معلومة

1.14: التفاعلات الكيميائية الحيوية - علم الأحياء


يعد فهم الكيمياء أمرًا ضروريًا لفهم علم الأحياء تمامًا. لماذا ا؟

الفهم العام للكيمياء ضروري لفهم علم الأحياء. في الأساس ، خلايانا هي مجرد آلاف من المواد الكيميائية - مصنوعة من عناصر مثل الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت - في التركيبات الصحيحة فقط. وتتحد هذه المواد الكيميائية من خلال التفاعلات الكيميائية.

التفاعلات الكيميائية

عنصر الكلور (Cl) هو سم مخضر. هل تأكل الكلور؟ بالطبع لا ، لكنك غالبًا ما تأكل مركبًا يحتوي على الكلور. في الواقع ، ربما تأكل مركب الكلور هذا كل يوم تقريبًا. هل تعلم ما هو؟ إنه ملح الطعام. ملح الطعام هو كلوريد الصوديوم (NaCl) ، والذي يتكون عندما يتحد الكلور والصوديوم (Na) بنسب معينة. كيف يتحول الكلور ، وهو مادة كيميائية خضراء سامة ، إلى ملح طعام أبيض غير ضار؟ يحدث في تفاعل كيميائي.

أ تفاعل كيميائي هي عملية تحول بعض المواد الكيميائية إلى مواد أخرى. المادة التي تبدأ تفاعل كيميائي تسمى أ المتفاعل، والمادة التي تتشكل نتيجة تفاعل كيميائي تسمى أ المنتج. أثناء التفاعل الكيميائي ، يتم استخدام المواد المتفاعلة لإنشاء المنتجات.

مثال على تفاعل كيميائي هو حرق الميثان. في هذا التفاعل الكيميائي ، تكون المتفاعلات عبارة عن ميثان (CH4) والأكسجين (O2) ، والمنتجات عبارة عن ثاني أكسيد الكربون (CO2) والمياه (H2س). يتضمن التفاعل الكيميائي تكسير وتشكيل الروابط الكيميائية. عندما يحترق الميثان ، تنكسر الروابط في جزيئات الميثان والأكسجين ، وتتشكل روابط جديدة في جزيئات ثاني أكسيد الكربون والماء.

المعادلات الكيميائية

يمكن تمثيل تفاعل كيميائي بواسطة أ معادلة كيميائية. على سبيل المثال ، يمكن تمثيل احتراق الميثان بالمعادلة الكيميائية

CH4 + 2O2 → كو2 + 2 ح2ا

يفصل السهم في المعادلة الكيميائية المواد المتفاعلة عن النواتج ويوضح الاتجاه الذي يستمر فيه التفاعل. إذا كان رد الفعل يمكن أن يحدث في الاتجاه المعاكس أيضًا ، فسيتم استخدام سهمين يشيران في اتجاهين متعاكسين. الرقم 2 أمام O2 و ح2يُظهر O أن جزيئين من الأكسجين وجزيئين من الماء متورطان في التفاعل. (مع عدم وجود رقم أمام رمز كيميائي ، يشارك جزيء واحد فقط).

حفظ المادة

في تفاعل كيميائي ، لا تتغير كمية كل عنصر ؛ هناك نفس المقدار من كل عنصر في النواتج كما كان في المواد المتفاعلة. هذا لأن المادة محفوظة دائمًا. ينعكس حفظ المادة في المعادلة الكيميائية للتفاعل. يظهر نفس عدد ذرات كل عنصر على جانبي السهم. على سبيل المثال ، في المعادلة الكيميائية أعلاه ، هناك أربع ذرات هيدروجين على كل جانب من جوانب السهم. هل يمكنك إيجاد الأربعة في كل جانب من المعادلة؟

ملخص

  • التفاعل الكيميائي هو عملية تحول بعض المواد الكيميائية إلى مواد أخرى. أثناء التفاعل الكيميائي ، يتم استخدام المواد المتفاعلة لإنشاء المنتجات.
  • في تفاعل كيميائي ، يتم حفظ المادة دائمًا.

إعادة النظر

  1. حدد تفاعلًا كيميائيًا.
  2. صف أدوار المواد المتفاعلة والمنتجات في التفاعلات الكيميائية.
  3. كيف تظهر المعادلة الكيميائية أن المادة محفوظة دائمًا في تفاعل كيميائي؟
  4. معرفة أن الماء (H2O) من الهيدروجين (H+) والأكسجين (O2) ، اكتب معادلة كيميائية لتكوين الماء من هذين العنصرين.

إعادة التفكير في تحلل السكر: على المنطق الكيميائي الحيوي لمسارات التمثيل الغذائي

قد تبدو المسارات الأيضية عشوائية وغير ضرورية. في كثير من الحالات ، قد يبتكر الكيميائي طريقًا أبسط للتحول الكيميائي الحيوي ، فلماذا اختارت الطبيعة مثل هذه الحلول المعقدة؟ في هذه المراجعة ، نستخلص دروسًا من قرن من الأبحاث الأيضية ونقدم ملاحظات جديدة تشير إلى أنه يمكن تفسير البنية المعقدة لمسارات التمثيل الغذائي من خلال مجموعة صغيرة من المبادئ البيوكيميائية. باستخدام تحلل السكر كمثال ، نوضح كيف أن ثلاثة قيود كيميائية حيوية رئيسية - الأفضلية الديناميكية الحرارية ، وتوافر الآليات الأنزيمية والخصائص الفيزيائية والكيميائية لوسائط المسار - تلغي استراتيجيات التمثيل الغذائي المعقولة. بالنظر إلى هذه القيود ، لا يحتوي تحلل السكر على خطوات غير ضرورية ويمثل أحد هياكل المسارات القليلة جدًا التي تلبي المتطلبات الخلوية. يمكن تطبيق التحليل المقدم هنا على جهود الهندسة الأيضية من أجل التصميم العقلاني للمسارات التي تنتج المنتج المطلوب مع تلبية القيود البيوكيميائية.


أمثلة على تفاعلات التكثيف

الارتباط بالجليكوزيل

يحدث تفاعل الارتباط بالجليكوزيل الأساسي عندما يرتبط جزيء به مجموعة جليكوزيل ، مثل الكربوهيدرات ، بمجموعة وظيفية في جزيء آخر. يُطلق على أحد أكثر أشكال الارتباط بالجليكوزيل أهمية وانتشارًا في الطبيعة الارتباط بالجليكوزيل المرتبط بـ N وهو عملية ما بعد الترجمة والتي تعد ضرورية للطي المناسب للبروتينات وربط المصفوفة بين الخلايا وتعديل وظيفة البروتينات. في تفاعل التكثيف هذا ، يرتبط السكاريد الصغير (جزيء السكر) المعروف باسم الجليكان بذرة النيتروجين في جزيء البروتين وينتج جزيء الماء في هذه العملية.

الفسفرة

الفسفرة هي تفاعل تكثيف مهم لعمل السكريات والدهون والبروتينات وهو أمر بالغ الأهمية عندما يتعلق الأمر بتنظيم وظيفة الإنزيمات. واحدة من أبسط تفاعلات الفسفرة في الطبيعة هي فسفرة الجلوكوز وهي الخطوة الأولى في تحلل السكر. عندما يتم فسفرة الجلوكوز على الكربون السادس بواسطة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) بمساعدة إنزيم هكسوكيناز ، فإن المنتجات الثانوية هي ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) وحمض الفوسفوريك.

تخليق بولي ببتيد وعديد النوكليوتيد

يمكن أن تتكثف الأحماض الأمينية في جزيئات بولي ببتيد (بروتينات) ، وتطلق الماء كمنتج ثانوي. أيضًا ، يتم تصنيع الحمض النووي والحمض النووي الريبي عن طريق تخليق عديد النوكليوتيد وهو أيضًا تفاعل تكثيف. تتكون عديد النوكليوتيدات عندما تتفاعل مجموعة الفوسفات على جزيء نيوكليوتيد واحد مع مجموعة الهيدروكسيل في مجموعة الكربوهيدرات لنيوكليوتيد آخر. خلال هذا التفاعل ، يتم تكوين جزيء ماء وإطلاقه.

/>
توضح الصورة أعلاه تخليق عديد النوكليوتيد باستخدام المجموعة الأمينية (باللون الأحمر) لأحد الأحماض الأمينية ومجموعة الكربوكسيل (الأحمر) لحمض أميني آخر. يشكل تفاعل التكثيف جزيء ماء (أزرق).

نايلون

النايلون هو بوليمر تكثيف من صنع الإنسان ، مما يعني أن عدة وحدات جزيئية متطابقة متصلة ببعضها البعض باستخدام تفاعل تكثيف. النايلون 66 ، أحد أهم أنواع النايلون ، مصنوع من حمض الأديبيك و هيكساميثيلين ديامين. يتكون بوليمر النايلون عن طريق ربط مجموعات الأمين الموجودة على هيكساميثيلين ديامين بمجموعات حمض الكربوكسيل على جزيئات حمض الأديبيك في نمط متناوب. الناتج الثانوي لتفاعل التكثيف هذا هو الماء.

إن أبسط أشكال النايلون هو Nylon 6 وهو مصنوع من الأحماض الأمينية 6-aminohexanoic acid. ينتج الماء أيضًا في تفاعل التكثيف هذا. ينقسم جزيء الهيدروجين من نهاية أمين حمض 6-aminohexanoic وينضم إليه مجموعة الهيدروكسيل من مجموعة حمض الكربوكسيل في الطرف الآخر من جزيء آخر من حمض 6-aminohexanoic. بعد ذلك ، تترابط ذرات النيتروجين والكربون في نهايات كل جزيء من جزيئات حمض 6-aminohexanoic لتشكيل بوليمر النايلون 6.


توضح الصورة أعلاه التركيب الكيميائي لـ Nylon 66 و Nylon 6 ، وهما منتجان من تفاعلات التكثيف التي تنفصل عن جزيئات الماء.

الداكرون

الداكرون هو الاسم التجاري للبولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) ، وهو بوليستر من صنع الإنسان ينتج عن التفاعل بين حمض التريفثاليك والإيثيلين جلايكول. يحتوي جزيء حمض التيريفثاليك على مجموعة حمض الكربوكسيل في كل طرف ، ويحتوي جلايكول الإيثيلين على مجموعة هيدروكسيل (كحول) في كل طرف. يتكون الماء عندما تنفصل مجموعة حمض الكربوكسيل ومجموعة الهيدروكسيل. ثم يتحد الجزيئان معًا في النهايات عبر روابط استر.


توضح الصورة أعلاه كيف يتحد حمض التيريفثاليك والإيثيلين جلايكول لتكوين البولي إيثيلين تيريفثاليت عبر تفاعل تكثيف يطلق الماء كمنتج ثانوي.


المحاضرة 5: الكيمياء الحيوية 4

قم بتنزيل الفيديو من iTunes U أو Internet Archive.

المواضيع التي تمت تغطيتها: الكيمياء الحيوية 4

المدربون: البروفيسور روبرت أ. واينبرغ

المحاضرة 10: Molecular Biolo.

المحاضرة 11: Molecular Biolo.

المحاضرة 12: Molecular Biolo.

المحاضرة 13: تنظيم الجينات

المحاضرة 14: Protein Localiz.

المحاضرة 15: الحمض النووي المؤتلف 1

المحاضرة 16: الحمض النووي المؤتلف 2

المحاضرة 17: الحمض النووي المؤتلف 3

المحاضرة 18: الحمض النووي المؤتلف 4

المحاضرة 19: دورة الخلية / الإشارة.

المحاضرة 26: الجهاز العصبي 1

المحاضرة 27: الجهاز العصبي 2

المحاضرة 28: الجهاز العصبي 3

المحاضرة 29: الخلايا الجذعية / استنساخ.

المحاضرة 30: الخلايا الجذعية / استنساخ.

المحاضرة 31: Molecular Medic.

المحاضرة 32: Molecular Evolu.

المحاضرة 33: Molecular Medic.

المحاضرة 34: الإنسان متعدد الأشكال.

المحاضرة 35: الإنسان متعدد الأشكال.

أردت فقط قضاء الدقائق الأولى والثانية في توضيح ثلاث قضايا. لا شيء يمثل مشكلة مفاهيمية كبيرة ، لكننا نود التركيز على التفاصيل وتصحيحها ، وتصحيحها هنا أيضًا.

أولاً ، لقد أخطأت في رد فعل آخر مرة وصفت فيه سبب كون الحمض النووي الريبي قابلاً للتغير القلوي ، أي ، إذا كان لدينا درجة حموضة عالية ، فإننا نسمي ذلك الرقم الهيدروجيني القلوي ، أو درجة الحموضة القلوية ، في الواقع ، لاستخدام الصفة. وقلنا أن مجموعات الهيدروكسيل يمكن أن تسبب انشقاق روابط الفوسفوديستر في الحمض النووي الريبي ولكن ليس الحمض النووي. والطريقة التي وصفت بها حدوث ذلك هي أن المجموعة القلوية تتسبب في تكوين هذه الحلقة المكونة من خمسة أعضاء هنا ، كربونين ، واثنين من الأكسجين والفوسفات. وهذا ينتهي في النهاية إلى هذا حيث لم يعد هناك أي اتصال مع أحادي الفوسفات الريبونوكليوزيد أدناه. وقد رسمتها على هذا النحو ، بدون أكسجين ، وهذا أمر غير مقبول لأنه ، في الواقع ، في الحقيقة ، وكما التقط العديد منكم ، يعود هذا إلى اثنين من الهيدروكسيل الأساسي. لذا ، يرجى ملاحظة أن هناك خطأ. هناك أيضًا بعض الأخطاء الأخرى. على سبيل المثال ، يمنحك الكتاب المدرسي انطباعًا بأنه عند بلمرة الأحماض النووية ، فإنك تستخدم أحادي الفوسفات للقيام بذلك.

وإذا استمعت إلى محاضرتي في المرة الأخيرة ، فهذا لا معنى له ، لأنك بحاجة إلى استثمار طاقة ثلاثي الفوسفات من أجل توليد طاقة كافية لتوليد طاقة كافية للبلمرة. الكتاب المدرسي غير صحيح هناك.

الكتب المدرسية كتبها الناس ، في السراء والضراء ، وعلى هذا النحو ، مثل كل شيء آخر ، فهي مميتة وغير معصومة. لذا ، فإن حقيقة الأمر ، عندما تقوم ببلمرة الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، فإنك تحتاج إلى واحد من أربعة ريبونوكليوزيد أو ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوزيد من أجل التبرع بالطاقة التي تجعل هذه البلمرة ممكنة.

ويرجى ملاحظة أن هذا خطأ في الكتاب. تذكر ، كما قلت في المرة السابقة ، حقيقة أن ATP هو حقًا عملة الطاقة في الخلية ، وأن طاقته مخزنة وملفوفة في هذا الزنبرك المكبوت حيث يحمل التنافر الكهروستاتيكي المتبادل بين الفوسفات الثلاثة سالبة الشحنة معه. طاقة كامنة هائلة.

