض الشريان التاجي.

                                                      التشكل والتحسس الميكانيكي
                                                      في ندوة "التنظيم الديناميكي داخل الخلايا" ، تأثرت بشدة بالعرض الذي قدمه مانويل تيري من اللجنة الفرنسية للطاقات البديلة والطاقة الذرية (CEA ، باريس) حول "الأحاسيس الميكانيكية للأنابيب الدقيقة". مانويل عضو في مختبر CytoMorpho الذي يستخدم صورًا مذهلة لتسليط الضوء على دور الإصلاح الذاتي للأنابيب الدقيقة في الخلايا ، ولعرض التجارب الحديثة التي توضح الخصائص الميكانيكية الحساسة لشبكات الأنابيب الدقيقة. الأنابيب الدقيقة هي بوليمرات من التوبولين ، وفي الخلايا الحية يمكن للمرء أن يلاحظ أن خيوط الأنابيب الدقيقة تنمو وتتقلص باستمرار ، مما يعطي شكلًا للخلايا ويسمح بحركة الخلية. بينما كان معظم الاهتمام ينصب على نهايات الأنابيب الدقيقة الديناميكية للغاية ، كان مانويل سريعًا للإشارة إلى أنه "يمكن أيضًا تبادل ثنائيات التوبولين في خيوط أولية على طول عمود الأنابيب الدقيقة ، وبالتالي إصلاح الأنبوب الدقيق وحمايته من التفكك." كما أوضح مانويل ، "طبقنا تشوهات خاضعة للرقابة على الخلايا الحية ووجدنا أن قوى الضغط يمكنها تثبيت الأنابيب الدقيقة. تسمح هذه العملية لشبكة الأنابيب الدقيقة بالاستشعار والتكيف مع بنيتها لخلايا مجال القوة ، وهي عملية يعتقد منذ فترة طويلة أنها جزء من شبكة الأكتين ". المفهوم الأساسي هنا هو أنه بالإضافة إلى كونها عناصر هيكلية أساسية للخلية ، قد تعمل الأنابيب الدقيقة بالإضافة إلى ذلك مثل الهوائيات الحسية التي تكتشف التغيرات في البيئة داخل الخلايا وخارجها.

                                                      إعادة النظر في نظرية التعايش الداخلي: التعايش الداخلي في العمل
                                                      لقد مر أكثر من 50 عامًا منذ أن نشرت لين مارغوليس ورقتها في بيولوجيا الخلية المنوية "حول أصل الخلايا المخففة" ، والتي اقترحت نظرية حول أصل الخلايا حقيقية النواة التي ذكرت أن العضيات الأساسية ، مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الضوئية والقاعدية أجسام السوط "كانت هي نفسها ذات يوم خلايا حرة (بدائية النواة)" ابتلعتها خلية مضيفة لتشكيل مجتمع من التعايش الداخلي الذي تطور في النهاية إلى عضيات. إن اكتشاف أن الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء لها جينومات تختلف عن النواة ، وأن هذه الجينات والبلاستومات ترتبط ارتباطًا وثيقًا بجينومات α-protobacteria والبكتيريا الزرقاء ، قد قدم دعمًا هائلاً لنظرية التكافل الداخلي بحيث أصبحت مقبولة الآن على نطاق واسع.

