Informacija

Metabolizmo ir ląstelių organizavimo ryšys/skirtumas

Metabolizmo ir ląstelių organizavimo ryšys/skirtumas


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.

Pabrėžtoje NCERT vadovėlio pastraipoje jie mini, kad ląstelių organizacija yra esminė gyvybės formų savybė, o metabolizmas be išimties taip pat yra esminė gyvybės formų savybė. Abejoju, ar terminas „metabolizmas“ taip pat apima medžiagų apykaitos reakciją in vitro būklė taip pat arba metabolizmas reiškia tik visas chemines reakcijas, vykstančias ląstelė neįskaitant in vitro sąlyga. Jei tai, ką aš turiu galvoje, yra tiesa, ar ląstelių organizavimas ir medžiagų apykaita reiškia tą patį? Bet vėlgi, jei abu yra tas pats dalykas, medžiagų apykaita taip pat turėtų būti lemiama gyvybės formų savybė, bet taip nėra, kaip minėta mano vadovėlyje. Taigi tai reiškia, kad medžiagų apykaita ir ląstelių organizavimas yra skirtingi dalykai. Ar tai teisinga?


Atrodo, kad šioje pastraipoje daromas skirtumas tarp „visų ląstelių reakcijų sumos“ ir „kai kurių izoliuotų reakcijų, vykstančių ląstelėse“. Pirmasis yra „metabolizmas“ ir vienas iš svarbiausių gyvenimo bruožų; pastarosios yra „medžiagų apykaitos reakcijos“ ir gali vykti mėgintuvėlyje, o jei taip, jos nedera tarp gyvo/negyvo skirtumo (pastraipoje kalbama apie „ne gyvus daiktus“, o apie „tikrai gyvas reakcijas“, o tai yra vienas iš būdų kaip iliustruoti painiavą, manau).

Kalbant apie tai, ar „medžiagų apykaita“ ir „ląstelių struktūra“ yra tas pats dalykas, manau, ne tiek svarbu, kad jie tiesiogine prasme yra tas pats dalykas, bet iš tikrųjų jų negalima atskirti, ar ne. Ląstelių struktūra yra pagamintas pagal "visos cheminės reakcijos ląstelėje" ir "visos cheminės reakcijos ląstelėje" tarpininkauja ląstelių struktūra. Tai šiek tiek panašu į bandymą atskirti „lenktynes“ nuo „žmonių, bėgančių lenktynėse“. In vitro gali įvykti viena ar dvi metabolinės reakcijos, bet jei taip nutiko Visi jie mėgintuvėlyje, taip pat kaip ir ląstelėje, turėtumėte ląstelę.

Žinoma, realybė yra tokia, kad nėra vieno visa apimančio „gyvenimo“ apibrėžimo, todėl nemėginkite per daug iškrapštyti dalykų. Metabolizmas yra svarbus, nes jis leidžia gyviems daiktams daryti tai, ką daro gyvos būtybės, termodinamine prasme. Ląstelių struktūra yra svarbi, nes tai yra būdas, kuriuo visi gyvi dalykai vykdo savo medžiagų apykaitą, ir, be abejo, tai yra būtinas reikalavimas, kad vyktų medžiagų apykaita (yra argumentų, kodėl jums reikia, pavyzdžiui, mažos erdvės, uždarytos membrana). Kiti dalykai taip pat svarbūs, pavyzdžiui, dauginimasis (ir kita beveik visuotinė gyvybės ypatybė, kuri yra esminis dalykas, kurį daro gyvi daiktai ir leidžianti Darvino evoliucijai), priklausomybė nuo Darvino evoliucijos (nes tai yra procesas, dėl kurio gyvenimas yra optimizuojamas taip, kaip yra, ir sugebėti daryti tai, ką daro iš pradžių), pajusti aplinką ir į ją reaguoti (visa tai apie „ką daro gyvenimas“, na, tai yra universalūs dalykai, kuriuos daro gyvenimas)... Tai reiškia, kad galite ginčytis. Pavyzdžiui, virusai, kuriuos jūsų vadovėlis pavadins „negyvais“, nes jie neturi medžiagų apykaitos ar ląstelių struktūros, tačiau kai kurie kiti gali vadinti „gyvaisiais“, nes jie turi genetinę informaciją, dauginasi, yra pavaldūs Darvino evoliucijai ir dalijasi bendras protėvis su visa kita žinoma gyvybe. Etiketės yra mažiau svarbios nei funkcijos, apie kurias kalbama vienu metu. Tikiuosi, kad jūsų vadovėlyje kažkada bus kažkas panašaus.


Ląstelė (biologija)

The ląstelė (iš lotynų kalbos cella, reiškiantis „mažas kambarys“ [1] ) yra pagrindinis struktūrinis, funkcinis ir biologinis visų žinomų organizmų vienetas. Ląstelės yra mažiausi gyvybės vienetai, todėl dažnai vadinami „gyvybės statybiniais blokais“. Ląstelių tyrimas vadinamas ląstelių biologija, ląstelių biologija arba citologija.

Ląstelės susideda iš citoplazmos, uždarytos membranoje, kurioje yra daug biomolekulių, tokių kaip baltymai ir nukleino rūgštys. [2] Dauguma augalų ir gyvūnų ląstelių matomos tik pro šviesos mikroskopą, kurių matmenys yra nuo 1 iki 100 mikrometrų. [3] Elektroninė mikroskopija suteikia daug didesnę skiriamąją gebą ir parodo labai detalią ląstelių struktūrą. Organizmai gali būti klasifikuojami kaip vienaląsčiai (sudaryta iš vienos ląstelės, tokios kaip bakterijos) arba daugialąsčiai (įskaitant augalus ir gyvūnus). [4] Dauguma vienaląsčių organizmų priskiriami mikroorganizmams.