ويمكن تحقيق بعض هذه الطاقة الكامنة أثناء تخليق بلمرة الأحماض النووية عن طريق شق هذه الرابطة هنا. يمكن للمرء أيضًا أن يولد طاقة كامنة عن طريق شق هذه الرابطة هنا. هذا هو ألفا وبيتا وغاما فوسفات. ويمكن أن يؤدي انقسام أي منهما إلى توليد طاقة كبيرة ، والتي بدورها يمكن ، كما سنشير قريبًا ، استثمارها في تفاعلات أخرى. تفاعل البلمرة. النقطة الثانية التي أود أن أوضحها لكم هي التالية ، وستقولون إنها نوع من المصادفة. عملة الطاقة في الخلية هي ATP ، أدينوزين ثلاثي الفوسفات ، ونرى هيكلها هنا ، ويصادف أن يكون هذا أحد السلائف الأربعة للحمض النووي الريبي.

لذلك ، يتم استخدام نفس الجزيء في هذين التطبيقين المختلفين غير المرتبطين بشكل ظاهري. الأول ، البلمرة لصنع RNA حيث يتم تخزين المعلومات الجينية ونقلها.

أو ، بدلاً من ذلك ، يتم استخدامه هنا في هذا السياق من أجل العمل كعملة للطاقة. طاقة عالية مثل ATP. ADP مع القليل من الطاقة. أحادي الفوسفات AMP مع طاقة أقل. وقد تسأل نفسك ، حك رأسك وقل لماذا يستخدم نفس الجزيء لهذين الشيئين المختلفين؟

في الواقع ، هناك تطبيقات أخرى لهذه الريبونوكليوسيدات والتي يبدو أيضًا أنها لا علاقة لها بتخزين أو نقل المعلومات الجينية. ومن المعتقد ، على الأرجح ، أن السبب وراء استخدام نفس الجزيء لهذه التطبيقات المختلفة تمامًا هو أنه في وقت مبكر من تطور الحياة على هذا الكوكب ، كان هناك بالفعل عدد قليل من الجزيئات البيولوجية التي كانت موجودة. في الواقع ، كما سنذكر مرة أخرى لاحقًا ، من المحتمل أن الكائنات الحية الأولى لم تستخدم الحمض النووي كجينومات. إنها مقالة إيمانية معنا أن المرء يخزن المعلومات الجينية في جزيئات الحمض النووي.

وأشرت إلى ذلك بشكل صريح في المرة الأخيرة. ولكن ، حقيقة الأمر ، ربما تكون الحالة أن الكائن الأول ، أول أشكال الحياة ما قبل الخلوية ، استخدم الحمض النووي الريبي كمواد وراثية ، RNA لتخزين الأشياء ، ونسخ الحمض النووي الريبي عبر جزيئات RNA مزدوجة الشريطة كطريقة للأرشفة المعلومات الجينية. وفقط في وقت لاحق أثناء تطور الحياة على هذا الكوكب ، عندما لم يكن ذلك ممكنًا ، ولكن كان من الممكن أن يكون بعد مائة أو مائتي عام. من الواضح ، إذا كنا نتحدث عن أصل الحياة منذ ما بين 3 و 3.5 مليار سنة ، فلا يمكننا تحديد ذلك في الوقت المناسب جيدًا ، ولكن لاحقًا فقط تم تكليف الحمض النووي بوظيفة التخزين ، بطريقة مستقرة ، المعلومات الجينية. ونتيجة لذلك ، أدركنا أيضًا اكتشافًا آخر ، وهو أن جميع المحفزات التي سنتحدث عنها اليوم ، الإنزيمات كما نسميها ، تقريبًا كل إنزيمات العصر الحديث هي بروتينات. وتحدثنا عنها بإيجاز من قبل. ولكن على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، و 20 عامًا ، كان هناك اكتشاف أن جزيئات معينة من الحمض النووي الريبي تمتلك أيضًا القدرة على تحفيز أنواع معينة من التفاعلات. عندما كنت أدرس الكيمياء الحيوية ، لو أخبرني أحدهم بذلك ، كنت سأستدعى جناح الطب النفسي لأن هذه كانت فكرة غريبة.

كيف يمكن لجزيء الحمض النووي الريبي أن يحفز تفاعل كيميائي حيوي؟

لا تحتوي على كل المجموعات الجانبية التي يحتاجها المرء لإنشاء المواقع المحفزة للتفاعلات. لكننا ندرك الآن ، على أساس البحث الذي أدى في الواقع إلى منح جائزة نوبل منذ حوالي خمس سنوات ، أن جزيئات الحمض النووي الريبي قادرة على تحفيز أنواع معينة من التفاعلات. ويبدأ ذلك في إعطائنا نظرة ثاقبة حول كيفية نشأة الحياة على هذا الكوكب لأن جزيئات الحمض النووي الريبي ربما تكون قد خزنت المعلومات الجينية ، كما قلت سابقًا ، ربما كانت جزيئات الحمض النووي الريبي ، أو سلائفها مثل ATP ، هي عملتها لتخزين روابط الطاقة العالية ، مثل يشار هنا.

وربما كانت جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) هي الإنزيمات الأولى التي تحفز العديد من التفاعلات في أشكال الحياة الأكثر بدائية التي وجدت لأول مرة على هذا الكوكب. وبالتالي ، ما أقوله هو أنه مع تطور الحياة في أول مائة أو مائتي مليون سنة ، ومن يدري كم من الوقت استغرقت ، تولى الحمض النووي تدريجياً مهمة تخزين المعلومات من الحمض النووي الريبي ، وتولت البروتينات تدريجياً مهمة وسيط الحفز ، من العمل كأنزيمات لتولي المهمة من جزيئات الحمض النووي الريبي. يوجد اليوم بعض التفاعلات الكيميائية الحيوية الأثرية التي نعتقد أنها بقايا ، أصداء لبداية الحياة على الأرض ، والتي لا تزال تتوسط فيها محفزات الحمض النووي الريبي. نعتقد أنها تمثل ارتدادًا إلى هذه الخطوات المبكرة جدًا ، ربما حتى في شكل الحياة ما قبل الخلوية حيث تم تفويض الحمض النووي الريبي بمهمة العمل كمحفز.

سنركز اليوم كثيرًا على قضية التفاعلات الكيميائية الحيوية بأكملها ومسألة الطاقة. وهذا يجعلنا ندرك أن هناك بالفعل نوعين من التفاعلات الكيميائية الحيوية.

ربما تعلم البعض منكم هذا منذ وقت طويل.

إما التفاعلات الباهظة التي تطلق الطاقة ، والتي تنتج الطاقة أثناء تقدمها ، أو على العكس من تفاعلات الطاقة التي تتطلب استثمارًا للطاقة من أجل المضي قدمًا.

لذلك ، من الواضح ، هنا ، إذا كانت هذه حالة طاقة عالية ونحن نتحدث عن الطاقة الحرة للنظام ، وهي إحدى الطرق لتصوير اللغة الديناميكية الحرارية مقدار الطاقة الموجودة في الجزيء ، إذا انتقلنا من طاقة عالية الحالة إلى حالة طاقة منخفضة ثم يمكننا رسم هذا مثل هذا ويمكننا أن ندرك أنه من أجل الحفاظ على الطاقة ، الطاقة الكامنة في هذا الجزيء ، يتم إطلاق الطاقة الكامنة العالية عندما تتدحرج هذه الكرة أو هذا الجزيء أسفل التل. وبالتالي ، ينتج التفاعل طاقة ، إنها طاقة. وعلى العكس من ذلك ، إذا أردنا أن يستمر رد الفعل هذا ، فنحن بحاجة إلى استثمار الطاقة الحرة من أجل تحقيق ذلك. تحدث الطاقة الحرة ، في أغلب الأحيان ، في شكل روابط كيميائية ، أي الطاقة التي يمكن استثمارها ، على سبيل المثال ، من خلال الاستفادة من الطاقة الكامنة المخزنة في الفوسفاتيستر ، في روابط الفوسفات والفوسفات المشار إليها بشكل صحيح هنا.

هنا ، بالمناسبة ، نموذج ملء الفراغ من ATP لمعلوماتك فقط. هذه هي الطريقة التي ستبدو بها في الحياة ، وهذه هي الطريقة التي نرسمها بها.

الآن ، بعد قولي هذا ، إذا نظرنا إلى ملف الطاقة الحرة للتغيرات الكيميائية الحيوية المختلفة ، فيمكننا تصويرها ، مرة أخرى ، بهذه الطريقة التخطيطية للغاية هنا.

وبالمناسبة ، يُطلق على الطاقة المجانية اسم G ، طاقة Gibbs المجانية بعد Josiah Gibbs الذي كان خبيرًا في الديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر في Yale في New Haven. وهنا ما نراه هو أن التغير في الطاقة الحرة بين المواد المتفاعلة والنواتج تعطى بواسطة دلتا ج.لذلك ، بحكم التعريف ، نبدأ التفاعل مع المواد المتفاعلة.

وننتهي في نهاية التفاعل مع المنتجات.

وبشكل عام ، إذا كان التفاعل مفرط الطاقة وسيستمر إلى الأمام ، فإنه يطلق طاقة. ويشار هنا إلى الإطلاق الصافي للطاقة بواسطة دلتا ج.ولكن ، في أغلب الأحيان ، التفاعلات الكيميائية الحيوية التي يفضلها بقوة ، والتي تكون طاردة للطاقة في الواقع لا يمكن أن تحدث بشكل عفوي.

لا تحدث بشكل عفوي لأنه ، لأسباب مختلفة ، يجب أن تمر عبر حالة وسيطة.

والذي يمثل في الواقع طاقة حرة أعلى بكثير مما تمتلكه المواد المتفاعلة الأولية. وهذه الطاقة الحرة الأعلى ، التي يحتاجون إلى اكتسابها من أجل التحرك فوق التل ونزولاً إلى الوادي ، تسمى طاقة التنشيط ، طاقة التنشيط.

وبالتالي ، إذا كنت سأزود هذه المواد المتفاعلة بالطاقة ، على سبيل المثال ، فلنفترض أنني كنت سأقوم بتسخين هذه المواد المتفاعلة ومن ثم أعطيها درجة أعلى من الطاقة الحرارية التي قد تكون قادرة على استخدامها للانتقال إلى هذه الطاقة العالية حالة.

لقد زودتهم بالطاقة المجانية من خلال إعطائهم الحرارة.

ثم قد يتمكنون من التحرك صعودًا إلى هنا ثم التدحرج إلى أسفل التل.

ولكن في حالة عدم التدخل الفعلي وتزويدهم بتلك الطاقة ، سيبقون هنا ، وقد يظلون هناك لمليون سنة ، على الرغم من أنه من حيث المبدأ ، إذا وصلوا إلى هنا ، فسيكونون أكثر سعادة. من حيث الوصول إلى حالة طاقة أقل بكثير. لتوضيح ما هو واضح ، ترغب كل هذه الأنواع من ردود الفعل في الوصول إلى أدنى حالة طاقة ممكنة. لكن في الوقت الفعلي لا يمكن أن يحدث ذلك إذا كانت هناك طاقة تنشيط عالية. الآن ، ماذا تفعل الإنزيمات؟

كالعادة ، أنا سعيد لأنني طرحت هذا السؤال. ما يفعلونه هو أنهم يقللون من طاقة التنشيط. وهذا واضح من ناحية ، وهو خفي بمعنى ما ، لأن الإنزيمات ليس لها أي تأثير على حالة الطاقة الحرة للمتفاعلات ، وليس لها أي تأثير على الطاقة الحرة للمنتجات. كل ما يفعلونه هو خفض الحدبة ، وقد يخفضونها بشكل كبير جدًا.

ولأنها تخفضها بشكل كبير ، فقد تكون بعض المواد المتفاعلة هنا ، فقط من خلال فرصة اكتساب الطاقة الحرارية ، قادرة على التحرك فوق الحدبة المنخفضة للغاية والانتقال إلى هذه الحالة هنا. الآن ، الفرق الفعلي في طاقة جيبس ​​الحرة لم يتأثر إطلاقا.

كل ما يحدث هو أن الإنزيم ، عن طريق خفض طاقة التنشيط ، يجعل ذلك ممكنًا في الوقت الفعلي. الحقيقة هي أنه في النهاية ، إذا كان على المرء أن يرسم أنواعًا عديدة من التفاعلات ، فإن العديد من التفاعلات ، كما هو موضح هنا ، لها طاقة تنشيط عالية جدًا ، وبالتالي ننظر إليها على هذا النحو. ولكن يمكن أن تكون هناك تفاعلات أخرى قد يكون لها طاقة تنشيط تبدو مثل هذه ، لا شيء على الإطلاق. ويمكن أن تحدث هذه التفاعلات بشكل عفوي في درجة حرارة الغرفة في غياب أي تدخل بواسطة الإنزيم. على سبيل المثال ، لنفترض أننا نتحدث عن مجموعة كربوكسيل تطلق بروتونًا. لقد تحدثنا عن ذلك بالفعل. حسنًا ، هذا التفاعل يحدث تلقائيًا في درجة حرارة الغرفة. لا يحتاج إلى إنزيم لتحقيق ذلك. يمكن أن يحدث ذلك لأنه لا يوجد أساسًا طاقة التنشيط. لكن الغالبية العظمى من التفاعلات الكيميائية الحيوية لديها طاقة تنشيط كهذه ، وبالتالي تتطلب خفضًا مثل هذا من أجل الحدوث.

الآن ، دعنا نتخيل إصدارات أخرى من ملف تعريف الطاقة للتفاعل.

وتذكر أن ما أعرضه هنا على الإحداثي هو مجرد مسار رد الفعل. يمكنك أن تتخيل أنني لا أخطط للوقت حقًا. أنا أتحدث فقط عن موقف لم يحدث فيه رد الفعل على اليسار وحدث ذلك على اليمين. هل يمكنك رؤية هذا هناك؟ ثم لن أكتب هناك. حسنا. دعونا نرى إذا كان هذا يعمل.

يا فتى ، نحن هنا في القرن الحادي والعشرين وما زلنا لم ننجح في حل هذه المشكلة.

نعم. يمكن للجميع رؤية هذا هنا ، أليس كذلك؟ نعم.

اذا انظر. لنتخيل أن لدينا رد فعل يشبه هذا ، ملف تعريف رد فعل يشبه هذا ، حيث تتكافئ هاتان الطاقتان في الواقع. نعم؟ لقد حاولت أن أرسمهم.

حسنًا ، إنهم ليسوا بالضبط ، لكنهم إلى حد كبير على نفس المستوى تمامًا. ولنفترض أننا بدأنا بعدد كبير من الجزيئات هنا. الآن ، إذا كان هناك إنزيم حول هذا الإنزيم ، فقد يقلل الإنزيم من طاقة التنشيط ، وبذلك ، يجعل من الممكن للجزيئات أن تخترق هذا التل وتتحرك هنا. حقيقة أنه عندما ينتقل الجزيء إلى هنا يكون لديه نفس الطاقة الحرة الموجودة هناك ، فإن ذلك يعني أن المحفز ، من حيث المبدأ ، قد يسهل أيضًا التفاعل الخلفي.