                                                      إذن كيف يمكن أن تتطور العضيات من البكتيريا الحرة؟ لقد أثارت اهتمامي حديث جون ماكوتشون (جامعة ولاية أريزونا) بعنوان "من التعايش الداخلي إلى العضيات: التكامل الجيني والبيوكيميائي والبيولوجي الخلوي للبكتيريا في الخلايا المضيفة". كان حديث جون في المجموعة الفرعية "عندما تلتقي فروع شجرة الحياة: التفاعلات الخلوية بين الكائنات الحية" ، واستخدم حشرة نبات النسغ المعروفة باسم "البق الدقيقي" ككائن حي نموذجي لاستكشاف التعايش الداخلي أثناء العمل. كما أوضح جون ، تحصل البق الدقيقي على كل غذائها من عصارة النبات ، لكن هذا يعني أنها تفتقر إلى الأحماض الأمينية الأساسية في نظامها الغذائي. إذن كيف تحصل البق الدقيقي على هذه الأحماض الأمينية الأساسية؟ الحل هو التعايش الداخلي البكتيري ، والذي يمكن أن يولد الأيض الأحماض الأمينية المفقودة التي لا تستطيع البق الدقيقي صنعها لنفسها والتي لا تستطيع الحصول عليها من نظامها الغذائي المحدود للغاية. تشمل هذه التعايشات البكتيرية أنواعًا من تريمبلايا (Betaproteobacteria) و مورانيلا (بكتيريا Gammaproteobacteria). الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو علاقة "الدمية الروسية" بين المتعايشين الداخليين ، حيث يمكن للمرء أن يلاحظ ذلك بالمجهر الإلكتروني مورانيلا يعيش في الداخل تريمبلايا، التي تعيش داخل الخلية المضيفة للبق الدقيقي (انظر الشكل). هذا "تكافل البكتيريا في خلية حشرة" يولد "خليطًا استقلابيًا" يمكن أن يولد أحماض أمينية أساسية ، مثل التربتوفان. أوضح جون أيضًا أن تخليق الببتيدوغليكان منسق بشكل إضافي بطريقة تكافلية. الببتيدوغليكان هو أحد مكونات جدران الخلايا البكتيرية ، ولكنه غير موجود في الخلايا الحيوانية. ومع ذلك ، في البق الدقيقي ، يتحكم جينوم الحشرات المضيفة في تخليق الببتيدوغليكان للمجموعات البكتيرية المتعايشة الداخلية ، وقد اكتسب حتى بعض الجينات الببتيدوغليكان البكتيرية (PG). تعمل هذه الجينومات معًا لإنتاج طبقة ببتيدوغليكان حصريًا في مورانيلا محيط الخلية. وكما أشار جون ، فإن هذا "موازٍ مذهل للفسيفساء الجينية والكيميائية الحيوية الموجودة في العضيات" وهو مثال رائع على التعايش الداخلي في العمل.

                                                      رسم خرائط أطالس أحادية الخلية
                                                      في حديثه بعنوان "رسم خرائط الأطالس أحادية الخلية عبر شجرة الحياة الحيوانية يكشف عن تطور نوع الخلية" ، سلط ألكسندر تاراشانسكي (جامعة ستانفورد) الضوء على منهج رائع لرسم خرائط النسخ الذي يوفر تفاصيل أساسية عن تطور أنواع الخلايا. يسمح تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية (scRNAseq) بإنشاء خرائط شبه كاملة لأنواع الخلايا بسرعة إلى حد ما. ومع ذلك ، كما أوضح ألكساندر ، فإن التطور الجزيئي يطمس أوجه التشابه بين نوع الخلية ، ونتيجة لذلك فإن استخدام التعبير الجيني لرسم خريطة بين أنواع الخلايا للأنواع ذات الصلة البعيدة أمر صعب للغاية. لمعالجة هذه المشكلة ، طور ألكساندر وزملاؤه خوارزمية ذاتية التجميع ، واستخدموا ذلك لرسم خريطة لأنواع الخلايا عبر مسافات تطورية طويلة. هذا النهج & # 8211 الذي يسميه ألكساندر SAMap (رسم خرائط متعدد التجميع ذاتيًا) - قد مكّن تعيين نوع الخلية بين الأسماك والضفادع. كانت إحدى أبرز النتائج التي توصلت إليها هذه الدراسة هي وفرة "الاستبدالات المماثلة" حيث تعرض الجينات الرئيسية في أنواع الخلايا ذات الصلة في الأسماك والضفادع مظهرًا أكثر تشابهًا للتعبير عن نظيرها - وهو الجين الذي تم إنشاؤه بواسطة حدث تكرار الجينات & # 8211 من أخصائي تقويم العظام & # 8211 المشتق من جين سلف مشترك. يسلط هذا الضوء على اللدونة التطورية المتأصلة التي يجب أخذها في الاعتبار عند تحديد أنماط الخلايا في الأنواع ذات الصلة البعيدة.