Ląstelių skaičius augaluose ir gyvūnuose įvairiose rūšyse skiriasi. Apskaičiuota, kad žmonėse yra maždaug 40 trilijonų (4 × 10 13 ) ląstelių. [a] [5] Žmogaus smegenyse yra apie 80 milijardų šių ląstelių. [6]

1665 m. ląsteles atrado Robertas Hukas, pavadinęs jas dėl panašumo į vienuolyno ląsteles, kuriose vienuolyne gyveno krikščionių vienuoliai. [7] [8] Ląstelių teorija, kurią 1839 m. pirmą kartą sukūrė Matthias Jakob Schleiden ir Theodor Schwann, teigia, kad visi organizmai susideda iš vienos ar daugiau ląstelių, kad ląstelės yra pagrindinis visų gyvų organizmų struktūros ir funkcijos vienetas ir kad visos ląstelės yra iš jau egzistuojančių ląstelių. [9] Ląstelės Žemėje atsirado mažiausiai prieš 3,5 milijardo metų. [10] [11] [12]


Ką reikia žinoti apie metabolizmą ir homeostazę

Metabolizmas susideda iš dviejų priešingų procesų: anabolizmo ir katabolizmo. Anabolizmas – tai visuma sintezės reakcijų, kurios paprastesnius junginius paverčia organinėmis molekulėmis, kurios paprastai sunaudoja energiją. Katabolizmas – tai visuma reakcijų, kurios suskaido organines molekules į paprastesnes ir ne tokias sudėtingas medžiagas, kurios paprastai išskiria energiją. Katabolizmo metu išsiskirianti energija gali būti naudojama gyvybiniams organizmo procesams, įskaitant anabolizmą.

Homeostazės apibrėžimas

3. Kas yra homeostazė? Kokie yra homeostazės jutikliai, valdikliai ir efektoriai?

Homeostazė apima procesus, kurių metu organizmas palaiko tinkamas vidines ir ekstraląstelines sąlygas, kad medžiagų apykaita galėtų vykdyti įprastas reakcijas.

Homeostatiniai jutikliai yra struktūros, aptinkančios aplinkos informaciją kūno viduje ir išorėje. Šie jutikliai gali būti nervų receptorių ląstelės, citoplazminiai ar membraniniai baltymai arba kitos specializuotos molekulės. Valdikliai yra struktūros, atsakingos už informacijos, gautos iš jutiklių, apdorojimą ir interpretavimą. Apskritai valdikliai yra specializuoti centrinės nervų sistemos regionai. Tačiau jie taip pat egzistuoja molekuliniame lygmenyje, kaip ir DNR, molekulės, kuri gali gauti informaciją iš baltymų, kad slopintų arba padidintų tam tikrų genų ekspresiją. Efektoriai yra elementai, kuriems vadovauja kontrolieriai, kurių funkcija yra atlikti veiksmus, kurie iš tikrųjų reguliuoja ir palaiko kūno pusiausvyrą, įskaitant raumenis, liaukas, ląstelių organelius ir kt., taip pat struktūras, kurios dalyvauja genetiniame vertime, gamyboje. baltymų ir kt.,  molekuliniu lygmeniu.

4. Kaip antagonistiniai mechanizmai sukuria homeostatinį reguliavimą?

Homeostatinis organizmo palaikymas dažniausiai vyksta naudojant kintamus antagonistinius kompensacinius mechanizmus. Kai kurie iš šių reguliatorių sumažina pH, o kiti jį padidina. Be to, yra efektorių, kurių funkcija yra padidinti kūno temperatūrą ir kitų, kurie ją mažina. Taip pat yra hormonų, kurie mažina, pavyzdžiui, gliukozės kiekį kraujyje, ir kitų, kurie padidina gliukozės kiekį. Antagonistinių mechanizmų naudojimas yra evoliucinė strategija, skirta išspręsti pusiausvyros organizme palaikymo problemą.

Pasirinkite bet kurį klausimą ir bendrinkite jį FB arba Twitter

Tiesiog pasirinkite (arba dukart spustelėkite) klausimą, kurį norite bendrinti. Meskite iššūkį savo Facebook ir Twitter draugams.


6.1 Energija ir medžiagų apykaita

Šiame skyriuje išnagrinėsite šiuos klausimus:

  • Kas yra medžiagų apykaitos keliai?
  • Kuo skiriasi anaboliniai ir kataboliniai keliai?
  • Kaip cheminės reakcijos atlieka energijos perdavimą?

Ryšys su AP ® kursais

Visoms gyvoms sistemoms, nuo paprastų ląstelių iki sudėtingų ekosistemų, reikia laisvos energijos ląstelių procesams, tokiems kaip augimas ir dauginimasis, vykdyti.

Organizmai sukūrė įvairias strategijas, skirtas laisvajai energijai užfiksuoti, kaupti, transformuoti ir perduoti. Ląstelės metabolizmas reiškia joje vykstančias chemines reakcijas. Kai kurios metabolinės reakcijos apima sudėtingų molekulių skaidymą į paprastesnes, kai išsiskiria energija (katabolizmas), o kitoms metabolinėms reakcijoms reikia energijos sudėtingoms molekulėms sukurti (anabolizmas). Pagrindinis šių būdų pavyzdys yra gliukozės sintezė ir skilimas.

Šiame skyriuje pateiktas turinys palaiko mokymosi tikslus, išdėstytus toliau pateiktose AP ® biologijos mokymo programos pagrindų 1 didžiojoje idėjoje ir 2 didžiojoje idėjoje. AP ® mokymosi tikslai sujungia esminių žinių turinį su viena ar daugiau iš septynių mokslo praktikų. Šie tikslai sudaro skaidrų AP ® biologijos kurso pagrindą, taip pat apklausomis pagrįstą laboratorinę patirtį, mokomąją veiklą ir AP ® egzamino klausimus.