ماذا أعني برد الفعل الخلفي؟ أعني الذهاب في الاتجاه المعاكس بالضبط. وهكذا ، بمجرد أن تتشكل الجزيئات هنا ، فإن تأثير خفض الطاقة للإنزيم قد يسمح لها بالتحرك في كلا الاتجاهين. وبالتالي ، فإن ما سنحصل عليه في النهاية هو إقامة توازن.

إذا كانت حالتا الطاقة هاتان متساويتان ، سأخبرك ، أن 50٪ من الجزيئات تنتهي هنا و 50٪ من الجزيئات تنتهي هنا. وها نحن نبدأ الآن في الصراع بين مفهومين مستقلين مختلفين ، معدل التفاعل وحالة توازن التفاعل.

لاحظ أن الإنزيم ليس له أي تأثير على الإطلاق على حالة التوازن.

هذان هما في طاقات حرة متساوية ، حالة التوازن.

سواء كان حاجز الطاقة مرتفعًا أو ما إذا كان هذا الارتفاع غير ذي صلة. الحقيقة هي أنه إذا كان الإنزيم يجعل هذه الحركة ممكنة ذهابًا وإيابًا ، فإن حالة التوازن النهائية ستكون 50٪ من الجزيئات هنا و 50٪ من الجزيئات هناك.

وبالتالي ، يؤثر الإنزيم حقًا فقط على معدل حدوث التفاعل. هل سيحدث في جزء من الثانية أم سيحدث في يوم واحد أم سيحدث خلال مليون سنة؟

لا يؤثر الإنزيم على الإطلاق على المنتج النهائي ، وهو في هذه الحالة التوازن.

بالطبع ، هناك شكليات رياضية بسيطة تربط الاختلاف في الطاقات الحرة بالتوازن.

هنا قد يكون لدينا موقف حيث ينتهي 80٪ من الجزيئات بالتوازن هنا وينتهي الأمر بـ 20٪ هنا. أو ، قد ينتهي بنا الأمر كحالة حيث ينتهي 99٪ من الجزيئات هنا و 0.

٪ من الجزيئات تنتهي هنا. لكن حالة التوازن النهائية هذه لا تتأثر بأي حال من الأحوال بالإنزيم. إنهم فقط يحققون ذلك في الوقت الفعلي. وبالتالي ، لتكرار وترديد النقطة التي أشرت إليها في المرة الأخيرة ، إذا كانت معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية ستحدث في الوقت الفعلي ، أي في ترتيب الثواني أو الدقائق ، يجب أن يكون الإنزيم موجودًا للتأكد من حدوثها.

في غياب مثل هذا الإنزيم من التوسط ، لن يحدث ذلك في الوقت الفعلي. على الرغم من أنها مفضلة بقوة من حيث المبدأ. لذا ، دعنا فقط نضع ذلك في الاعتبار أثناء المناقشات التي تحدث. ودعونا نبدأ الآن في إلقاء نظرة على تفاعل مهم لتوليد الطاقة في الخلية يسمى تحلل السكر. نحن نعلم بالفعل البادئة glycol.

يشير جليكو إلى السكر. والتحلل ، L-Y-S-I-S يشير إلى انهيار مركب معين. لن أسألك ، ولن يطلب منك أي شخص آخر في الغرفة حفظ تسلسل ردود الفعل هذا. لكني أود منكم أن تنظروا إليها وتروا الدروس التي يمكن أن نستخلصها من ذلك ، ما هي الحكمة التي يمكن أن نتعلمها من النظر إلى مثل هذه السلسلة المعقدة من ردود الفعل. ربما ، أول شيء يمكننا تعلمه هو أنه عندما نفكر في التفاعلات الكيميائية الحيوية ، لا نفكر فيها على أنها تحدث بمعزل عن غيرها. أتحدث هنا ، على سبيل المثال ، في هذه الحالة يمكن أن أتحدث عن A زائد B بالذهاب إلى C زائد D ، وقد يكون هناك رد فعل خلفي للوصول إلى التوازن.

ونحن فقط نعزل رد الفعل البسيط هذا عن كل الآخرين من حوله.

لكن في العالم الحقيقي في الخلايا الحية ، تكون معظم التفاعلات أجزاء من مسارات طويلة جدًا حيث تشير كل خطوة من هذه الخطوات هنا إلى أحد الخطوات الأخرى ، وهي خطوة في المسار. ما يهمنا هنا هو كيفية تفكيك الجلوكوز ، الذي أعلنت عنه قبل محاضرتين كمصدر مهم للطاقة.

كيف تحصد الخلية الطاقة الكامنة في الجلوكوز لتوليد ، من بين أمور أخرى ، ATP ، والتي قلناها مرارًا وتكرارًا هي عملة الطاقة؟ يتم استخدام ATP بواسطة مئات التفاعلات الكيميائية الحيوية المختلفة من أجل تحقيقها.

هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية الأخرى هي تفاعلات مفعمة بالحيوية ، وتتطلب استثمارًا للطاقة ، وبشكل ثابت تقريبًا ، ولكن ليس دائمًا ، ولكن تقريبًا ستمسك الخلية بجزيء ATP ، وتكسرها عادةً إلى AMP أو ADP.

ومن ثم استخدام الطاقة ، المستمدة من تحطيم ATP ، سوف تستثمر هذه الطاقة في تفاعل endergonic ، والذي لن يحدث لولا ذلك. لذا ، نصل هنا إلى فكرة أنه ربما من خلال استثمار الطاقة في تفاعل ما ، يتغير التوازن. لأنه من خلال استثمار الطاقة ، في الواقع ، تكون الخلية قادرة على خفض حالة الطاقة الحرة بين هذين الاثنين.

وهذا يجعل من الممكن أن يكون توازنهم أفضل بكثير.

لنلقِ نظرة على مسار التحلل السكري هذا. من الواضح أن حال السكر يشير إلى تحلل السكر. وهنا نبدأ بالجلوكوز.

نحن نرسمه بشكل مسطح بدلاً من الهيكل الدائري الذي تحدثنا عنه في المرة السابقة. ودعونا نلقي نظرة على ما يحدث هنا ، مرة أخرى ، ليس لأن أي شخص يريدك أن تحفظ هذا ، ولكن لأن بعض التفاصيل في حد ذاتها توضيحية للغاية.

الهدف من هذا التمرين هو إنتاج ATP للخلية ، لكن الخطوة الأولى في التفاعل تأتي في الواقع بنتائج عكسية تمامًا. انظر إلى أول شيء يحدث. أول شيء يحدث هو أن الخلية تستثمر جزيء ATP لصنع الجلوكوز 6 فوسفات.

لقد أعلنت أن الهدف من ذلك هو إنتاج ATP من ADP ، ثنائي فوسفات الأدينوزين. لكن أول شيء هنا ، هذا هو تفاعل مفاجيء حيث تستثمر الخلية الطاقة لتكوين هذا الجزيء هنا. لذا ، هذا غير منطقي.

لكن ظاهريًا يجب أن يكون منطقيًا ، على مستوى أو آخر ، لأنك وأنا ، نحن جميعًا هنا ، والجميع في هذه الغرفة ، على الأقل هذه اللحظة نشطة في التمثيل الغذائي.

حسنا. إذن ، لدينا هذا الجزيء هنا ، الجلوكوز 6 فوسفات. وهذا يمكن أن يتشابه.

ترى ، هنا جلوكوز 6 فوسفات ، فركتوز 6 فوسفات.

وحقيقة الأمر أنه لا يوجد تفاعل اختزال للأكسدة هنا. إنها مجرد أزمرة.

وهذا الجزيء وهذا الجزيء في نفس حالة الطاقة الحرة تقريبًا. يحدث أن يكون ملفهم الشخصي يشبه إلى حد كبير الملف الشخصي الذي رسمته لك من قبل. سيبدو ملف الطاقة الخاص بهم هكذا. ويحتاج المرء إلى إنزيم لخفضه ، لكن لا توجد طاقة تحتاج إلى استثمارها في تحويل أحدهما إلى الآخر لأنهما جزيئات متشابهة جدًا وبالتالي حالات طاقة حرة لا تضاهى. انظر الآن إلى الخطوة التالية.

الخطوة التالية هي مرة أخرى طريقة أخرى لتوليد الطاقة تؤدي إلى نتائج عكسية تمامًا. لأنه ، مرة أخرى ، ATP ، فوسفات جاما ، يتم استثمار طاقته في إنشاء سداسي الفوسفات ، الفركتوز 1 ، 6 ثنائي الفوسفات حيث تشير الأرقام بوضوح إلى هويات الكربون.

والآن لدينا جزيء الفركتوز منزوع الفسفرة.

وهنا يمكنك في الواقع أن ترى ما هو ثلاثي الأبعاد ، ما نتخيله أقرب إلى الشكل الذي تبدو عليه الهياكل ثلاثية الأبعاد لهذه الجزيئات. ولا يجب أن نركز هذه المرة على ما إذا كان هذا أو هذا. لجميع الأغراض العملية ، دعنا نركز فقط على هذا المسار هنا. وهنا ، ولأول مرة ، ما يحدث الآن هو أن هذا السداسي ينقسم إلى مجموعتين ، أي إلى اثنين من سكريات الكربون الثلاثة.

وهذا رد فعل طفيف.

ينتج ، يحدث بدون استثمار الطاقة.

وهناك إنزيم ، مرة أخرى ، مطلوب لتحفيزه. لكن لنكن واضحين حقًا الآن.

الآن علينا أن نتبع مصير جزيئين.

الثلاثي الأول والثاني. لديهم أسماء مختلفة ، لكننا لن نركز على الأسماء. شيء واحد تلاحظه حول هذه الثلاثيات هو أنها قابلة للتحويل المتبادل بسهولة.

مرة أخرى ، يمكننا أن نتخيل أن لدينا موقفًا يشبه هذا. هذه تقلب ذهابًا وإيابًا.

وبالتالي ، بالنسبة لجميع الأغراض العملية من وجهة نظرنا ، فإن هذين الأمرين متكافئان لأنه يمكن تبادلهما تقريبًا بشكل فوري مع الآخر. الآن ، لقد أنفقنا بالفعل طاقة حتى الآن. لم نحصد الطاقة. لكن ، ضع في اعتبارك ، القول المأثور الاقتصادي القديم الذي يجب أن تستثمر فيه المال لكسب المال.

وهذا ما يحدث هنا. أول ما يحدث هو أن لدينا تفاعل أكسدة. ما هو تفاعل الأكسدة؟

نريد تجريد بعض الإلكترونات ، زوجًا من الإلكترونات من هذا الثلاثي المحدد ، سكر الكربون الثلاثة.

وبتجريد زوج من الإلكترونات فإننا نتبرع بالإلكترونات من NAD + إلى NADH. وهنا ترد هذه الهياكل في كتابك. ولكن اتضح أن NADH هو أن الإلكترونات يتم سحبها بعيدًا عن المثلث ويتم استخدامها لتقليل NAD + إلى NADH.

ضع في اعتبارك أنه في تفاعل الأكسدة ، يُحرم جزيء واحد يتأكسد ، ويحرم زوجًا من الإلكترونات.

الجزيء الآخر الذي يتم اختزاله ، في هذه الحالة NAD ، يكتسب زوجًا من الإلكترونات. ويمكنك التركيز ، إذا أردت ، حول شحنة هذه الجزيئات ، واحدة أو أخرى. لكن ، ضع في اعتبارك أنه في تفاعلات تقليل الأكسدة هذه ، سواء كانت مشحونة أو ناقصة ، لا علاقة لها بالموضوع. الاسم الحقيقي للعبة هو الإلكترونات. انس أمر البروتونات ، سواء كانت تحتوي على شحنة موجبة أو محايدة. الاسم الحقيقي للعبة هنا هو أنه يتم استخدام إلكترونين لاختزال هذا الجزيء إلى هذا الحد.

بالمناسبة ، الخطأ الثالث الذي نسيت أن أخبرك به من قبل ، هناك رابط مزدوج في أحد البيريميدين في الكتاب لا معنى له. كل من يجدها يحصل على جائزة ، لكن لم يكتشف أحد ماهية الجائزة حتى الآن. لذلك ، يتم تقليل هذه الرابطة المزدوجة. ترى الفرق بين هذا وهذا هنا. واتضح أن NADH هو جزيء عالي الطاقة. القيمة الحقيقية لـ NADH هي ثلاثة ATPs ، أي في الميتوكوندريا يمكن استخدام NADH لتوليد ثلاثة ATPs ، وهذا يستحق شيئًا. لذلك ، NADH بمفرده جزيء عالي الطاقة. لا يمكن استخدامه للعديد من الأشياء ، ولكن يمكن سحبها إلى الميتوكوندريا حيث يتم تحويلها إلى ثلاثة ATPs.

لذلك ، نقول ، حسنًا ، لقد بدأنا في جني بعض المال من هذا الاستثمار لأننا في الواقع قمنا بعمل هذه القواعد الوطنية الصحية.

انظر هنا. لماذا نقول اثنين من NADHs؟

لأن هناك مجموعتين من الثلاثيات التي نعمل معها ، وكل واحد من الثلاثيات يمنحك NADH. لذا ، كل ما يحدث بعد ذلك ، بدءًا من الأعلى هنا ، يتضاعف الآن لأننا ننظر إلى السلوكيات المتوازية لاثنين من سكريات الكربون المتماثلة الثلاثة.

إذن ، لقد أنشأنا هنا حتى الآن ، من حيث المبدأ ، ستة من ATPs.

كم استثمرنا بالفعل حتى هذه النقطة؟ اثنين.

استثمرنا اثنين لكننا حصدنا ستة. لقد بدأنا بالفعل في جني القليل من المال لأنني أخبرتك أن القيمة السوقية لـ NADH هي ثلاثة ATPs في السوق السوداء. حسنًا ، ماذا سيحدث بعد ذلك؟

التالي هو شيء جيد آخر. كل من الثلاثيات ، يمكن للمرء أن يتسبب في الواقع في كل من الثلاثيات لتوليد جزيء ATP من ADP. ماذا يحدث هنا؟

اتضح أن هذا الفوسفات الموجود هنا هو في الواقع في حالة طاقة عالية جدًا ، في جزء ليس صغيرًا بسبب تنافر الإلكترون سالب-سالب. ومن خلال تجريد هذا الفوسفات من هذا الفوسفات عالي الطاقة المنزوع من هذا الجزيء هنا ، والذي سنتجاهل اسمه ، يتيح لنا فسفرة ATP.

ونظرًا لوجود اثنين من عمليات التحويل الثلاثية ، فسنحصل على اثنين من ATPs. لذلك ، في الواقع ، نحن الآن بالفعل في المقدمة. بدأنا في استثمار اثنين ، واستردنا ستة من NADHs ، واستعيدنا اثنين هنا.

لذلك ، صنعنا اثنين من ATPs. هذا أمر جيد. ضع في اعتبارك أن ADP هي طاقة أقل ، أما ATP فهي طاقة عالية. مرة أخرى ، لدينا أزمرة حيث يكون هذان الجزيئان في حالات مماثلة هنا وهنا ، حيث يقفز الفوسفات إلى هذه الحالة. ويتحلل هذا تلقائيًا ونحصل على هذا الجزيء هنا ، phosphoenolpyruvate في النهاية.