                                                      بشكل أكثر طموحًا ، استخدم ألكساندر وزملاؤه أيضًا SAMap لتقديم رسم بياني للترابط بين الأنواع لسبعة أنواع تطورية بعيدة - الإسفنج ، الهيدرا ، البلهارسيا ، الدودة المفلطحة ، الزرد ، الضفدع الأفريقي المخلب (Xenopus) ، الفأر - وهذا التحليل الشامل للأنواع حددت عائلات نوع الخلية المرتبطة بكثافة. كما يشرح ألكساندر ، من خلال مقارنة جميع الأنواع السبعة من الإسفنج إلى الفأر ، & # 8220 حددنا عائلات نوع الخلايا المترابطة المشتركة على نطاق واسع عبر الحيوانات ، بما في ذلك الخلايا الجذعية المقلصة ، إلى جانب برامج التعبير الجيني الخاصة بها & # 8221. توفر مقارنة التواقيع الجينية عبر هذه الأنواع إطارًا تطوريًا يسمح لنا بفهم تنوع نوع الخلية عبر شجرة الحياة (انظر GigaBlog الأخير حول التحديثات من تسلسل شجرة الحياة).

                                                      العلاقة الغريبة بين المعززات و TADs
                                                      في ندوة "الجينوم" ، ألقى ليونيد ميرني (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) حديثًا مثيرًا للتفكير بعنوان "Loop Extrusion with Barriers as a Genomic Communication System". استخدم ليونيد بيانات المحاكاة لمساعدتنا على فهم بيانات التقاط تشكل الكروموسوم بدقة الحلقة ، مثل تلك التي تم التقاطها بواسطة Hi-C. يُعد التقاط التشكل الكروموسومي طريقة مستخدمة لتحديد العلاقة المكانية ثلاثية الأبعاد للكروموسومات داخل الخلايا حقيقية النواة ، ويستخدم تشابك الفورمالديهايد للكروماتين لالتقاط لقطة للعلاقة المكانية بين المواقع الصبغية. ثم يتم هضم الحمض النووي الجينومي باستخدام إنزيم تقييد ، وبالنسبة لـ Hi-C ، يتم ترتيب الأجزاء المتسلسلة. تمثل الأجزاء المتصالبة المجاورة مكانيًا مناطق جينومية ذاتية التفاعل تُعرف بالمجالات المرتبطة طوبولوجيًا (TADs) ، ويمكن تصورها باستخدام خريطة تقارب ثنائية الأبعاد. غالبًا ما يتم إثراء المناطق الحدودية لـ TAD في بروتين رابط العازل CTCF (عامل ربط CCCTC) ، ويعتقد أن هذه العناصر العازلة تعمل على تحسين دقة تفاعلات المحسن والمروج ،

                                                      باستخدام البيانات المحاكاة ، ساعدنا ليونيد في تفسير خرائط القرب ثنائية الأبعاد بدقة أكبر. باستخدام هذا النهج ، أوضح ليونيد أن بثق حلقة الكروموسومات - المعروف أنه يتم التوسط فيه بواسطة cohesin & # 8211 يضغط الحمض النووي محليًا ، لكن هذا غير كافٍ لتوليد TADs ، والحواجز العازلة CTCF مطلوبة أيضًا لتوليد TADs في هذه المحاكاة. عند تقديم الحواجز العازلة لـ CTCF ، عند تقديمها إلى البيانات المحاكاة ، تولد بقوة TADs مع جهات اتصال ضيقة النطاق تولد "أقنعة" أكثر وضوحًا في خرائط القرب ثنائية الأبعاد.ومع ذلك ، حتى في البيانات المحاكاة ، فإن هذه الحواجز المعزولة ليست مطلقة ، ودعا ليونيد إلى توخي الحذر حيث يتم تفسير المجالات داخل TAD على أنها مجالات صبغية حيث يلاحظ المرء احتمالية متزايدة للتفاعل بين موقع وآخر.