Didelė idėja 1 Evoliucijos procesas skatina gyvenimo įvairovę ir vienybę.
Patvarus supratimas 1.B Organizmus sieja kilmės linijos iš bendrų protėvių.
Esminės žinios 1.B.1 Organizmai turi daug konservuotų pagrindinių procesų ir savybių, kurios išsivystė ir yra plačiai paplitusios tarp organizmų šiandien.
Mokslo praktika 3.1 Studentas gali kelti mokslinius klausimus.
Mokymosi tikslas 1.14 Studentas geba kelti mokslinius klausimus, kurie teisingai identifikuoja esmines bendrų, pagrindinių gyvybės procesų savybes, suteikiančias įžvalgos apie gyvybės Žemėje istoriją.
Esminės žinios 1.B.1 Organizmai turi daug konservuotų pagrindinių procesų ir savybių, kurios išsivystė ir yra plačiai paplitusios tarp organizmų šiandien.
Mokslo praktika 7.2 Mokinys gali sujungti sąvokas vienoje srityje ir tarp jų, kad apibendrintų arba ekstrapoliuotų ilgalaikius supratimus ir (arba) dideles idėjas.
Mokymosi tikslas 1.15 Studentas gali apibūdinti konkrečius konservuotų pagrindinių biologinių procesų ir ypatybių, būdingų visoms sritims arba vienoje gyvenimo srityje, pavyzdžius ir kaip šie bendri, konservuoti pagrindiniai procesai ir ypatybės palaiko bendrų visų organizmų protėvių sampratą.
Esminės žinios 1.B.1 Organizmai turi daug konservuotų pagrindinių procesų ir savybių, kurios išsivystė ir yra plačiai paplitusios tarp organizmų šiandien.
Mokslo praktika 6.1 Studentas savo reikalavimus gali pagrįsti įrodymais.
Mokymosi tikslas 1.16 Studentas geba pagrįsti mokslinį teiginį, kad organizmai turi daug konservuotų pagrindinių procesų ir savybių, kurios išsivystė ir yra plačiai paplitusios tarp organizmų šiandien.
Didelė idėja 2 Biologinės sistemos naudoja laisvą energiją ir molekulinius statybinius blokus augti, daugintis ir palaikyti dinaminę homeostazę.
Patvarus supratimas 2.A Gyvų sistemų augimui, dauginimuisi ir palaikymui reikia laisvos energijos ir medžiagos.
Esminės žinios 2.A.1 Visoms gyvoms sistemoms reikalingas nuolatinis laisvos energijos įvedimas.
Mokslo praktika 6.2 Studentas gali konstruoti reiškinių paaiškinimus, remdamasis moksline praktika gautais įrodymais.
Mokymosi tikslas 2.1 Studentas geba paaiškinti, kaip biologinės sistemos naudoja laisvąją energiją, remdamasis empiriniais duomenimis, kad visiems organizmams reikia nuolatinės energijos sąnaudų, kad išlaikytų organizuotumą, augtų ir daugintųsi.

Mokslo praktikos iššūkių klausimais yra papildomų šio skyriaus testo klausimų, kurie padės pasiruošti AP egzaminui. Šie klausimai susiję su šiais standartais:
[APLO 2.1][APLO 2.3][APLO 4.3][APLO 4.15][APLO 4.17][APLO 2.21]

Pagalba mokytojams

Pradėdami nuo metabolizmo apibrėžimo kaip bendro cheminio organizmo aktyvumo, paprašykite mokinių pateikti tinkamų procesų pavyzdžių. Surašykite pavyzdžius lentoje arba ekrane ir, jei reikia, išplėskite.

Gali būti sunku suprasti anabolizmo ir katabolizmo sąvokas. Panaudokite anabolinių steroidų pavyzdį kaip būdą (netinkamą ir pavojingą) formuoti kūną, todėl bet koks anabolinis procesas sukuria makromolekules, o priešingai, kataboliškai, jas skaido.

Mokslininkai naudoja terminą bioenergetika, norėdami aptarti energijos srauto per gyvas sistemas, pavyzdžiui, ląsteles, sampratą (6.2 pav.). Ląsteliniai procesai, tokie kaip sudėtingų molekulių susidarymas ir skilimas, vyksta laipsniškomis cheminėmis reakcijomis. Kai kurios iš šių cheminių reakcijų yra spontaniškos ir išskiria energiją, o kitoms reikia energijos. Lygiai taip pat, kaip gyvos būtybės turi nuolat vartoti maistą, kad papildytų tai, kas buvo sunaudota, ląstelės turi nuolat gaminti daugiau energijos, kad papildytų tą, kurią sunaudoja daug energijos reikalaujančių cheminių reakcijų, kurios nuolat vyksta. Visos cheminės reakcijos, vykstančios ląstelėse, įskaitant tas, kurios naudoja energiją, ir tas, kurios išskiria energiją, yra ląstelės metabolizmas.

Angliavandenių metabolizmas

Cukraus (paprastų angliavandenių) metabolizmas yra klasikinis daugelio ląstelių procesų, kurie naudoja ir gamina energiją, pavyzdys. Gyvosios būtybės naudoja cukrų kaip pagrindinį energijos šaltinį, nes cukraus molekulių ryšiuose yra sukaupta daug energijos. Gliukozės, paprasto cukraus, skilimas apibūdinamas lygtimi:

Vartojami angliavandeniai kilę iš fotosintetinančių organizmų, pavyzdžiui, augalų (6.3 pav.). Fotosintezės metu augalai naudoja saulės šviesos energiją anglies dioksido dujoms (CO2) į cukraus molekules, tokias kaip gliukozė (C6H12O6). Kadangi šis procesas apima didesnės, energiją kaupiančios molekulės sintezę, jam reikia energijos. Gliukozės sintezė apibūdinama šia lygtimi (atkreipkite dėmesį, kad tai yra priešinga ankstesnei lygčiai):

Vykstant cheminėms fotosintezės reakcijoms energija tiekiama labai didelės energijos molekulės, vadinamos ATP, arba adenozino trifosfato, kuris yra pirminė visų ląstelių energijos valiuta, pavidalu. Lygiai taip pat, kaip doleris naudojamas kaip valiuta prekėms pirkti, ląstelės naudoja ATP molekules kaip energijos valiutą, kad galėtų atlikti tiesioginį darbą. Cukrus (gliukozė) saugomas kaip krakmolas arba glikogenas. Tokie energiją taupantys polimerai, kaip šie, suskaidomi į gliukozę, kad aprūpintų ATP molekules.