ومرة أخرى ، نحصد اثنين من ATPs ، واحد من ATP من كل من الثلاثيات. وننتهي ، في نهاية هذا التفاعل ، بالبيروفات. وستقول أن هذا رائع لأننا استثمرنا اثنين من ATPs ، وحصدنا أربعة ، بالإضافة إلى أننا حصلنا على ستة من NADHs ، أليس كذلك؟ اثنين من NADH ، كل NADH يعطينا ثلاثة لكل منهما ، لذلك دعونا نجري العملية الحسابية. لنقم بالميزانية العمومية. لقد استثمرنا في البداية ، مع جلوكوز واحد ، استثمرنا اثنين من ATPs. كان ذلك في وقت مبكر. ثم كان العائد أول اثنين من NADHs ، والتي أخبرتك أنها تساوي ستة ATPs. لأن NADH تساوي ثلاثة ATPs.

هذا جيد حتى الآن. والآن بعد ذلك قمنا بعمل أربعة ATPs بحيث يبدو صافي العائد مفيدًا جدًا. ستة زائد أربعة يساوي عشرة ناقص اثنين ، ربح ثمانية ATPs من جزيء جلوكوز واحد.

قد تقول هذا رائع ، لكن هناك مشكلة.

هناك خدعة. إذا حدث تحلل الجلوكوز في غياب الأكسجين ، إذا حدث ذلك ، فسنواجه مشكلة هنا ، لأن الطريقة الوحيدة التي يمكن أن تولد بها NADHs ATP هي إذا كان هناك أكسجين لأخذ أزواج الإلكترونات هذه واستخدامها لتقليل جزيء الأكسجين . هذا ، بالمناسبة ، جزء من سبب تنفسنا. ضع في اعتبارك أنه عند إنشاء NADH من جزيء NAD ، فأنت بحاجة إلى تجديد NAD.

لا يمكنك فقط تجميع المزيد والمزيد من NADHs. تحتاج إلى تجديد NAD. وبالتالي ، فإن NADH هذا ، مع أزواج الإلكترونات الخاصة بهم ، يكون لأزواج الإلكترون بعضًا للتخلص منها. يجب عليك تجديد NAD. لا يمكنك فقط صنع المزيد والمزيد من هذا. فكيف تتخلص منه الخلايا؟

حسنًا ، كيف يتخلصون منه بسيط.

تأخذ أزواج الإلكترونات وتضعها على الأكسجين ، وهذا ما يسمى بالفعل الاحتراق. وتحصل على الكثير من الطاقة من ذلك. ولكن ماذا يحدث إذا حدث كل هذا بشكل لا هوائي؟

اللاهوائية تعني أن التفاعل يحدث في غياب الأكسجين.

حسنًا ، إذا كان لديك خميرة تنمو على عمق 14 قدمًا تحت الأرض ، فهذا يحدث بشكل لا هوائي. إذا كان لديك خميرة يتم تخميرها في برميل كبير لصنع النبيذ أو البيرة ، فمن المحتمل أيضًا أن يحدث ذلك بشكل لا هوائي. إذا بدأت في الجري لمسافة 100 ياردة ، أو لنفترض أنه كان عليك الركض لمسافة ميل ، فسيكون هناك في البداية ما يكفي من الأكسجين ، وهناك الكثير من الأكسجين حولك للسماح لك بالتخلص من NADHs وتفريغ الإلكترونات التي اكتسبوها على جزيء الأكسجين. وهذا جيد.

هذا يستحق الكثير لأنه ، في الواقع ، ما تفعله هو أنك تأخذ الأكسجين والهيدروجين وتقوم بحرقهما معًا.

وهذا رائع. ولكن عندما تبدأ بالجري في الشارع ، سرعان ما ينفد إمداد الأكسجين لعضلاتك ، وسرعان ما يحدث الكثير من إنتاج الطاقة في عضلاتك بطريقة لاهوائية. لماذا ا؟ نظرًا لأنه لا يمكنك الحصول على الأكسجين بسرعة كافية لعضلاتك ، وبالتالي ، لفترة من الوقت ، تبدأ في الشعور بالحرقان في عضلاتك لأن أكسدة NADH لا تحدث. وبدلاً من ذلك ، يتم تجديد NADHs بطريقة أخرى. كيف يتم تجديدها؟ يجب أن يتم إلقاء أزواج الإلكترون من NADH مرة أخرى على هذا الجزيء هنا ، البيروفات. لم يتم استخدامها لصنع ATP لأنه لا يمكن استخدامها لصنع ATP لأنه لا يوجد أكسجين حولها لقبول أزواج الإلكترونات التي اكتسبتها NADH.

وهكذا ، ماذا يحدث مع هذه NADHs القيمة؟

لا يحدث هذا في ظل الظروف اللاهوائية.

يتم استخدام NADHs بدلاً من ذلك ، يتم التبرع بإلكتروناتهم لصديقنا البيروفات هنا ، سكر الكربون الثلاثة.

وما يحدث ، عندما يتم التبرع بها مرة أخرى إلى البيروفات ، من أجل تجديد NAD ، فأنت بحاجة إلى المزيد من NAD لالتقاطه لاستخدامه لاحقًا في التفاعل ، لاستخدامه مرة أخرى في رد فعل آخر.

عندما تتبرع بالإلكترونات من NADH مرة أخرى إلى البيروفات ، ماذا يحدث؟ تحصل على حمض اللاكتيك. حمض اللاكتيك هو ما يجعل عضلاتك تحترق عندما تجري بسرعة كبيرة ولا يمكنك الحصول على ما يكفي من الأكسجين لبدء حرق NADH.

لذلك ، بدلاً من استخدام NADH لتوليد ATP ، يتم تحويله لإنتاج حمض اللاكتيك. هذا جيد بمعنى ما لأنك تقوم بتجديد NAD.

لماذا تحتاج إلى تجديد NAD؟ لأنك بحاجة إلى الكثير من NAD حول الخطوات السابقة في التفاعل.ضع في اعتبارك ، في وقت مبكر من رد الفعل ، تحتاج إلى NAD هنا. إذا لم تقم بتجديده ، فإن تحلل السكر يتوقف. لذلك ، على الرغم من أنك تقوم بعمل NADH وهو أمر جيد من حيث المبدأ ، إلا أنه من الناحية العملية يجب إعادة تدويره.

وإذا لم يتم إعادة تدويرها لصنع المزيد من NAD الجديد للسماح بحدوث هذه الخطوة ، فسيتم إيقاف تفاعل حال السكر بالكامل وستكون في حالة من الفوضى. ومع ذلك ، للأسف ، في حالة عدم وجود الأكسجين ، فإن الطريقة الوحيدة لإعادة تدوير هذا هو تفريغ هذه الإلكترونات وليس في الأكسجين الغني بالطاقة ، بل يتم تفريغها مرة أخرى في حمض البيروفيك لإنتاج حمض اللاكتيك.

لذا ، تقلل هذه الرابطة هنا. لذا ، تحصل على CH ، COH. يتم تقليل هذه الرابطة هنا وتحصل على حمض اللاكتيك.

لذا ، بدلاً من رابطة الكربونيل هنا لديك CH و COH هنا ، هذا تفاعل اختزال. والآن أنت قادر على تجديد NAD. والآن تقول أن هذا شيء عظيم. لكن ، ضع في اعتبارك أنه الآن رد فعل حال السكر بالكامل ، كم هو صافي ربحنا الآن؟ قبل أن أكون شماتة بشأن حقيقة أننا صنعنا ثمانية لاعبين للاعبي التنس المحترفين ، حققنا ثمانية لاعبين للاعبي التنس المحترفين من هذا. ما الذي عدنا إليه الآن؟

ما هو إجمالي العائد الصافي الآن؟ حسنًا ، لا يمكن لـ TAs الإجابة.

اثنان ، لأننا استثمرنا اثنين وخرجنا من أربعة.

وهو اثنان فقط. الآن ، لماذا هذا مثير للاهتمام؟

حسنًا ، حتى ما يقرب من ستمائة مليون سنة لم يكن هناك الكثير من الأكسجين في الغلاف الجوي. وفي حالة عدم وجود الأكسجين ، يكون هذا هو التفاعل الوحيد تقريبًا الذي يمكن استخدامه لتوليد الطاقة. ومنذ حوالي ستمائة مليون سنة ، تم التخلص من المزيد والمزيد من الأكسجين الناتج عن عملية التمثيل الضوئي في الغلاف الجوي.

وسرعان ما أصبح الأكسجين متاحًا للكائنات الحية مثل أسلافنا.

وبعد ذلك يمكنهم في الواقع البدء في إعادة تدوير NADH بطريقة أكثر إنتاجية. ونتيجة لما حدث ، بدلاً من أن ينتج عن تحلل السكر اثنين ، يمكننا أن نرتقي إلى هذه الثمانية النظرية لأن NADHs يمكنها الآن إيداع إلكتروناتها على الأكسجين ، وهو أمر أكثر ربحية.

في الواقع ، لقد أخبرتك الآن أنه في حالة عدم وجود الأكسجين ، يمكنك فقط صنع اثنين من ATPs. سأخبرك ، دون أن أعطيها لك ، أنه في وجود الأكسجين يمكنك صنع 34 لاعبًا للاعبي التنس المحترفين.

و 34 ، يمكننا أن نتفق ، أفضل بكثير من اثنين في وجود الأكسجين. لا يمكن لأشكال الحياة الأعلى أن تتطور حتى تصبح هذه الطريقة الأكثر فعالية لتوليد الطاقة متاحة. وبالتالي ، إذا كان أسلافنا الذين عاشوا منذ أكثر من ستمائة مليون سنة بطيئين للغاية ولم يكونوا أذكياء جدًا ، فإن السبب في أنهم كانوا بطيئين ولم يكونوا أذكياء جدًا هو أنهم لم يتمكنوا من توليد الطاقة التي كان مطلوبًا لدفع عملية التمثيل الغذائي بكفاءة.

التمثيل الغذائي ، التمثيل الغذائي اللاهوائي ، أنا.

. ، التي تحدث في غياب الطاقة ، غير فعالة للغاية.

إنه لا يحدث بشكل جيد. الآن ، ماذا يحدث في الواقع إذا كان لدينا أكسجين حولنا؟ حسنًا ، ما يحدث هو شيء من هذا القبيل. نأخذ البيروفات ، وهو نتاج تحلل السكر وهو هذا المسار الأكثر بدائية ، ونفرمه في الميتوكوندريا. والآن نولد من خلال هذه الدورة هنا ، والتي لا أطلب منك حفظها ، من فضلك ، لا تفعل ذلك. نقوم بتوليد التفاعلات التي تبدأ من هنا ونصل إلى هذا الناتج 34 ATP لكل جلوكوز. وجوهر دورة حامض الستريك ، الذي يحدث في الميتوكوندريا ، ضع في اعتبارك أن الميتوكوندريا تبدو هكذا.

ضع في اعتبارك أن الميتوكوندريا هي أسلاف البكتيريا التي طفت على سيتوبلازم الخلايا منذ 1.5 مليار سنة على الأرجح.

ولكن إذا نظرنا الآن إلى ما يحدث في الميتوكوندريا ، فإن البيروفات الذي أنشأناه في العصارة الخلوية ، في الجزء القابل للذوبان من السيتوبلازم يتم ضخه الآن في الميتوكوندريا ، وهناك سلسلة كاملة من التفاعلات التي تحدث هنا ، والتي تأخذ هذا ثلاثة سكر كربون. أول شيء يحدث هو أن الكربون يغلي. ثاني أكسيد الكربون ، الذي تم إطلاقه.

نحن الآن ننتقل إلى سكر كربونين. ثم يضاف سكر الكربون إلى أربعة سكر كربون ويتأكسد تدريجياً.

وبما أنه يتأكسد ، ما الذي تم فصله؟ حسنًا ، ما تم فصله ، على سبيل المثال ، هناك NADH الذي تم فصله ، وهناك ATP.

انظر ، هناك NADH الذي تم نسجه. إليك NADH الذي تم فصله.

هنا ابن عم NADH. إنها تسمى FADH والتي تولد مرة أخرى جزيء عالي الطاقة. مرة أخرى ، تتأكسد جزيئات الكربون ، ويتم تجريد الإلكترونات واستخدامها لإنشاء هذه الجزيئات عالية الطاقة ، FADH و NADH.

بالمناسبة ، FADH ، ابن عم NADH ، لا تساوي سوى اثنين من ATPs في السوق المفتوحة. حيث إن NADH ، كما أخبرتك مرارًا وتكرارًا ، تساوي ثلاثة. وبحلول الوقت الذي نضيف فيه كل NADHs التي تم إنشاؤها بواسطة هذه الدورة وثاني أكسيد الكربون التي يتم إطلاقها ، في نهاية هذه الدورة هنا نبدأ مع اثنين من الكربون ، نضيفها إلى أربعة ونحصل على ستة جزيئات كربون .

نطلق بعض ثاني أكسيد الكربون هنا ونعود إلى أربعة سكر كربون. أضف اثنين آخرين ، اصعد إلى ستة ذرات كربون. تجول مرة أخرى ، تدور حول العجلة. وفي كل مرة نقوم بذلك ، ننتج الكثير من NADHs ، ننتج الكثير من FADHs ، وننتج الكثير من ATP. في جميع الحالات ، تعد هذه ردود أفعال مربحة للغاية لأن NADHs و FADHs يمكن استخدامها في الميتوكوندريا لتوليد ATP. لذا ، دعونا نلقي نظرة على ملف الطاقة الخاص بالشيء بأكمله. ضعها سوية. هذا هو المكان الذي بدأنا فيه في البداية ، وهذه نهاية عملية تحلل السكر ، حسنًا؟ لذا ، نحن الآن نجمع ملفات تعريف الطاقة للتسلسل الكامل للتفاعلات التي شكلت تحلل السكر ، والتي تبدأ هنا وتنتهي هنا لأن البيروفات ، كما ستتذكر ، هي نتاج تحلل السكر ، الخطوة الأولى. تحدث دورة كريبس ، أو أحيانًا تسمى دورة حمض الستريك. لذا ، دعنا فقط نصحح هذه الكلمات. دورة حمض الستريك لأنها تصادف أنها إحدى الدورات ، أو تسمى أحيانًا دورة كريبس بعد الشخص الذي اكتشفها حقًا ، كريبس.

تبدأ دورة كريبس هنا. ترى كيف يتغير التظليل من البيروفات. وها نحن نذهب إلى هناك. ودعونا الآن نلقي نظرة على ما يحدث من حيث تبادل الطاقة.

تذكر أنه في وقت مبكر كنا بحاجة إلى استثمار ATPs لرفع حالة الطاقة إلى هنا. لقد استثمرنا ATPs في هذه المرحلة هنا ، ثم بدأنا في استعادة بعض منها.

حصلنا على هذين NADHs ، واحد NADH يأتي من كل من سكريات الكربون الثلاثة. لقد حصلنا على المزيد من ATPs هنا وحصلنا على المزيد من ATPs هنا ، ولكن لا يمكن استخدام NADH بشكل مثمر لتوليد ATP في حالة عدم وجود الأكسجين ، ولكن في وجود الأكسجين الآن يمكننا البدء في استخدام هذه بشكل مربح للغاية. كل من هؤلاء يصنع ثلاثة ATPs وكل واحد منهم ، من الواضح ، يصنع ATPs. ثم دعونا نلقي نظرة على ما يحدث في الميتوكوندريا. ضع في اعتبارك أن هذا هو الحد الفاصل بين العصارة الخلوية والسيتوبلازم والميتوكوندريا.