                                                      إذن في الأنظمة الحية ، ماذا يحدث عند إزالة حدود TAD؟ في ندوة "الجينوم" ، تناولت ويندي بيكمور (وحدة الجينات البشرية في MRC ، معهد علم الوراثة والطب الجزيئي ، إدنبرة) هذا السؤال بالذات في حديثها بعنوان "دور القرب المكاني في تنظيم الجينوم". بالتعاون مع Bob Hill و Laura Lettice & # 8211 ومقرها أيضًا في MRC Human Genetics Unit & # 8211 ، سلط Wendy الضوء على عواقب إزالة حدود TAD التي تغلف محسن ZRS & # 8211 محسن بعيد المدى المسؤول الوحيد عن صه التعبير في الطرف - و صه المروجين. حذف موقع CTCF 1 (ΔCTCF1) & # 8211 الذي يحدد حدود TAD 3 'من صه - نتج عنه صه يفقد الموقع التفاعلات مع بقية جهاز TAD الخاص به. وقد لوحظ هذا باستخدام مقايسة التشكل الكروموسوم (5C) وأكد باستخدام FISH. شوهدت ملاحظات مماثلة لحذف مواقع CTCF الإضافية (ΔCTCF2 ، ΔCTCF3) ، وكان من المفترض أن حذف حواجز CTCF العازلة سيكون له تأثير ضار على سوء التنظيم صه التعبير الجيني في الطرف ، وربما يؤدي إلى تشوهات في الأطراف مشابهة لما لوحظ عند تحور موضع محسن ZRS في الفأر. والمثير للدهشة أن حذف مواقع CTCF لم يكن له تأثير على التعبير الجيني في الطرف ، ولم يتسبب في أي عيوب في نمو الأطراف. كما أوضح ويندي ، "لا تؤدي حدود TAD المعدلة بالضرورة إلى اضطراب وظيفة المُحسِّن" والسبب في ذلك غير مفهوم حاليًا ، ولكن هذا المشروع الرائع يسلط الضوء على فجوة في معرفتنا بالعلاقة الغريبة بين المُحسِنات و TADs.

                                                      من المقرر عقد اجتماع ASCB العام المقبل في 11-15 ديسمبر 2021 في سان دييغو.

                                                      كريس ارميت

                                                      أنا عالم أحياء تنموي ولدي اهتمام كبير بمعلوماتية الصور والتصوير ثلاثي الأبعاد. درست علم الأحياء التنموي (بكالوريوس) وعلم الأمراض (دكتوراه) في جامعة إدنبرة ، وواصلت بحثي في ​​"المعمل الرطب" كعالم ما بعد الدكتوراه في المعهد الهولندي للسرطان ، أمستردام. عند عودتي إلى اسكتلندا ، انتقلت إلى "المعمل الجاف" وواصلت مسيرتي المهنية في التصوير ثلاثي الأبعاد و Transcriptomics ، والتي تضمنت دورة ماجستير في التصوير الفوتوغرافي مكثفة في التصوير ثلاثي الأبعاد والرسومات ثلاثية الأبعاد في استوديو التصميم الرقمي المرموق التابع لمدرسة غلاسكو للفنون. من بين المناصب التي شغلتها ، محرر أول في مشروع Edinburgh Mouse Atlas ، ونائب محرر أول لمشروع GUDMAP الممول من NIH / NIDDK. أنا مقيم في إدنبرة حيث أعمل عن بعد كعالم بيانات لمجلة البيانات الكبيرة GigaScience.


                                                      تجارب بارزة في علم الأحياء الجزيئي

                                                      تعتبر التجارب البارزة في البيولوجيا الجزيئية بشكل نقدي التجارب الخارقة التي شكلت نقاط تحول رئيسية في ولادة وتطور البيولوجيا الجزيئية. أرست هذه التجارب أسس البيولوجيا الجزيئية من خلال الكشف عن اللاعبين الرئيسيين في آلية الوراثة ومعالجة المعلومات البيولوجية مثل الحمض النووي الريبي ، والحمض النووي الريبي ، والريبوزومات ، والبروتينات. تجمع التجارب البارزة في البيولوجيا الجزيئية بين المسح التاريخي لتطور الأفكار والنظريات والملفات الشخصية للعلماء البارزين مع التحليل العلمي والتقني المفصل.


                                                      شاهد الفيديو: ORIGIN Arabic (أغسطس 2022).