Saulės energija reikalinga gliukozės molekulei sintezuoti fotosintezės reakcijų metu. Fotosintezės metu saulės šviesos energija iš pradžių paverčiama chemine energija, kuri laikinai saugoma energijos nešiklio molekulėse ATP ir NADPH (nikotinamido adenino dinukleotido fosfatas). ATP ir NADPH sukaupta energija vėliau naudojama fotosintezėje, kad iš šešių CO molekulių būtų sukurta viena gliukozės molekulė.2. Šis procesas yra panašus į pusryčių valgymą ryte, kad gautumėte energijos savo kūnui, kurią būtų galima panaudoti vėliau dieną. Idealiomis sąlygomis fotosintezės reakcijų metu vienai gliukozės molekulei susintetinti reikia energijos iš 18 ATP molekulių. Gliukozės molekulės taip pat gali būti derinamos ir paverčiamos kitų rūšių cukrumi. Vartojant cukrų, gliukozės molekulės ilgainiui patenka į kiekvieną gyvą organizmo ląstelę. Ląstelės viduje kiekviena cukraus molekulė suskaidoma per sudėtingą cheminių reakcijų seriją. Šių reakcijų tikslas yra surinkti energiją, sukauptą cukraus molekulėse. Surinkta energija naudojama didelės energijos ATP molekulėms gaminti, kurios gali būti naudojamos darbui, skatinant daugelį cheminių reakcijų ląstelėje. Energijos kiekis, reikalingas vienai gliukozės molekulei iš šešių anglies dioksido molekulių pagaminti, yra 18 molekulių ATP ir 12 molekulių NADPH (kiekviena iš jų energetiškai prilygsta trims ATP molekulėms) arba iš viso 54 ATP molekulių ekvivalentai. reikalingas vienos gliukozės molekulės sintezei. Šis procesas yra pagrindinis ir efektyvus būdas ląstelėms generuoti joms reikalingą molekulinę energiją.

Pagalba mokytojams

Paklauskite mokinių, iš kur gaunama medžiagų apykaitai naudojama energija. Leiskite jiems atsekti energiją iki augalų ir šviesos energiją, kurią augalai paverčia cukrumi. Pradėkite supažindinti su angliavandenių apykaitos, lipidų ir baltymų sąveika. Paklauskite jų, koks yra galutinis energijos tikslas (šiluma).

Metabolizmo keliai

Cukraus molekulių gamybos ir skaidymo procesai iliustruoja dviejų tipų medžiagų apykaitos kelius. Metabolizmo kelias – tai eilė tarpusavyje susijusių biocheminių reakcijų, kurios žingsnis po žingsnio paverčia substrato molekulę ar molekules per tam tikrus tarpinius metabolinius produktus ir galiausiai gaunamas galutinis produktas ar produktai. Cukraus metabolizmo atveju pirmasis metabolizmo kelias cukrų susintetino iš mažesnių molekulių, o kitas būdas cukrų suskaidė į mažesnes molekules. Šie du priešingi procesai – pirmasis reikalauja energijos, o antrasis gamina energiją – atitinkamai vadinami anaboliniais (statybos) ir kataboliniais (skilimo) keliais. Vadinasi, medžiagų apykaita susideda iš kūrimo (anabolizmas) ir degradacijos (katabolizmo).

Pagalba mokytojams

Aptarkite medžiagų apykaitos takų, kaip jie tikriausiai išsivystė Žemėje, raidą. Naudodami Miller-Urey eksperimentą, aptartą 3 skyriuje, paklauskite, kodėl ankstyvoje atmosferoje nebuvo laisvo deguonies. Kokie būdai gali išsivystyti tokiomis sąlygomis? Kaip tai apribojo organizmų vystymąsi? Koks kelias sukūrė laisvą deguonį kaip atliekas, galinčias prasiskverbti į atmosferą? Ar tai tikrai gera idėja egzistuojantiems organizmams? Kodėl?

Evoliucijos ryšys

Metabolizmo takų evoliucija

Metabolizmo sudėtingumas yra daugiau nei vien tik metabolizmo kelių supratimas. Metabolizmo sudėtingumas kiekviename organizme skiriasi. Fotosintezė yra pagrindinis būdas, kuriuo fotosintezę atliekantys organizmai, tokie kaip augalai (daugumą pasaulinės fotosintezės atlieka planktoniniai dumbliai), surenka saulės energiją ir paverčia ją angliavandeniais. Šalutinis fotosintezės produktas yra deguonis, kurio kai kurioms ląstelėms reikia ląstelių kvėpavimui atlikti. Ląstelių kvėpavimo metu deguonis padeda kataboliškai skaidyti anglies junginius, pavyzdžiui, angliavandenius. Tarp šio katabolizmo produktų yra CO2 ir ATP. Be to, kai kurie eukariotai atlieka katabolinius procesus be deguonies (fermentacija), ty atlieka arba naudoja anaerobinį metabolizmą.

Kad išgyventų, organizmai tikriausiai sukūrė anaerobinį metabolizmą (gyvi organizmai atsirado maždaug prieš 3,8 mlrd. metų, kai atmosferoje trūko deguonies). Nepaisant organizmų skirtumų ir medžiagų apykaitos sudėtingumo, mokslininkai nustatė, kad visose gyvybės šakose vyksta tie patys medžiagų apykaitos keliai, o tai rodo, kad visi organizmai išsivystė iš to paties senovės bendro protėvio (6.4 pav.). Įrodymai rodo, kad laikui bėgant keliai skyrėsi, pridedant specializuotų fermentų, leidžiančių organizmams geriau prisitaikyti prie aplinkos ir taip padidinti jų galimybę išgyventi. Tačiau pagrindinis principas išlieka, kad visi organizmai turi surinkti energiją iš savo aplinkos ir paversti ją ATP, kad galėtų atlikti ląstelių funkcijas.

  1. Deguonis yra anaerobinio kvėpavimo šalutinis produktas, todėl atmosferoje buvo labai mažai deguonies, kol išsivystė anaerobiniai organizmai.
  2. Deguonis yra šalutinis fermentacijos produktas, todėl atmosferoje buvo mažai deguonies, kol atsirado prokariotai.
  3. Deguonis yra šalutinis aerobinio kvėpavimo produktas, todėl atmosferoje buvo labai mažai deguonies, kol išsivystė gyvūnai.
  4. Deguonis yra fotosintezės šalutinis produktas, todėl atmosferoje buvo labai mažai deguonies, kol išsivystė fotosintetiniai organizmai.

Anaboliniai ir kataboliniai keliai

Norint susintetinti sudėtingas molekules iš paprastesnių, anaboliniams procesams reikia energijos. Cukrų sintetinimas iš CO2 yra vienas pavyzdys. Kiti pavyzdžiai yra didelių baltymų sintezė iš aminorūgščių statybinių blokų ir naujų DNR grandžių sintezė iš nukleorūgščių statybinių blokų. Šie biosintetiniai procesai yra labai svarbūs ląstelės gyvavimui, vyksta nuolat ir reikalauja energijos, kurią tiekia ATP ir kitos didelės energijos molekulės, tokios kaip NADH (nikotinamido adenino dinukleotidas) ir NADPH (6.5 pav.).