هنا حيث يتم استخدام الأكسجين فعليًا وهنا ننتج كل هذه NADHs هنا وهنا وهنا ، FADHs. وما زلت أقول ، ولا يزال هذا صحيحًا ، على الرغم من الحقيقة التي أواصل قولها ، أن NADHs يمكن تحويلها إلى ATPs ، ويمكن بعد ذلك نشر ATPs ، ونقلها عبر الخلية بأكملها حيث يتم استثمارها بعد ذلك في ردود الفعل endergonic.

هنا نرى كل هذه NADHs. وانظر إلى التغيير العام في الطاقة الحرة. لم تستفد الخطوات الأولية في تحلل السكر حقًا. يحتوي الجلوكوز على ما يقرب من 680 سعرة حرارية لكل مول من الطاقة. إنه مرتفع جدًا هنا. لكن بحلول الوقت الذي ننتقل فيه من هنا إلى هنا ، هناك إطلاق هائل للطاقة ، يتم حصادها في شكل هذه الجزيئات التي يتم إعادة استثمارها بعد ذلك.

في حالة عدم وجود الأكسجين ، يمكن لهذا الإجراء بأكمله أن ينتقل فقط من هنا إلى أسفل إلى هنا. والكثير من هذا الانخفاض من ستة إلى سبعة لا طائل منه لأنه يتعين علينا إعادة استثمار NADH هذا.

لا يمكن استخدامها ، في الواقع ، لتوليد المزيد من ATPs ، كما قلت مرارًا وتكرارًا. لذلك ، هذا يعني في النهاية أنه يمكننا توليد كمية هائلة من الطاقة في شكل هذه التفاعلات المزدوجة. بعد قولي هذا ، دعونا نلقي نظرة على ما يحدث داخل الميتوكوندريا.

يوجد داخل الميتوكوندريا بالفعل حجرات مادية مختلفة. ترى الفضاء الأزرق هناك ، الفضاء بين الغشاء ، المساحات الزرقاء هناك؟ المصفوفة في الداخل.

يقع الفضاء بين الغشاءين ، الغشاء الداخلي والخارجي ، والخارج هو السيتوبلازم. الغشاء الخارجي ، الغشاء الداخلي ، بينهما. لذا ، انظروا إلى ما يحدث ، في الواقع ، في الميتوكوندريا. يتم استخدام هذه NADHs لضخ البروتونات من الفضاء الداخلي للميتوكوندريا إلى الفضاء بين الغشاء. أنا لا أريكم ما يحدث.

لكن عليك أن تأخذها في كلامي. إذن ، البروتونات المصورة هنا مستخرجة من NADH و FADH ، وتستخدم لضخ البروتونات هنا. وبالتالي ، تنتقل البروتونات من هنا إلى هنا.

من الواضح ، عندما تضخ البروتونات إلى الخارج ، يصبح الأس الهيدروجيني من الخارج أقل مما هو عليه في الداخل ، ولأن هناك تدرجًا ، يوجد تركيز أعلى للبروتونات هنا أكثر من الداخل.

تبدأ البروتونات في التراكم في الخارج هنا في الفضاء بين الغشاء. هل هم في السيتوبلازم؟ لا ، إنها في الفراغ بين الغشاء الداخلي والخارجي. تبدأ في التراكم في هذا الفضاء الأزرق الكثير من البروتونات. وهذا ضخ البروتونات في الفراغ بين الغشاءين يتطلب طاقة ، وتأتي الطاقة من أصدقائنا NADH و FADH كما اتضح. هم مسؤولون عن التسبب في تراكم البروتونات في الفراغ بين الغشاء الداخلي والخارجي. لذلك ، لدينا الآن الكثير من البروتونات هناك. وما يحدث الآن ، تحب البروتونات أن تتدفق مرة أخرى لأن هناك تركيزًا أعلى هنا لأنها داخل الفضاء الذي يسمى مصفوفة الميتوكوندريا ، داخل الميتوكوندريا. إذن ، ماذا يحدث؟

هنا ، اكتشاف آخر حائز على جائزة نوبل هو اكتشاف جزيء مثير جدًا للاهتمام ، أو مركب بروتينات يجب أن أقول ، يبدو في ثلاثة أبعاد تقريبًا مثل هذا.

وما يفعله هذا المركب هو أنه بينما تتدفق البروتونات عبر القناة الداخلية هنا ، فإنها تتحرك لأسفل على تدرج للطاقة.

إنهم ينتقلون من حالة التركيز العالي إلى حالة التركيز المنخفض. ما يفعله ذلك ، أن ضغط الانتشار هذا ينتج طاقة بالفعل.

وهذا المركب هنا يحصد تلك الطاقة من أجل تحويل ADP إلى ATP. لذلك ، عندما أتحدث عن NADH على أنه يستحق ، كل واحد منهم يستحق ثلاثة ATPs ، ما أتحدث عنه حقًا هو حقيقة أنه يمكن استخدام NADHs لضخ البروتونات في الميتوكوندريا بالخارج هنا ، ويمكن بعد ذلك استخدام هذه البروتونات يمكن بعد ذلك ضخه بهذه الطريقة من خلال مضخة البروتون هذه ، والتي تستخدم بعد ذلك ADP في التجويف الداخلي للميتوكوندريا لتكوين ATP. وهنا نحصل أخيرًا على تحويل ADP إلى ATP. يمكننا أن ندرك ، أخيرًا ، هذه الفائدة الموعودة. ثم يتم تصدير جزيئات ATP هذه من الميتوكوندريا في جميع أنحاء الخلية واستخدامها لتحريك العديد من التفاعلات. لقد واجهنا بالفعل مجموعة مهمة من التفاعلات ، وهذه التفاعلات هي بلمرة الأحماض النووية. الآن ، نقطة أخيرة أريد أن أوضحها هي التالية. لقد تحدثنا للتو عن التمثيل الغذائي ، وتحدثنا عن مسار إنتاج الطاقة في الخلية.

وقد يكون لديك الوهم ، للحظة وجيزة ، أن هؤلاء كلهم ​​، هذا هو مجموع كل التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلية. لكن في الحقيقة ، إذا رسمنا كل التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلية ، فإنها أكثر تعقيدًا. هنا هو مسار حال السكر. تراه هنا حيث لا يوجد شيء اسمه؟ ها هي دورة كريبس هنا.

ونحن لا نتحدث حتى عن الطاقة هنا. وبينما تتحرك الجزيئات في هذا المسار من هنا إلى هنا ومن هنا إلى هنا ، يتم تحويل بعض هذه الجزيئات لتطبيقات أخرى.

ليس لإنتاج الطاقة ولكن للتطبيقات الأخرى.

وما يحدث هنا ، يتم تحويلهم من خلال سلسلة من الخطوات الكيميائية الحيوية المعقدة إلى جزيئات بيولوجية أساسية أخرى. ماذا أعني بذلك؟

إذا أعطيت بكتيريا E. coli ، فإنك تعطيها مصدرًا بسيطًا للكربون مثل الجلوكوز وتعطيها الفوسفات وتعطيها مصدرًا بسيطًا للنيتروجين مثل أسيتات الأمونيوم أو أي شيء ، يمكن للإشريكية القولونية ، من تلك الذرات البسيطة أن تولد كل الأحماض الأمينية ، يمكن أن تولد البيورينات والبيريميدين ، ويمكن أن تولد جميع أنواع الجزيئات البيولوجية المعقدة المختلفة فقط من تلك اللبنات البسيطة. وبالتالي ، فإن عملية التخليق الحيوي لا تتضمن فقط إنشاء الجزيئات الكبيرة ، بل إن هذه الخطوات لما يسمى التمثيل الغذائي الوسيط تُستخدم لتجميع جميع الكيانات الكيميائية الحيوية الأخرى التي يحتاجها المرء لصنع خلية. يتم استخدامها لتصنيع البيورينات والبيريميدين.

يتم استخدامها لتخليق الدهون ، وتستخدم لتصنيع الأحماض الأمينية ، وتستخدم لتجميع مئات المركبات الأخرى حرفيًا. وعندما نرى هذا الرسم البياني مثل هذا ، ولا أحد على وجه الكوكب قد حفظ هذا الرسم البياني ، فإن كل خطوة من هذه الخطوات ، الانتقال من جزيء إلى آخر ، تمثل تفاعلًا كيميائيًا حيويًا آخر. وتنتقل الغالبية العظمى من هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية من A إلى B إلى C إلى D.

تتطلب كل خطوة من هذه الخطوات تدخل إنزيم ، وهو محفز متخصص لتلك الخطوة بالذات.

لذلك ، يبدأ هذا في إعطائك تقديرًا لعدد الخطوات البيوكيميائية المميزة التي يحتاجها المرء في الخلية. الأرقام التي من المحتمل أن تصنع خلية بسيطة ، ربما تحتاج إلى حوالي ألف تفاعل كيميائي حيوي مميز ، كل واحدة منها تتطلب تدخل إنزيم. والعديد من هذه الخطوات ، والأهم من ذلك ، أن العديد من هذه الخطوات البيوكيميائية هي تفاعلات مفعمة بالحيوية. من أين يحصلون على الطاقة لدفع ردود الفعل هذه إلى الأمام إذا كانت شديدة الحساسية؟ ATP. لذا ، فإن ATP من فرن توليد الطاقة بالأسفل هنا هو ثم ينتشر في جميع أنحاء الخلية لتشغيل كل هذه التفاعلات المستهلكة للطاقة. اتمنى لك نهايه اسبوع جميله.


الانتماءات

قسم الفيزياء الحيوية ومعهد هوارد هيوز الطبي ، جامعة تكساس ساوثويسترن ميديكال سنتر ، دالاس ، تكساس ، الولايات المتحدة الأمريكية

وليام بيبلز وأمبير مايكل ك. روزين

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

مساهمات

م. و W.P. تصور الدراسة وتصميم برنامج البحث. دبليو. أجرى جميع التجارب. م. تأمين التمويل والإشراف على العمل. دبليو. و M.K.R. كتب المخطوطة.

المؤلف المراسل


أساليب

يتم تضمين عدة خطوات لاحقة في إنشاء نماذج أولية من مسارات KEGG. تم وصف كل هذه الخطوات بالتفصيل في الأقسام التالية وتم تصويرها على أنها مخطط انسيابي في الشكل & # x200B الشكل 1 1.

توليد نماذج بيولوجيا الأنظمة من مسارات KEGG. يوضح المخطط الانسيابي جميع الخطوات الرئيسية التي ينطوي عليها إنشاء نماذج بيولوجيا الأنظمة الأولية من مسارات KEGG. تتطلب الطريقة بأكملها مصدرين: مسار KEGG بتنسيق KGML والوصول إلى قواعد بيانات KEGG الأخرى ، على سبيل المثال ، عبر KEGG API. تتضمن خطوات المعالجة المسبقة ، الموضحة في الأعلى ، بشكل أساسي إزالة العقد غير المناسبة ومعالجة التفاعلات. خطوة مهمة هي إزالة الإدخالات المكررة. ومع ذلك ، تتطلب بعض الخطوات الإضافية معلومات حول هذه التكرارات (على سبيل المثال ، عند استخدام حزمة ملحق التخطيط لـ SBML) وبالتالي ، فهي ليست دائمًا جزءًا من المعالجة المسبقة ويمكن إجراؤها في مرحلة لاحقة. اعتمادًا على تنسيق الإخراج المطلوب ، يتم تنفيذ خطوات معالجة منفصلة تتضمن التحويل المناسب والتعليق التوضيحي للنموذج الأولي.

لغة ترميز KEGG (KGML)

يستخدم KEGG تنسيق KGML لتشفير مساراته [16]. لكل مسار ، يوجد مسار مرجعي عام مشتق لعدد كبير من الكائنات الحية المختلفة. تتوافق جميع العقد في هذه المسارات بشكل أساسي مع البروتينات والجزيئات الصغيرة والمسارات أو المجمعات المرجعية الأخرى ويتم ترميزها كمدخلات في KGML. تحتوي هذه الإدخالات على سمة النوع التي تحدد طبيعتها بشكل أكبر. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون لديهم سمة رسومات ضرورية لتصورات المسار. الإدخالات المقابلة للمجموعات تحتوي على مكونات تشير إلى إدخالاتها المضمنة.

إلى جانب الإدخالات ، تحدد KGML التفاعلات ، التي تحتوي على ركائز ومنتجات تُعد بشكل أساسي مراجع للإدخالات المقابلة. المعلومات الإضافية الوحيدة التي يتم تقديمها للتفاعلات هي سمة النوع ، والتي تكون إما & # x02018reversible & # x02019 أو & # x02018irreversible & # x02019. علاوة على ذلك ، يحدد KEGG العلاقات ، والتي تعتبر مهمة بشكل أساسي لتصور مسارات الإشارات. تحتوي العلاقات على اتصالات شبكة بين إدخالين ، مثل & # x0201cA phosphorylates B & # x0201d ، أو & # x0201cA يثبط B & # x0201d لكنها لا توفر معلومات كافية للتحويلات لإكمال التفاعلات الكيميائية الحيوية.