ATP yra svarbi molekulė, kad ląstelės visą laiką būtų pakankamai aprūpintos. Cukraus skaidymas iliustruoja, kaip viena gliukozės molekulė gali sukaupti pakankamai energijos, kad susidarytų daug ATP – 36–38 molekulės. Tai katabolinis kelias. Kataboliniai keliai apima sudėtingų molekulių skaidymą (arba skaidymą) į paprastesnes. Molekulinė energija, sukaupta sudėtingų molekulių ryšiuose, išsiskiria kataboliniais keliais ir surenkama taip, kad ją būtų galima panaudoti ATP gamybai. Kitos energiją kaupiančios molekulės, pvz., riebalai, taip pat suskaidomos per panašias katabolines reakcijas, kad išsiskirtų energija ir susidarytų ATP (6.5 pav.).

Svarbu žinoti, kad cheminės medžiagų apykaitos takų reakcijos nevyksta spontaniškai. Kiekvieną reakcijos etapą palengvina arba katalizuoja baltymas, vadinamas fermentu. Fermentai yra svarbūs katalizuojant visų tipų biologines reakcijas – tas, kurioms reikia energijos, ir tas, kurios išskiria energiją.


Giberelino metabolizmas ir jo reguliavimas

Bioaktyvūs giberelinai (GA) yra diterpeniniai augalų hormonai, kurie yra biosintetinami sudėtingais būdais ir kontroliuoja įvairius augimo ir vystymosi aspektus. Biocheminiai, genetiniai ir genominiai metodai leido nustatyti daugumą genų, koduojančių GA biosintezę ir dezaktyvavimo fermentus. Naujausi tyrimai atskleidė anksčiau neatpažintų deaktyvavimo mechanizmų atsiradimą. Dabar aišku, kad tiek GA biosintezės, tiek deaktyvavimo būdai yra griežtai reguliuojami vystymosi, hormonų ir aplinkos signalų, atitinkančių GA, kaip pagrindinių augimo reguliatorių, vaidmenį. Kai kuriais atvejais pradedami atskleisti molekuliniai hormonų lygio koregavimo mechanizmai. Šioje apžvalgoje apibendrinu mūsų dabartinį supratimą apie GA biosintezės ir dezaktyvavimo kelius augaluose ir grybuose ir aptariu, kaip GA koncentracija augalų audiniuose reguliuojama vystymosi metu ir reaguojant į aplinkos dirgiklius.


Ląstelių terapija ir genų terapija yra sutampančios biomedicininių tyrimų ir gydymo sritys 6 . Abiejų gydymo būdų tikslas yra gydyti, užkirsti kelią ligoms arba galimai jas išgydyti, ir abu metodai gali palengvinti pagrindinę genetinių ligų ir įgytų ligų priežastį 6 . Tačiau ląstelių ir genų terapija veikia skirtingai.

Ląstelių terapija siekiama gydyti ligas, atkuriant arba pakeičiant tam tikrus ląstelių rinkinius arba naudojant ląsteles terapijai per kūną pernešti5. Taikant ląstelių terapiją, prieš suleidžiant pacientui ląstelės kultivuojamos arba modifikuojamos už kūno ribų. Ląstelės gali kilti iš paciento (autologinės ląstelės) arba iš donoro (alogeninės ląstelės) 6 .

Genų terapija siekiama gydyti ligas pakeičiant, inaktyvuojant arba įvedant genus į ląsteles – kūno viduje (in vivo) arba už kūno ribų (ex vivo) 6 .

Kai kurios terapijos yra laikomos ir ląstelių, ir genų terapija. Šios terapijos veikia pakeičiant genus tam tikro tipo ląstelėse ir įterpiant juos į kūną.


Padėkos

Dėkojame L. Keren už įžvalgias diskusijas ir neįkainojamus atsiliepimus, taip pat Gladstone instituto Nakamura laboratorijai už prieigą prie savo Seahorse XF analizatoriaus. Toliau dėkojame A. Tsai už patarimus ir pagalbą su klinikiniais mėginiais. Šį tyrimą rėmė EMBO ilgalaikė stipendija ALTF 1141–2017 (FJH), Novartis medicinos ir biologinių tyrimų fondas 16C148 (FJH) ir Šveicarijos nacionalinis mokslo fondas SNF ankstyvasis mobilumas po doktorantūros P2ZHP3-171741 (FJH). . Be to, gavome paramą iš Nacionalinių sveikatos institutų 1DP2OD022550-01 (S.C.B.), 1R01AG056287-01 (S.C.B.), 1R01AG057915-01 (S.C.B.) ir 1U24CA2224309 (to S.C.B.)


Turinys

Pirmą kartą ląstelės buvo pastebėtos XVII amžiuje Europoje, išradus sudėtinį mikroskopą. 1665 m. Robertas Hukas visų gyvų organizmų statybinį bloką pavadino „ląstelėmis“, pažvelgęs į kamščio gabalėlį ir pastebėjęs į ląstelę panašią struktūrą [3] [4], tačiau ląstelės buvo negyvos ir nerodė faktiniai bendrieji ląstelės komponentai. Po kelerių metų, 1674 m., Antonas Van Leeuwenhoekas pirmasis išanalizavo gyvas ląsteles tirdamas dumblius. Visa tai buvo prieš ląstelių teoriją, kuri teigia, kad visi gyvi dalykai yra sudaryti iš ląstelių ir kad ląstelės yra funkcinis ir struktūrinis organizmų vienetas. Tai galiausiai padarė augalų mokslininkas Matthiasas Schleidenas [4] ir gyvūnų mokslininkas Theodoras Schwannas 1838 m., kurie apžvelgė gyvas ląsteles atitinkamai augalų ir gyvūnų audiniuose. [5] Po 19 metų Rudolfas Virchovas dar labiau prisidėjo prie ląstelių teorijos, pridūręs, kad visos ląstelės atsiranda dalijantis jau egzistuojančias ląsteles. [5] Nors plačiai pripažinta, buvo atlikta daug tyrimų, kurie abejoja ląstelių teorijos pagrįstumu. Pavyzdžiui, virusams trūksta bendrų gyvai ląstelei būdingų savybių, tokių kaip membranos, ląstelės organelės, ir gebėjimo daugintis patiems. [6] Mokslininkai stengėsi nuspręsti, ar virusai gyvi, ar ne ir ar jie atitinka ląstelių teoriją.

Šiuolaikiniai ląstelių biologijos tyrimai nagrinėja įvairius būdus, kaip kultivuoti ir manipuliuoti ląstelėmis už gyvo kūno ribų, kad būtų galima atlikti tolesnius žmogaus anatomijos ir fiziologijos tyrimus bei gauti vaistus. Metodai, kuriais tiriamos ląstelės, išsivystė. Dėl mikroskopijos pažangos, metodai ir technologijos leido mokslininkams geriau suprasti ląstelių struktūrą ir funkcijas. Daugelis metodų, dažniausiai naudojamų ląstelių biologijai tirti, yra išvardyti toliau: [7]

    : Naudoja greitai augančias ląsteles terpėje, kuri leidžia gauti didelį kiekį konkretaus tipo ląstelių ir efektyviai tirti ląsteles. [8] : Fluorescenciniai žymenys, tokie kaip GFP, naudojami konkrečiam ląstelės komponentui pažymėti. Vėliau tam tikras šviesos bangos ilgis naudojamas fluorescenciniam žymekliui sužadinti, kurį vėliau galima vizualizuoti. [8] : naudoja optinį šviesos aspektą, kad pavaizduotų kietosios, skystosios ir dujinės fazės pokyčius kaip ryškumo skirtumus. [8] : fluorescencinė mikroskopija sujungiama su vaizdavimu, fokusuojant šviesą ir fotografuojant akimirksniu, kad susidarytų 3D vaizdas. [8] : susijęs su metalo dažymu ir elektronų perdavimu per ląsteles, kurie bus nukreipti sąveikaujant su metalu. Tai galiausiai sudaro tiriamų komponentų vaizdą. [8] : Ląstelės dedamos į mašiną, kuri naudoja spindulį, kad išsklaidytų ląsteles pagal skirtingus aspektus, todėl gali jas atskirti pagal dydį ir turinį. Ląstelės taip pat gali būti pažymėtos GFP žydėjimu ir taip pat gali būti atskirtos. [9] : Šiam procesui reikia suskaidyti ląstelę naudojant aukštą temperatūrą arba ultragarsinį apdorojimą, o po to centrifuguoti, kad būtų atskirtos ląstelės dalys, kad būtų galima jas tirti atskirai. [8]

Yra dvi pagrindinės ląstelių klasifikacijos: prokariotinės ir eukariotinės. Prokariotinės ląstelės skiriasi nuo eukariotinių ląstelių tuo, kad nėra ląstelės branduolio ar kitų su membrana susietų organelių. [10] Prokariotinės ląstelės yra daug mažesnės nei eukariotinės ląstelės, todėl jos yra mažiausia gyvybės forma. [11] Prokariotinėms ląstelėms priskiriamos bakterijos ir archejos, joms trūksta uždaro ląstelės branduolio. Jie abu dauginasi dvejetainio dalijimosi būdu. Bakterijos, ryškiausias tipas, turi keletą skirtingų formų, tarp kurių daugiausia yra sferinės ir lazdelės formos. Atsižvelgiant į ląstelės sienelės sudėtį, bakterijos gali būti klasifikuojamos kaip gramteigiamos arba gramneigiamos. Bakterijų struktūros ypatybės yra žiuželis, padedantis ląstelei judėti, [12] ribosomos, skirtos RNR paversti baltymu, [12] ir nukleoidas, laikantis visą genetinę medžiagą apskritoje struktūroje. [12] Prokariotinėse ląstelėse vyksta daug procesų, leidžiančių joms išgyventi. Pavyzdžiui, vykstant procesui, vadinamam konjugacija, vaisingumo faktorius leidžia bakterijoms turėti pūslę, leidžiančią joms perduoti DNR kitai bakterijai, kuriai trūksta F faktoriaus, o tai leidžia perduoti atsparumą, leidžiantį joms išgyventi tam tikroje aplinkoje. [13]

Eukariotinės ląstelės gali būti vienaląstės arba daugialąstės [12] ir apima gyvūnų, augalų, grybų ir pirmuonių ląsteles, kuriose yra įvairių formų ir dydžių organelių. [14]

Eukariotinių ląstelių struktūra Redaguoti

Eukariotų ląstelės susideda iš šių organelių:

    : Tai veikia kaip ląstelės genomas ir genetinės informacijos saugykla, kurioje yra visa DNR, sutvarkyta chromosomų pavidalu. Jį supa branduolio apvalkalas, kuriame yra branduolių poros, leidžiančios transportuoti baltymus tarp branduolio vidaus ir išorės. [15] Čia taip pat vyksta DNR replikacija ir DNR transkripcija į RNR. Po to RNR modifikuojama ir transportuojama į citozolį, kad būtų paversta baltymu. : Ši struktūra yra branduolyje, dažniausiai tanki ir sferinės formos. Tai yra ribosomų RNR (rRNR) sintezės vieta, kuri reikalinga ribosomų surinkimui. : Tai atlieka baltymų sintezės, saugojimo ir išskyrimo į golgi aparatą funkciją. [16] : Tai veikia gaminant energiją arba ATP ląstelėje. Tiksliau, tai yra vieta, kur vyksta Krebso ciklas arba TCA ciklas NADH ir FADH gamybai. Vėliau šie produktai naudojami elektronų transportavimo grandinėje (ETC) ir oksidaciniame fosforilinant galutinei ATP gamybai. [17] : ši funkcija toliau apdoroja, supakuoja ir išskiria baltymus į paskirties vietą. Baltymai turi signalų seką, kuri leidžia golgi aparatui atpažinti ir nukreipti jį į reikiamą vietą. [18] : Lizosomos funkcijos skaido medžiagą, atneštą iš ląstelės išorės arba senų organelių. Jame yra daug rūgščių hidrolazių, proteazių, nukleazių ir lipazių, kurios skaido įvairias molekules. Autofagija yra skilimo per lizosomas procesas, kuris įvyksta, kai pūslelė atsiskiria nuo ER ir sugeria medžiagą, tada prisitvirtina ir susilieja su lizosoma, kad medžiaga būtų skaidoma. [19] : Funkcija paversti RNR baltymu. : Tai padeda pritvirtinti organelius ląstelėse ir sudaryti ląstelės struktūrą bei stabilumą. : Ląstelių membraną galima apibūdinti kaip fosfolipidų dvisluoksnį sluoksnį, ji taip pat susideda iš lipidų ir baltymų. [12] Kadangi dvisluoksnio sluoksnio vidus yra hidrofobinis ir kad molekulės dalyvautų ląstelės viduje vykstančiose reakcijose, jos turi sugebėti kirsti šį membranos sluoksnį, kad patektų į ląstelę per osmosinį slėgį, difuziją, koncentracijos gradientus ir membranos kanalus. . [20] : Funkcija gaminti verpstės pluoštus, kurie naudojami chromosomoms atskirti ląstelių dalijimosi metu.