المعالجة المسبقة وتصحيح المشكلات في إدخال KGML

قبل تحويل مسارات KEGG إلى لغات النمذجة الأخرى ، يجب تصحيح العديد من المشكلات في خطوات المعالجة المسبقة مباشرةً على إدخال KGML. تتضمن هذه العمليات التي تتضمن إضافة أو إزالة الإدخالات من مستند KGML ، بالإضافة إلى معالجة التفاعلات المضمنة. التحويل الفعلي إلى النماذج مستقل عن تلك الخطوات ويتم إجراؤه بعد المعالجة المسبقة. لإنشاء نماذج موثوقة ، قد يرغب المرء في إزالة الروابط إلى خرائط المسارات الأخرى من المستند. خرائط المسار المشار إليها ليست حالات مادية وبالتالي يجب تجاهلها في بعض برامج محاكاة النماذج. ومع ذلك ، قد تكون مطلوبة لمسارات الربط المتبادل. علاوة على ذلك ، قد يكون الأيتام (أي الإدخالات غير الموجودة في ردود الفعل أو العلاقات) عديمة الفائدة في بعض مناهج النمذجة وبالتالي يمكن أيضًا إزالتها. تعتبر التفاعلات الكيميائية الحيوية الصحيحة خطوة مهمة نحو بناء النماذج الأيضية. تتطلب التفاعلات المحددة في KGML معالجة مسبقة كبيرة لترجمتها بشكل موثوق إلى SBML أو BioPAX. غالبًا ما تحتوي مسارات KGML على كائنات تفاعل XML مفردة تشير إلى تفاعلات كيميائية حيوية متعددة مختلفة في قاعدة بيانات KEGG REACTION. يجب تفكيك هذه التفاعلات المجمعة إلى كائنات تفاعل منفصلة في مستند XML ، من أجل الحصول على نموذج يحتوي على تفاعلات كيميائية حيوية متوازنة وصحيحة. نظرًا لأن المعلومات المقدمة في KGML محدودة ، يجب الاستعلام عن KEGG API لمزيد من خطوات التصحيح. من واجهة برمجة تطبيقات KEGG ، يتم استرداد معلومات حول قابلية عكس التفاعل ، بالإضافة إلى معادلة التفاعل ، بما في ذلك جميع الركائز والمنتجات والمحفزات والمعلومات المتكافئة. يتم شرح قابلية الانعكاس مباشرة على التفاعل ، ويجب تخزين المعلومات المتكافئة في فئات منفصلة ، والتي يتم ترجمتها لاحقًا إلى تنسيق الإخراج المطلوب. تُستخدم المعادلة للتحقق من عدم وجود مشاركين في التفاعل. لكن مقارنة جميع معرفات KEGG الموجودة في KGML بمعادلة التفاعل ليست كافية. يتكون KEGG من العديد من قواعد البيانات المنفصلة التي تحتوي على معلومات حول المركبات والعقاقير والجليكان وما إلى ذلك.لذلك ، قد يكون لمركب واحد معرفات KEGG متعددة ، على سبيل المثال ، واحد في KEGG COMPOUND وآخر في KEGG DRUG. تحدد معادلات التفاعل معرفًا واحدًا فقط لكل مشارك ، وهو أي من جميع المعرفات المتاحة لكائن ما. لذلك ، من الضروري إجراء المزيد من الاستعلامات إلى KEGG API لجلب جميع المرادفات لجميع المعرفات. الآن ، من الممكن مقارنة جميع المواد المتفاعلة بمكونات المسار ، والتحقق من المشاركين في التفاعل المفقود وإضافة تلك إلى KGML في النهاية. مطلوب طريقة مماثلة للتحقق من وجود إنزيمات مفقودة (على سبيل المثال ، معدّلات التفاعل) & # x02014 نستخدم أرقام لجنة الإنزيم (أرقام EC) للتحقق من وجود إنزيمات مفقودة.

يمكن إجراء خطوة معالجة أولية مهمة أخيرة قبل تحويل المسارات إلى النماذج. تستخدم قاعدة بيانات KEGG معلومات حول تقويم العظام لتوفير خرائط مسار لكائنات مختلفة. يتم شرح الإنزيمات والتفاعلات المحفزة باستخدام أرقام EC ، والتي تكون مستقلة عن الكائنات الحية الفعلية. في بعض الحالات ، يؤدي هذا إلى وجود إنزيمات مشروحة أو إدخالات في KGML ، والتي لا يُعرف أي مثيل مادي لها في الكائن الحي الحالي محل الاهتمام. بمعنى آخر ، ربما لا يكون الإدخال موجودًا في الكائن الحالي أو لم يتم إثبات وجوده بعد. لتصور هذه المعلومات ، يقوم KEGG بتغيير لون الخلفية لتلك العقد المتعامدة إلى اللون الأبيض. يجب أيضًا إزالة هذه العقد من أجل الحصول على نماذج خاصة بالكائن الحي.

التوازن الذري للتفاعلات

بعد خطوة المعالجة المسبقة الموصوفة ، يحتوي مستند KGML على تفاعلات غير مجمعة وكاملة ، والتي تم شرح المعادلة والقياس الكيميائي لها. باستخدام KEGG API ، يمكن جلب الصيغة الكيميائية لكل مركب ، والمشاركة في التفاعل. باستخدام هذه المعلومات جنبًا إلى جنب مع قياس العناصر المتكافئة ، من الممكن حساب ومقارنة جميع الذرات على جانب الركيزة والمنتج. هناك بعض الخصائص الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار: يتم استخدام عام & # x02018R & # x02019 أحيانًا على جانب الركيزة والمنتج للإشارة إلى أي بديل. متغيرات مثل ن و نيستخدم KEGG +1 لإنشاء تفاعلات عامة أكثر. خلال اختباراتنا ، اكتشفنا بعض الحالات البسيطة ، حيث كان H + أو P + مفقودًا ، ولكن أيضًا في بعض الحالات الأخرى ، حيث كانت الذرات المتعددة (على سبيل المثال ، 2 C و 3 H و 1 P) مفقودة. لا يُنصح بتصحيح هذه المشكلات تلقائيًا ، لأن المكونات الحقيقية المفقودة غير معروفة. على سبيل المثال ، إذا كان P + مفقودًا على جانب الركيزة ، فقد تكون المركبات الأكبر مفقودة في أي جانب من جوانب التفاعل. تشمل احتمالات فقدان المكونات على كلا الجانبين ATP & # x02192 ADP و NADPH & # x02192 NADH وغيرها الكثير. لذلك ، يُلحق تطبيقنا نتيجة فحص كل ذرة كتعليق على كل تفاعل وقد يتعين على الباحثين تصحيح التفاعلات يدويًا مع الذرات المفقودة.

تحويل وتعليق وثيقة KGML

يمكن الآن استخدام مستند KGML المكتمل والمصحح لإنشاء النماذج. لذلك ، يلزم إجراء تحويلات إلى BioPAX و SBML و SBML-Qual والعديد من التنسيقات الأخرى. عادة ، يجب تهيئة مثيل النموذج ويجب إضافة جميع الإدخالات إلى النموذج. يجب توخي الحذر في هذه الخطوة ، لأنه قد توجد نسخ متعددة من الإدخال في مستند KGML واحد. عادة ، كل نسخة رسومية تحفز ردود فعل مختلفة. ولكن بالنسبة لنماذج بيولوجيا الأنظمة ، يجب إنشاء عنصر واحد فقط لجميع النسخ ، مما يمثل اتحادًا لجميع الإدخالات المتطابقة ماديًا. علاوة على ذلك ، تحدد KGML نوع إدخال يسمى & # x02018reaction & # x02019 ، والذي لا ينبغي تحويله إلى كيان مادي في النموذج الناتج. اعتمادًا على لغة النمذجة ، يجب تحويل ردود الفعل أو العلاقات أو كليهما إلى التنسيق المختار.

إلى جانب خطوات التحويل هذه ، هناك حاجة لعمليات إضافية من أجل تسهيل جهود النمذجة الإضافية من قبل الباحثين. يتضمن ذلك التعليقات التوضيحية والتعليقات الشاملة لجميع العناصر. ومن ثم ، تضاف إلى النموذج مصطلحات علم الوجود الجيني ، التي تصف العناصر ووظائفها ، وكذلك المعرفات لعدد كبير من قواعد البيانات الأخرى للجينات ، والبروتينات ، والتفاعلات ، والمعلومات الهيكلية ، والجزيئات الصغيرة ، وما إلى ذلك. بمزيد من التفصيل ، تمت إضافة المعرفات إلى Entrez Gene و OMIM و Ensembl و UniProt و ChEBI و DrugBank و Gene Ontology و HGNC و PubChem و 3DMET و NCBI Taxonomy و PDBeChem و GlycomeDB و LipidBank وأرقام EC (تسمية الإنزيم) وقواعد بيانات KEGG المختلفة GENE ، GLYCAN ، رد الفعل ، مركب ، دواء ، ممر ، تقويم العظام). إلى جانب هذه المراجع التبادلية ، تمت إضافة تعليقات توضيحية مفيدة أخرى يمكن قراءتها بواسطة الإنسان والآلة ، على سبيل المثال ، رموز الجينات الرسمية ، والمرادفات ، والأوصاف التي يمكن قراءتها من قبل الإنسان ، والروابط إلى المزيد من الموارد أو التصورات ، والصيغة الكيميائية والوزن الجزيئي للجزيئات الصغيرة.

يعد التعليق التوضيحي للنماذج خطوة مهمة ، لأن عمليات المحاكاة على البيانات الحقيقية أو أدوات تصور البيانات التجريبية البسيطة تتطلب معرفات فريدة لتعيين البيانات التجريبية على بنية المسار. إذا كانت النماذج توفر بنية بيانات بسيطة مع تسميات ، ولكن لا توجد معرفات مرجعية ، فلا يمكن استخدامها بالاقتران مع البيانات التجريبية.

KEGG إلى BioPAX

اليوم ، المستوى 3 هو أحدث مستوى من BioPAX. لكن المستوى 2 لا يزال شائعًا وهناك بعض هياكل البيانات في المستوى 3 غير المتوفرة في المستوى 2. لذلك ، يلزم وجود محولات منفصلة لـ BioPAX المستوى 2 والمستوى 3. بادئ ذي بدء ، يجب إنشاء نموذج BioPAX ويجب إضافة كائن مسار ، يتوافق مع إدخال KGML ، إلى النموذج. بعد ذلك ، يتم تحديد العديد من التعليقات التوضيحية والمراجع التبادلية لهذا المسار. يتضمن ذلك ، على سبيل المثال ، الكائن الحي ، والمراجع التبادلية لقواعد البيانات الأخرى ، ومصطلحات علم الوجود الجيني لتحديد وظيفة المسار & # x02019s. تتضمن الخطوة التالية تعيين كل عنصر من عناصر KGML إلى عنصر BioPAX المقابل. يعطي الشكل & # x200B الشكل 2 نظرة عامة على هذه التعيينات.

هيكل فئة مبسط ورسم خرائط من KGML إلى BioPAX. يوضح الشكل التعيين الأولي لـ KGML لمثيلات فئة BioPAX. تحدد سمة النوع لكل إدخال كيفية ترجمته (انظر الجدول & # x200B الجدول 1). 1). تُترجم التفاعلات التي يتم تحفيزها بواسطة الإنزيمات إلى التحفيز ، بينما تُترجم التفاعلات غير المحفزة مباشرةً إلى التفاعلات الكيميائية الحيوية. تتم ترجمة العلاقات بشكل مختلف ، اعتمادًا على النوع الفرعي والكيانات المشاركة ومستوى BioPAX المختار (انظر الجدول & # x200B الجدول 2). 2). للحفاظ على الوضوح ، لا يتضمن الشكل المعلومات الموجودة في BioPAX المستوى 2 ، التحكم والتحويل يرثان من التفاعل المادي. علاوة على ذلك ، يتكون الحفاز من عنصرين: عنصر تحكم وعنصر خاضع للتحكم. لأغراضنا ، يعتبر جهاز التحكم دائمًا إنزيمًا ويتم التحكم فيه عبارة عن تفاعل كيميائي حيوي. وبالمثل ، يمكن ترجمة علاقات KGML إلى عنصر تحكم ينظم إما التحويل أو نموذج رد الفعل.

بعد الحصول على نموذج المسار الأولي ، فإن الخطوة التالية هي إنشاء عناصر BioPAX لكل إدخال KGML. تعتمد هذه الترجمة بشكل أساسي على نوع إدخال KGML وهي مدرجة بالتفصيل في الجدول & # x200B Table1. 1. يتم تجميع الإدخالات التي لها نفس المعرف (نسخ رسومية لنفس العنصر) في مثيل واحد ويتم إنشاء عنصر BioPAX واحد فقط لهؤلاء. اعتمادًا على عنصر BioPAX الذي تم إنشاؤه للتو ، هناك حاجة إلى مزيد من خطوات التعليق التوضيحي. بالنسبة للمركبة es ، نحتاج إلى إضافة كل مكوناتها. بالنسبة إلى الجزيئات الصغيرة ، نضيف الوزن الجزيئي والصيغة الكيميائية إلى حقول BioPAX المقابلة ، مما يسهل خطوات النمذجة الإضافية. لكل عنصر ، تتم إضافة إشارات مرجعية إلى قواعد البيانات الأخرى والمزيد من التعليقات التوضيحية كما هو موضح في القسم السابق.

الجدول 1

مثيلات BioPAX وشروط SBO المقابلة لأنواع إدخال KGML

نوع الإدخالعنصر BioPAXمصطلح SBO
مجمع جزيء صغير 247 (مادة كيميائية بسيطة)
إنزيم بروتين 252 (سلسلة بولي ببتيد)
الجين بروتين 252 (سلسلة بولي ببتيد)
تقويم العظام بروتين 252 (سلسلة بولي ببتيد)
مجموعة مركب 253 (معقد غير تساهمي)
خريطةمسار552 (التعليق التوضيحي المرجعي)

يوضح هذا الجدول تحويل إدخالات KGML إلى BioPAX أو SBML. يعتمد التحويل على سمة نوع إدخال KGML. بالنسبة لـ BioPAX ، يتم تهيئة مثيلات فئة مختلفة. تتضمن التحويلات إلى SBML دائمًا إنشاء نوع بمصطلح SBO المحدد لكل إدخال KGML. تنص مواصفات KGML على أن الإدخال من النوع & # x02018gene & # x02019 & # x0201c هو منتج جيني (غالبًا بروتين) & # x0201d. بالإضافة إلى ذلك ، فإن a & # x02018group & # x02019 & # x0201c عبارة عن مجموعة من المنتجات الجينية (معظمها مركب بروتيني) & # x0201d [16]. للتوافق مع إصدارات KGML السابقة ، النوع المهمل & # x02018genes & # x02019 يتوافق مع & # x02018group & # x02019 منذ KGML v0.6.1. علاوة على ذلك ، لم يتم سرد إدخالات من النوع & # x02018reaction & # x02019 في الجدول ، ولكن تمت مناقشتها في قسم منفصل.

تتوافق تفاعلات KEGG دائمًا مع التفاعلات الكيميائية الحيوية. وبالتالي ، فإن التفاعل الكيميائي الحيوي هو بنية البيانات المناسبة لتلك التفاعلات ويتم إنشاء مثيل واحد من هذه الفئة لكل تفاعل KGML. إذا تم شرح الإنزيمات المحفزة ، يتم إنشاء مثيل تحفيز. هذا التحفيز التحفيزي الإنزيمات كمتحكم s والتفاعل الكيميائي الحيوي كعنصر خاضع للرقابة. يتم شرح التفاعل مع اتجاه التفاعل وإذا كان قابلاً للعكس أم لا. علاوة على ذلك ، يتم شرح قياس العناصر المتكافئة لكل مشارك ، بالإضافة إلى أرقام EC لجميع الإنزيمات المحفزة. حتى إلى التفاعلات ، تتم إضافة معلومات داعمة يمكن قراءتها من قبل الإنسان ، مثل معادلة التفاعل ، والمسارات الأخرى التي يحدث فيها هذا التفاعل أيضًا ، ووصفًا عامًا. بالإضافة إلى ذلك ، تتم إضافة نتيجة فحص توازن الذرة كتعليق إضافي ، جنبًا إلى جنب مع معلومات شاملة عن الذرات الموجودة على جانب الركيزة ، والتي توجد في جانب المنتج والفرق بينهما.

إلى جانب التفاعلات الكيميائية الحيوية ، تدعم BioPAX أيضًا أنواعًا أخرى من العلاقات بين الكيانات. وتشمل هذه العناصر العالمية ، مثل التحويل أو التفاعلات الجزيئية ، والتي تكون ملائمة لترجمة علاقات KEGG العامة التي لا توفر الكثير من المعلومات. تشكل العلاقات من النوع & # x02018activation & # x02019، & # x02018inhibition & # x02019 or & # x02018missing التفاعل & # x02019 أمثلة لمثل هذه الترجمات العامة. الفرق بين هذين هو أنه يمكن استخدام التحويلات لتحديد مصدر وهدف ، في حين أن MolecularInteraction s (وهو نفس التفاعل المادي في BioPAX المستوى 2) لا يحتوي إلا على مجموعة واحدة من الكيانات المشاركة. يمكن تحويل علاقات KEGG الأخرى إلى فئات تفاعل BioPAX أكثر تحديدًا. يتم استخدام التجميع المركب ، على سبيل المثال ، للتعبير عن ارتباط بين عناصر متعددة ، ولكن أيضًا لفصل العناصر. ومع ذلك ، يتطلب استخدام هذه الفئة أن يكون المنتج أو الركيزة المحددة (في التفكيك) مجمعًا. إذا لم يتم استيفاء هذه المتطلبات ، يتم استخدام تحويل عام. يتم ترجمة العلاقات التي تتضمن تعديل البروتين بشكل مناسب إلى BioPAX من خلال إنشاء عمليات مضبوطة. يتضمن ذلك إنشاء عنصر تحكم يحتوي على عملية ووحدة تحكم تنظم هذه العملية. يستخدم هذا لترجمة العلاقات التي تصف ، على سبيل المثال ، الفسفرة.

تحقيقا لهذه الغاية ، يتم إنشاء تحويل ، والذي يحتوي على البروتين غير الفسفوري كمصدر ومتغير فسفوري كهدف. يتم التحكم في هذا التحويل عن طريق مثيل وحدة التحكم التي تحتوي على البروتين المتحكم.

في BioPAX المستوى 3 ، يتم إجراء بعض التحسينات الإضافية على الترجمات ، مثل ترميز الفسفرة أو تعديلات أخرى عن طريق إضافة ميزة تعديل إلى كيان. علاوة على ذلك ، يمكن تشفير تعبير البروتين باستخدام TemplateReaction. يستخدم هذا النوع من التفاعل لوصف إنتاج الحمض النووي الريبي أو البروتين من تسلسل القالب. يتم تنظيم هذه العملية من خلال تنظيم TemplateReactionReaction الذي يحتوي في الغالب على عامل النسخ كمنظم. في KEGG ، يتم تحديد ذلك بعلاقة تحتوي على عامل النسخ كمصدر والبروتين كهدف والمصطلح & # x02018expression & # x02019 كنوع فرعي.

يتم إنشاء InteractionVocabulary لكل علاقة مترجمة تحدد نوع التفاعل كمصطلح مفردات مضبوطة وسلسلة يمكن للبشر قراءتها. لهذا الغرض ، يتم استخدام مصطلحات من علم الوجود البيولوجي للأنظمة (SBO) [17] ، وعلم الوجود الجيني (GO) [18] وأنطولوجيا التفاعلات الجزيئية (MI) [19]. يُشار إلى تعديلات البروتين بشكل إضافي بواسطة SequenceModificationVocabulary في BioPAX المستوى 3 ، والذي يستخدم مصطلحات من أنطولوجيا تعديل البروتين (MOD) [20]. يوضح الجدول & # x200B الجدول 2 2 بالتفصيل ، كيف يتم تحويل كل علاقة ، وأي مصطلحات الأنطولوجيا يتم استخدامها.

الجدول 2

مثيلات BioPAX ومصطلحات الأنطولوجيا المقابلة للأنواع الفرعية لعلاقة KGML

نوع العلاقة الفرعيعنصر BioPAXمصطلح SBOمصطلح MIمصطلح GO
التنشيط التحويل والتحكم 170 (تحفيز) لا أحدلا أحد
كبت التحويل والتحكم 169 (منع) لا أحدلا أحد
التعبير TemplateReaction ، - التنظيم 170 (تحفيز) لا أحد10467
قمع TemplateReaction ، - التنظيم 169 (منع) لا أحدلا أحد
تأثير غير مباشر التحويل 344 (تفاعل جزيئي) لا أحدلا أحد
تغيير الدولة التحويل 168 (التحكم) لا أحدلا أحد
ربط / ارتباط مجمع مجمع 177 (الربط غير التساهمي) 914 5488
التفكك مجمع مجمع 180 (تفكك) لا أحدلا أحد
التفاعل المفقود التفاعل الجزيئي 396 (عملية غير مؤكدة) لا أحدلا أحد
الفسفرة التحويل والتحكم 216 (فسفرة) 217 16310
نزع الفسفرة التحويل والتحكم 330 (نزع الفسفرة) 203 16311
الارتباط بالجليكوزيل التحويل والتحكم 217 (ارتباط بالجليكوزيل) 559 70085
التواجد في كل مكان التحويل والتحكم 224 (انتشار) 220 16567
مثيلةالتحويل والتحكم214 (مثيلة)21332259

يوضح هذا الجدول كيفية التعامل مع العلاقات أثناء التحويل إلى BioPAX أو SBML. التحويل يعتمد على النوع الفرعي لكل علاقة. لكل نوع فرعي ، يتم تحديد عنصر BioPAX المقابل ، وكذلك المصطلحات من الأنطولوجيا المختلفة. عند التحويل إلى BioPAX ، يتم شرح جميع المصطلحات كمثيل لمفردات InteractionVocabulary ، بينما يحتوي انتقال SBML على حقل لمصطلح SBO ويتم إضافة المصطلحات الأخرى كمفردات مسيطر عليها عند الانتقال. يرجى ملاحظة أن بعض عناصر BioPAX تخضع لشروط معينة والبعض الآخر يحتاج إلى استبداله بفئات أكثر عمومية في BioPAX المستوى 2 ، بسبب الاختلافات في كلا الإصدارين. يرجى مراجعة قسم KEGG إلى BioPAX لمزيد من التفاصيل.

KEGG إلى SBML

على الرغم من أنه ليس أحدث إصدار من SBML ، لا يزال المستوى 2 الإصدار 4 مستخدمًا في العديد من التطبيقات ، وبالتالي ، يجب دعمه لتحويل النماذج الأيضية. يقدم أحدث إصدار من SBML المستوى 3 حزم توسعة ومطلوب تضمين النماذج النوعية (الجودة) والمجموعات ومعلومات التخطيط في المستند ، والتي تعتبر ضرورية لنمذجة مسارات الإشارات. للوهلة الأولى ، يبدو أن تحويل KGML إلى SBML بسيط. هذا مقترح أيضًا من خلال مخطط التعيين ، الموضح في الشكل & # x200B الشكل 3. 3. ولكن في SBML ، لا يتم التمييز بين أنواع العلاقات أو الإدخال المختلفة باستخدام مثيلات فئة مختلفة ، كما هو الحال في BioPAX ، ولكن باستخدام أزواج قيمة السمات الخاصة ، مثل مصطلحات SBO. يحدد KEGG الإدخالات ونوع الإدخال ، والذي يحدد ما إذا كان الإدخال يتوافق مع بروتين أو جزيء معقد أو صغير أو خريطة مسار مرجعية أو نوع آخر. يوفر BioPAX فئات مختلفة للتمييز بين تلك الأنواع. SBML ، على غرار KGML ، يحتوي فقط على فئة تسمى الأنواع لترميز كل هذه الإدخالات. يجب تحديد نوع النوع باستخدام مصطلحات من أنظمة بيولوجيا الوجود (SBO) [17]. يتم تنظيم شروط SBO هذه بشكل هرمي ويجب استخدام شروط SBO فقط من الكيان & # x02018material & # x02019 لتشفير الكيانات. يوضح الجدول & # x200B Table1 1 ، ما هي مصطلحات SBO الأكثر ملاءمة لتشفير إدخالات KGML المختلفة. علاوة على ذلك ، كما هو الحال في ترجمات BioPAX ، من المهم تجميع نسخ رسومية من نفس الإدخالات في عنصر واحد وإنشاء عنصر نوع واحد فقط لهذا الإدخال. لجعل النموذج قابلاً للاستخدام لمزيد من التطبيقات ، تمت إضافة التعليقات التوضيحية والمراجع الشاملة لقواعد البيانات الأخرى ، باستخدام مصطلحات موحدة للمفردات (CV) ومعرفات MIRIAM [21 ، 22]. علاوة على ذلك ، يتم إضافة وصف ومرادفات مختلفة ورقم CAS والصيغة الكيميائية وصورة مرجعية (الصيغة الهيكلية للمركبات وصورة خريطة المسار للمسارات) والوزن الجزيئي والكتلة كتعليق توضيحي يمكن قراءته من قبل الإنسان ، إذا كان ذلك متاحًا.

هيكل فئة مبسط ورسم خرائط من KGML إلى SBML. يتضمن هذا التعيين نماذج SBML النوعية (الجودة) وحزم توسعة المجموعات. يتم ترميز معظم الخصائص كسمات على الفئات الفعلية. توفر الجداول & # x200B الجداول 1 1 و & # x200B و 2 2 مزيدًا من التفاصيل حول ترجمة الإدخالات والعلاقات. يمكن لـ SBML التعامل مع التفاعلات فقط. لذلك ، فإن مؤهل SBML مطلوب لتشفير العلاقات بشكل صحيح. تتطلب حزمة الامتداد هذه طرازها الخاص. بعد ذلك ، يجب تكرار نموذج SBML الأساسي وكل نوع للحصول على نموذج نوعي بما في ذلك العلاقات المترجمة. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام حزمة ملحق المجموعات للترميز المناسب للمجموعات في SBML.

المجموعات غير مدعومة من قبل SBML-core. لتشفير إدخالات من النوع & # x02018group & # x02019 في SBML المستوى 3 ، يمكن للمرء استخدام حزمة ملحقات المجموعات [23]. لتشفير المجموعات في SBML قبل المستوى 3 ، فإن الطريقة الوحيدة هي التعليقات التوضيحية ، على سبيل المثال عن طريق إضافة مصطلح CV مع مؤهل BQB_IS_ENCODED_BY أو BQB_HAS_PART الذي يحدد محتويات المجموعة. في أي حال ، يجب أيضًا استخدام مصطلح SBO ، والذي يميز هذا النوع على أنه مركب من عدة أنواع أخرى.

يتم تحويل تفاعلات KEGG إلى تفاعلات SBML مع شروط SBO الصحيحة للركائز (SBO: 0000015) والمنتجات (SBO: 0000011). إذا كان التفاعل قابلاً للعكس ، فيجب تطبيق مصطلح SBO العام المتفاعل (SBO: 0000010) على جميع المشاركين في التفاعل. بالإضافة إلى ذلك ، يتم شرح قابلية الانعكاس على التفاعل نفسه ويتم شرح قياس العناصر المتفاعلة على جميع المشاركين في التفاعل. يتم تضمين الإنزيمات المحفزة على أنها ModifierSpeciesReference و CV ، التي تشير إلى معرف تفاعل KEGG بالإضافة إلى جميع المسارات التي يحدث فيها هذا التفاعل. تتضمن التعليقات التوضيحية التي يمكن قراءتها من قبل الإنسان على التفاعل تعريف التفاعل والمعادلة وإشارة إلى معادلة التفاعل كصورة HTML ونتيجة فحص توازن الذرة (أي إذا كانت هناك ذرات مفقودة في التفاعل).

العلاقات مطلوبة لتشفير مسارات الإشارات ولكن لا يمكن تضمينها بشكل صحيح في SBML الأساسي. لا توجد بنية ترميز ، على سبيل المثال ، & # x0201cA ينشط B & # x0201d & # x02014 يمكننا فقط إضافة ردود فعل إلى SBML.بالنسبة إلى SBML المستوى 3 ، فإن حزمة تمديد النماذج النوعية (النوعية) المقترحة مؤخرًا تحل هذه المشكلة [24]. تم تصميم هذا الامتداد للنمذجة النوعية ويسمح بنمذجة العلاقات التي لا يمكن وصفها بالتفصيل. وبالتالي ، لتشفير علاقات KEGG ، يتعين علينا تحويل النموذج إلى نموذج نوعي وإنشاء انتقال نوعي لكل علاقة. يتم تعيين مصطلح SBO ، على النحو الوارد في الجدول & # x200B Table2 ، 2 ، للانتقال لتحديد نوعه. تمت إضافة مصطلح GO ، المذكور في نفس الجدول ، كمصطلح CV في الانتقال.

المزيد من خصائص KGML

إدخالات KGML التي هي ردود فعل

تسمح مواصفات KGML بأن يكون للإدخالات نوع يسمى & # x02018reaction & # x02019. يمكن استخدام هذا ، على سبيل المثال ، للسماح للعلاقة بالإشارة إلى رد فعل. في الواقع ، تسمح KGML فقط بأن تكون الإدخالات أهدافًا للعلاقات ولكن يمكن استخدام هذه التركيبات لتخفيف القيود. ومع ذلك ، يسمح BioPAX بطبيعة الحال بالتفاعلات للإشارة إلى التفاعلات الأخرى كمصادر أو أهداف. وبالتالي ، لا يتم إبطال بنية المستند إذا تم تحويل الإدخالات من النوع & # x02018reaction & # x02019 إلى تفاعلات حقيقية في BioPAX ويتم استبدال كل استخدام لهذا الإدخال باستخدام تفاعل BioPAX.

في SBML ، يتم تحويل هذه الإدخالات أيضًا إلى تفاعلات. لم يتم إنشاء أنواع للإدخالات من النوع & # x02018reaction & # x02019 في SBML-core. بالنسبة إلى مؤهل SBML ، فإن المواصفات لها متطلبات مماثلة لـ KGML: يجب أن تحتوي جميع الانتقالات على أنواع نوعية كمصادر أو أهداف. لذلك ، بالنسبة لجودة SBML ، تكون الترجمة مشابهة لمصدر KGML ويتم إنشاء الأنواع النوعية مع التعليق التوضيحي المناسب للإدخالات من النوع & # x02018reaction & # x02019.

علاقات النوع الفرعي & # x02018compound & # x02019

تتضمن بعض مستندات KGML ردود فعل وعلاقات حصرية من النوع الفرعي & # x02018compound & # x02019. هذه العلاقات المركبة هي في الغالب علاقات بين الإنزيمات والمركبات. تنص KEGG على أن هذا المركب & # x0201cshared مع تفاعلين متتاليين [& # x02026] & # x0201d [16]. بمعنى آخر ، هذه العلاقات عبارة عن نسخ من ردود الفعل التي تم إنشاؤها بواسطة KEGG من أجل تمثيل رسومي أفضل للمسار. وبالتالي ، فإن ترجمة كل من التفاعلات والعلاقات المركبة ستنتج معلومات مكررة.

المستندات مع الجليكانات بدلاً من المركبات

في بعض الأحيان ، تحدد KGML الجليكانات كمشاركين في التفاعل بدلاً من المركبات. في الواقع ، لا يوجد خطأ في هذا ، باستثناء أن واجهة برمجة تطبيقات KEGG غالبًا ما تُرجع معادلات التفاعل بمعرفات مركبة وبعض السمات ، مثل الصيغة الكيميائية أو الوزن الجزيئي ، متاحة حصريًا للمركبات. هذا يؤدي إلى التفاعلات التي تم اكتشافها خطأ على أنها غير صحيحة أو إلى صيغ كيميائية مفقودة. لذلك ، إذا كان المعرف المركب المرادف متاحًا لمعرف KEGG glycan أو معرف قاعدة بيانات KEGG آخر يحتوي على مرادفات في KEGG COMPOUND ، فمن المستحسن جلب المعرف المركب والعمل معه داخليًا. بخلاف ذلك ، من المحتمل جدًا أن يتم إنشاء نسخ مكررة من نفس الإدخالات ولكن بمعرفات مختلفة في نموذج ولا يتم حل بعض العلاقات بشكل صحيح.