Eukariotinės ląstelės taip pat gali būti sudarytos iš šių molekulinių komponentų:

    : Tai sudaro chromosomas ir yra DNR ir įvairių baltymų mišinys. : Jie padeda varyti medžiagas ir gali būti naudojami jutimo tikslams. [21]

Ląstelių metabolizmas Redaguoti

Ląstelių metabolizmas yra būtinas energijos gamybai ląstelei, taigi ir jos išlikimui, ir apima daugybę būdų. Ląstelių kvėpavimui, kai pasiekiama gliukozė, ląstelės citozolyje vyksta glikolizė ir susidaro piruvatas. Piruvatas dekarboksilinamas naudojant kelių fermentų kompleksą, kad susidarytų acetilo coA, kuris gali būti lengvai naudojamas TCA cikle gaminant NADH ir FADH2. Šie produktai dalyvauja elektronų transportavimo grandinėje, kad galiausiai sudarytų protonų gradientą per vidinę mitochondrijų membraną. Šis gradientas gali paskatinti ATP ir H2O gamybą oksidacinio fosforilinimo metu. [22] Metabolizmas augalų ląstelėse apima fotosintezę, kuri yra tiesiog visiškai priešinga kvėpavimui, nes galiausiai susidaro gliukozės molekulės.

Ląstelių signalizacija Redaguoti

Ląstelių signalizacija yra svarbi ląstelių reguliavimui ir ląstelėms apdoroti informaciją iš aplinkos ir atitinkamai reaguoti. Signalizacija gali vykti per tiesioginį ląstelių kontaktą arba endokrininę, parakrininę ir autokrininę signalizaciją. Tiesioginis ląstelės ir ląstelės kontaktas yra tada, kai ląstelės receptorius suriša molekulę, kuri yra prijungta prie kitos ląstelės membranos. Endokrininė signalizacija vyksta per molekules, išskiriamas į kraują. Paracrine signalizacija naudoja molekules, difunduojančias tarp dviejų ląstelių, kad galėtų bendrauti. Autokrininė yra ląstelė, siunčianti sau signalą, išskirdama molekulę, kuri jungiasi prie jos paviršiuje esančio receptoriaus. Bendravimo formos gali būti tokios:

    : Gali būti įvairių tipų, pvz., įtampos arba ligandų valdomi jonų kanalai. Leidžia nutekėti ir įtekėti molekulėms ir jonams. (GPCR): plačiai pripažįstama, kad turi 7 transmembraninius domenus. Ligandas jungiasi prie tarpląstelinio domeno, o kai ligandas prisijungia, tai signalizuoja apie guanino mainų faktorių, kad BVP paverstų GTP ir aktyvuotų G-α subvienetą. G-α gali nukreipti kitus baltymus, tokius kaip adenilciklazė arba fosfolipazė C, kurie galiausiai gamina antrinius pasiuntinius, tokius kaip cAMP, Ip3, DAG ir kalcis. Šie antriniai pasiuntiniai sustiprina signalus ir gali nukreipti į jonų kanalus ar kitus fermentus. Vienas iš pavyzdžių, kaip sustiprinti signalą, yra cAMP prisijungimas prie PKA ir PKA aktyvinimas pašalinant reguliavimo subvienetus ir atleidžiant katalizinį subvienetą. Katalizinis subvienetas turi branduolio lokalizacijos seką, kuri skatina jį patekti į branduolį ir fosforilinti kitus baltymus, kad slopintų arba suaktyvintų genų aktyvumą. [22]: suriša augimo faktorius, toliau skatindamas tiroziną, esantį tarpląstelinėje baltymo dalyje, kad jis prasiskverbtų į fosforilinimą. Fosforilintas tirozinas tampa baltymų, turinčių SH2 domeną, nusileidimo tašku, leidžiančiu aktyvuoti Ras ir dalyvauti MAP kinazės kelyje. [23]

Ląstelių ciklas Redaguoti

Ląstelės augimo procesas reiškia ne ląstelės dydį, o tam tikru metu organizme esančių ląstelių skaičiaus tankį. Ląstelių augimas yra susijęs su ląstelių, esančių organizme, skaičiaus padidėjimu, kai jis auga ir vystosi, kai organizmas didėja, todėl didėja ir esančių ląstelių skaičius. Ląstelės yra visų organizmų pagrindas ir pagrindinis gyvybės vienetas. Ląstelių augimas ir vystymasis yra būtini šeimininko palaikymui ir organizmo išlikimui. Šiam procesui ląstelė pereina ląstelių ciklo ir vystymosi etapus, kurie apima ląstelių augimą, DNR replikaciją, ląstelių dalijimąsi, regeneraciją ir ląstelių mirtį. Ląstelių ciklas yra padalintas į keturias skirtingas fazes: G1, S, G2 ir M. G fazė – ląstelių augimo fazė – sudaro maždaug 95 % ciklo. Ląstelių dauginimąsi skatina pirmtakai. Visos ląstelės prasideda identiška forma ir iš esmės gali tapti bet kokio tipo ląstelėmis. Ląstelių signalizacija, tokia kaip indukcija, gali paveikti netoliese esančias ląsteles, kad būtų galima diferencijuoti ląsteles, kurios jos taps. Be to, tai leidžia to paties tipo ląstelėms agreguotis ir formuoti audinius, tada organus ir galiausiai sistemas. G1, G2 ir S fazės (DNR replikacija, pažeidimas ir taisymas) laikomos tarpfaze ciklo dalimi, o M fazė (mitozė) yra ciklo ląstelių dalijimosi dalis. Mitozė susideda iš daugelio etapų, įskaitant atitinkamai profazę, metafazę, anafazę, telofazę ir citokinezę. Galutinis mitozės rezultatas yra dviejų identiškų dukterinių ląstelių susidarymas.

Ląstelių ciklą reguliuoja daugybė signalizacijos faktorių ir kompleksų, tokių kaip ciklinai, nuo ciklino priklausoma kinazė ir p53. Kai ląstelė baigia augimo procesą ir nustatoma, kad ji pažeista arba pakitusi, ji miršta dėl apoptozės arba nekrozės, kad būtų pašalinta grėsmė, kurią ji gali sukelti organizmo išlikimui. [24]

Ląstelių mirtingumas, ląstelių linijos nemirtingumas Redaguoti

Manoma, kad kiekvienos dabartinės ląstelės protėviai siekia daugiau nei 3 milijardus metų nenutrūkstamą giminę iki gyvybės atsiradimo. Iš tikrųjų nemirtingos yra ne ląstelės, o kelių kartų ląstelių linijos. [25] Ląstelių linijos nemirtingumas priklauso nuo ląstelių dalijimosi potencialo išlaikymo. Šis potencialas gali būti prarastas bet kurioje konkrečioje linijoje dėl ląstelių pažeidimo, galinės diferenciacijos, kaip vyksta nervinėse ląstelėse, arba užprogramuotos ląstelių mirties (apoptozės) vystymosi metu. Ląstelių dalijimosi potencialo išlaikymas per kelias kartas priklauso nuo ląstelių pažeidimo, ypač DNR pažeidimo, išvengimo ir tikslaus ištaisymo. Seksualiniuose organizmuose gemalo linijos tęstinumas priklauso nuo procesų, skirtų išvengti DNR pažeidimo ir ištaisyti atsiradusius DNR pažeidimus, efektyvumo. Seksualiniai procesai eukariotuose, taip pat prokariotuose, suteikia galimybę veiksmingai ištaisyti DNR pažeidimus gemalo linijoje homologinės rekombinacijos būdu. [25] [26]

Mokslo šaka, tirianti ir diagnozuojanti ligas ląstelių lygmenyje, vadinama citopatologija. Citopatologija paprastai naudojama laisvų ląstelių arba audinių fragmentų mėginiams, priešingai nei histopatologijos patologijos šaka, kuri tiria ištisus audinius. Citopatologija dažniausiai naudojama tirti ligas, apimančias įvairias kūno vietas, dažnai siekiant padėti diagnozuoti vėžį, bet taip pat kai kurias infekcines ligas ir kitas uždegimines ligas. Pavyzdžiui, paplitęs citopatologijos taikymas yra Pap tepinėlis, atrankos testas, naudojamas aptikti gimdos kaklelio vėžį ir ikivėžinius gimdos kaklelio pažeidimus, kurie gali sukelti gimdos kaklelio vėžį.


Paprasčiausias gyvybės vienetas yra ląstelė. Tiesą sakant, kai kurie organizmai, pavyzdžiui, bakterijos, yra ne kas kita, kaip viena ląstelė. Žmogaus kūne yra apie 30 trilijonų ląstelių ir tai yra neatsižvelgiant į visas vienaląstes bakterijas, kurios natūraliai kolonizuoja virškinamąjį traktą. Mokslininkai apskaičiavo, kad žmogaus kūne yra apie 200 unikalių tipų ląstelių.

Ląstelių grupės, suburtos tam tikrai funkcijai, sudaro audinius. Žmogaus kūne yra keturi pagrindiniai audinių tipai: epitelinis, raumeninis, nervinis ir jungiamasis. Epitelinis audinys apima kūno išorę, taip pat organų ir kūno ertmių gleivinę. Raumenų audinyje yra ląstelių, kurios kartais vadinamos „jautriomis“, nes jos gali susitraukti ir leidžia judėti. Nervinis audinys praleidžia elektrinius impulsus ir siunčia signalus per kūną. Jungiamasis audinys laiko kūną kartu ir apima kaulus ir kraują.


Skirtumas tarp metabolinės alkalozės ir kvėpavimo takų alkalozės | Rūgščių-šarmų reguliavimas

4. Kvėpavimo centro depresija ir hiperventiliacija, dėl kurios susilaiko CO2.

5. Inkstų mechanizme yra padidėjęs NH3 susidarymas ir H + – Na + mainai, padidėjęs K + išsiskyrimas, sumažėjusi reabsorbcija, CI – susilaikymas.

6. Šlapime rodomas šarminis, sumažėjęs NH3, ir sumažėjęs titruojamas rūgštingumas.

7. Mažas Ca ++, sukeliantis tetaniją, hipokalemiją, ketozę ir ketonuriją, degeneracinius kanalėlių pokyčius, lemiančius azoto susilaikymą.

8. Priežastys yra per didelis HCI praradimas, didelis žarnyno nepraeinamumas, pylorinė obstrukcija, šarmų nurijimas, per didelis K + praradimas, rentgeno terapija, ultravioletinė spinduliuotė.

Skirtumas Nr. Kvėpavimo takų alkalozė:

4. Inkstų mechanizme sumažėja H + -Na + apykaita, sumažėja rūgšties ir amoniako išsiskyrimas, padidėja HCO išskyrimas3 – ir K + , CI – išlaikymas.

5. Hipoventiliacija dėl aukšto kvėpavimo pH ir mažo PCO2 ir padidinti H2CO3.

6. Šlapimas rodo’s šarminį, sumažėjęs NH3 ir sumažėjęs titruojamas rūgštingumas.

7. Mažas Ca ++, sukeliantis tetaniją, hipokalemiją, ketozę ir ketonuriją, inkstų pažeidimą, dėl kurio susilaiko azotas.

8. Priežastys yra CNS ligos, tokios kaip meningitas ir encefalitas, apsinuodijimas salicilatais, hiperpireksija, isterija, kylantis į aukštį, baimingi kraujo donorai, neapgalvotas respiratoriaus naudojimas, kai kurie kepenų komos atvejai.