التنفيذ والتوافر

يتم تنفيذ جميع الطرق الموصوفة في الإصدار الثاني من KEGGtranslator (منذ الإصدار 2.2). يستخدم التطبيق ويتضمن Paxtools ، مكتبة Java & # x02122 للعمل مع BioPAX التي تسهل بناء وكتابة هيكل بيانات BioPAX الداخلي (http://www.biopax.org/paxtools.php). لإنشاء بنية بيانات SBML ، يستخدم KEGGtranslator مكتبة Java & # x02122 JSBML [25] ويدعم SBML المستوى 2 الإصدار 4 [26] و SBML المستوى 3 الإصدار 1 [27].

تم تطبيق KEGGtranslator في Java & # x02122 ، ويوفر واجهة مستخدم رسومية تفاعلية وسهلة الاستخدام وسهلة الاستخدام (GUI) ، وهو متاح مجانًا بموجب ترخيص LGPL الإصدار 3 من http: //www.cogsys.cs.uni -tuebingen.de/software/KEGGtranslator/. يمكن تنزيل مسارات KGML تلقائيًا من داخل KEGGtranslator. يمكن للتطبيق تحويل مسارات KEGG من ملفات KGML إلى BioPAX المستوى 2 أو BioPAX المستوى 3 أو SBML (أساسي) أو SBML (مؤهل) أو SBML-core و -qual في نموذج واحد. إذا رغبت في ذلك ، يمكن إنشاء تمثيلات رسومية في SBGN و SIF و GML و GraphML و JPG وبعض التنسيقات الأخرى. علاوة على ذلك ، يتم توفير العديد من الخيارات التي تتحكم في المعالجة الموصوفة (المسبقة) لتحويلات KEGG وتسمح للمستخدمين بتخصيص النماذج التي تم إنشاؤها لتلبية عدد كبير من المتطلبات المختلفة.


مبادئ وتطبيقات في علم الفطريات والطفيليات

تعد القدرة على تحديد الكائنات الدقيقة بدقة أمرًا أساسيًا لجميع جوانب علم الأوبئة الفطرية والتشخيص. في علم أمراض النبات ، يعد التحديد المبكر للعوامل المسببة للأمراض أمرًا ضروريًا للتعرف على مسببات الأمراض (60). في السنوات العشر الماضية ، تم إحراز تقدم في التشخيص الجزيئي للفطريات من خلال تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). على عكس الطرق التقليدية ، يمكن اختبار العينات مباشرة من خلال تفاعل البوليميراز المتسلسل وعزلها دون الحاجة إلى ثقافات. التقنية سريعة ومحددة للغاية. يمكن استخدامه للكشف عن كميات ضئيلة من الحمض النووي الفطري من عينات البيئة قبل ظهور الأعراض. ولذلك فهي تسمح بتنفيذ أساليب مكافحة المرض في وقت مبكر. يمكن إجراء تفاعل البوليميراز المتسلسل بشكل روتيني ولا يتطلب مهارة متخصصة لتفسير النتائج. يمكن للتكنولوجيا أيضًا أن تقدم بيانات كمية أكثر دقة ، وتوفر معلومات إضافية ضرورية لاتخاذ القرار وتقييم مدى فعالية العوامل الفطرية في المكافحة البيولوجية. منذ تقديمه في منتصف الثمانينيات ، أصبح تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) حجر الزاوية في تقنية الحمض النووي ومهد الطريق لإنشاء العديد من التقنيات المرتبطة. إنه ملفت للنظر لقدرته على اكتشاف كميات من الحمض النووي تضخيم من تسلسل أصلي واحد أو عدد قليل من المتواليات الأصلية. PCR التقليدي ليس كميًا ، بل نوعيًا. تم استخدامه للكشف عن الفطريات ومراقبتها والتعرف عليها من مجموعة كاملة من العينات البيئية وهو جوهر التشخيص الجزيئي للفطريات (4).

الفلورسنت PCR فى الموقع يستخدم الاشعال أو المجسات ذات العلامات الفلورية للكشف عن الفطريات وتحديد موقعها في عينات بيئية ثابتة بعد نصف نفاذية (102). تم الكشف عن تألق الاشعال أو المجسات باستخدام مجهر متحد البؤر. تسمح هذه التقنية بالكشف المباشر عن الكائن الحي في العينة. كما يوضح التوزيع المكاني والتفاعلات مع العائل والكائنات الحية الأخرى. باغو ، بيش ، سيمون (5) مستعمل فى الموقع تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) لاكتشاف وتحديد الإصابات التي تسببها الفطريات الفطرية الشبقية. نطاق PCR لانهائي (5). يمكن استخدامه للتحقيق في نوع واحد أو مجتمعات بأكملها (22 ، 35 ، 80).

المتكيسة الرئوية جيروفيتشي (فطر سبق تسميته المتكيسة الرئوية الجؤجؤية) يمكن أن يسبب التهابًا رئويًا شديدًا في المرضى المصابين بفيروس نقص المناعة البشرية أو الذين يعانون من كبت المناعة ، لكن اكتشافه يقتصر على الفحص المجهري للعينات في الجهاز التنفسي. الفحص المجهري للكشف عن P. جيروفيتشي يتضمن بشكل عام استخدام البقع. يعتبر التألق المناعي أكثر حساسية من هذه البقع ، ولكنه أغلى ثمناً ويتطلب مرافق متخصصة. يعتبر تفاعل البوليميراز المتسلسل أكثر حساسية ، خاصة في المرضى غير المصابين بفيروس نقص المناعة البشرية ، وبالتالي يمكن أن يكون ذا فائدة كبيرة (36). إن خصوصية تفاعل البوليميراز المتسلسل محدودة ، ولكن نظرًا لأن هذا الكائن الدقيق متكافئ في كل مكان ، يمكن اكتشافه من خلال تفاعل البوليميراز المتسلسل في حالة عدم وجود المرض (37).

مثال آخر على استخدام تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل في علم الفطريات هو اكتشاف العدوى من فطر الرشاشيات ssp. في المرضى الذين يعانون من قلة العدلات. من المعروف أن هذا المرض يصعب تشخيصه بسبب الحساسية الضعيفة لطريقة الاستزراع وصعوبة العثور على عينات نسيجية مرضية لدى الأفراد الذين يعانون من انخفاض عدد الصفائح الدموية. العلاج المبكر ضروري لتحقيق أفضل النتائج. يمكن أن يقلل تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) الوقت المطلوب للتشخيص المحدد (111). تم استخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل في الوقت الحقيقي بنجاح لتحديد عدد مسببات الأمراض (7،13،21،112) ، وبالتالي المساعدة في اتخاذ القرارات المتعلقة بكيفية علاج الأمراض الفطرية وتقييم آثار الفطريات (57).

يمكن المساعدة في تشخيص الطفيليات بالطرق الجزيئية. لا يمكن زراعة العديد من الطفيليات في المختبر ويعتمد التشخيص بشكل أساسي على الأمصال والفحص المجهري الأقل حساسية نسبيًا. يظل الفحص المجهري دعمًا لتشخيص الملاريا ، ولكن نظرًا لحساسيته الأكبر ، يمكن لـ PCR تشخيص هذا المرض حتى في المواقف الصعبة. يمكن أيضًا اكتشاف أنواع البلازموديوم في حالات العدوى المختلفة ، والتي يمكن أن تعيق التمييز المجهري (99)


الإنزيمات والتفاعلات البيوكيميائية

ستكون معظم التفاعلات الكيميائية داخل الكائنات الحية مستحيلة في ظل الظروف في الخلايا. على سبيل المثال ، درجة حرارة الجسم لمعظم الكائنات الحية منخفضة جدًا بحيث لا تحدث التفاعلات بسرعة كافية لتنفيذ عمليات الحياة. قد تكون المتفاعلات موجودة أيضًا بتركيزات منخفضة لدرجة أنه من غير المحتمل أن تلتقي وتتصادم. لذلك ، يجب زيادة معدل معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية بواسطة محفز. أ عامل حفاز هي مادة كيميائية تسرع التفاعلات الكيميائية. في الكائنات الحية ، تسمى المحفزات الانزيمات. في الأساس ، تعتبر الإنزيمات محفزات بيولوجية.

مثل المحفزات الأخرى ، فإن الإنزيمات ليست متفاعلة في التفاعلات التي تتحكم فيها. إنها تساعد المواد المتفاعلة على التفاعل ولكنها لا تستهلك في التفاعلات. بدلاً من ذلك ، يمكن استخدامها مرارًا وتكرارًا. على عكس المحفزات الأخرى ، عادةً ما تكون الإنزيمات شديدة التحديد لتفاعلات كيميائية معينة. إنها تحفز بشكل عام نوعًا واحدًا فقط أو أنواعًا قليلة من التفاعلات.

الإنزيمات فعالة للغاية في تسريع التفاعلات. يمكنهم تحفيز ما يصل إلى عدة ملايين من ردود الفعل في الثانية. نتيجة لذلك ، قد يكون الاختلاف في معدلات التفاعلات الكيميائية الحيوية مع وبدون الإنزيمات هائلاً. قد يستغرق التفاعل الكيميائي الحيوي النموذجي ساعات أو حتى أيامًا ليحدث في ظل ظروف خلوية طبيعية بدون إنزيم ، ولكن أقل من ثانية مع إنزيم.

الشكل ( PageIndex <1> ) رسم تخطيطي للتفاعل الأنزيمي النموذجي. أ المادة المتفاعلة هو الجزيء أو الجزيئات التي يعمل عليها الإنزيم. في تفاعل اليورياز المحفز ، اليوريا هي الركيزة.

الشكل ( PageIndex <1> ): تسلسل الخطوات لربط الركيزة بإنزيم في موقعه النشط ، يتفاعل ، ثم يتم إطلاقه كمنتجات.

الخطوة الأولى في التفاعل هي أن الركيزة ترتبط بجزء معين من جزيء الإنزيم ، المعروف باسم الموقع النشط. يتحدد ارتباط الركيزة بشكل كل جزيء. تتفاعل السلاسل الجانبية على الإنزيم مع الركيزة بطريقة معينة ، مما يؤدي إلى تكوين الروابط وكسرها. ال موقع نشط هو مكان على الإنزيم حيث ترتبط الركيزة. ينثني الإنزيم بطريقة تجعله عادةً ما يكون له موقع نشط واحد ، عادةً ما يكون جيبًا أو شقًا يتكون من نمط طي البروتين. نظرًا لأن الموقع النشط للإنزيم له شكل فريد من نوعه ، فإن ركيزة واحدة فقط قادرة على الارتباط بهذا الإنزيم. بمعنى آخر ، يحفز كل إنزيم تفاعل كيميائي واحد فقط مع ركيزة واحدة فقط. بمجرد تكوين معقد الإنزيم / الركيزة ، يحدث التفاعل وتتحول الركيزة إلى منتجات. أخيرًا ، يتم تحرير جزيء المنتج أو الجزيئات من الموقع النشط. لاحظ أن الإنزيم لا يتأثر بالتفاعل وهو الآن قادر على تحفيز تفاعل جزيء ركيزة آخر.

بالنسبة للعديد من الإنزيمات ، يتبع الموقع النشط أ قفل و مفتاح (أ في الشكل أدناه) نموذج حيث تتناسب الركيزة تمامًا مع الموقع النشط. يجب أن يكون الإنزيم والركيزة متطابقين تمامًا بحيث يعمل الإنزيم فقط كمحفز لتفاعل واحد. الإنزيمات الأخرى لها نوبة مستحثة (ب في الشكل أدناه) نموذج. في نموذج الملاءمة المستحث ، يمكن للموقع النشط إجراء تعديلات طفيفة لاستيعاب الركيزة. ينتج عن هذا إنزيم قادر على التفاعل مع مجموعة صغيرة من الركائز المماثلة. انظر إلى شكل الموقع النشط مقارنة بشكل الركيزة في B بالشكل أدناه. يتم ضبط الموقع النشط لاستيعاب الركيزة.

الشكل ( PageIndex <2> ): (أ) نموذج إنزيم القفل والمفتاح و (ب) نموذج إنزيم ملائم مستحث.


مراجع

Alberti، S.، Gladfelter، A. & amp Mittag، T. الاعتبارات والتحديات في دراسة فصل الطور السائل عن السائل والمكثفات الجزيئية الحيوية. زنزانة 176, 419–434 (2019).

Banani، S.F، Lee، H. O.، Hyman، A.A & amp Rosen، M.K Biomolecular condensates: منظمو الكيمياء الحيوية الخلوية. نات. القس مول. خلية بيول. 18, 285–298 (2017).

Peng، A. & amp Weber، S.C. الأدلة المؤيدة والمعارضة لفصل الطور السائل عن السائل في النواة. الحمض النووي الريبي غير المشفر 5, 50 (2019).

Shin، Y. & amp Brangwynne، C.P. تكاثف المرحلة السائلة في فسيولوجيا الخلية والمرض. علم 357، eaaf4382 (2017).

Ditlev، J. A.، Case، L.B & amp Rosen، M.K Who's in and who out-composition control of biomolecular condensates. جيه مول. بيول. 430, 4666–4684 (2018).

برانجوين ، سي.بي وآخرون. حبيبات Germline P عبارة عن قطرات سائلة يتم توطينها عن طريق التحلل / التكثيف المتحكم فيه. علم 324, 1729–1732 (2009).

Brangwynne ، C. P. ، Mitchison ، T.J & amp Hyman ، A. A. يحدد السلوك النشط الشبيه بالسائل للنواة حجمها وشكلها في بويضات Xenopus laevis. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 108, 4334–4339 (2011).

ستروم ، إيه آر وآخرون. يؤدي فصل الطور إلى تشكيل مجال الكروماتين المتغاير. طبيعة سجية 547, 241–245 (2017).

لارسون ، أ.ج.وآخرون. يشير تكوين القطيرات السائلة بواسطة HP1α إلى دور لفصل الطور في الهيتروكروماتين. طبيعة سجية 547, 236–240 (2017).

Hnisz، D.، Shrinivas، K.، Young، R.A، Chakraborty، A.K & amp Sharp، P. A. نموذج فصل الطور للتحكم في النسخ. زنزانة 169, 13–23 (2017).

Plys، A. J. & amp Kingston، R. E. Dynamic condensates تنشط النسخ. علم 361, 329–330 (2018).

ألتماير ، إم وآخرون. يتم بذر المزج السائل للبروتينات المضطربة جوهريًا بواسطة بولي (ADP-ribose). نات. كومون. 6, 8088 (2015).

Oshidari ، R. وآخرون. إصلاح الحمض النووي بواسطة قطرات سائلة Rad52. نات. كومون. 11, 695 (2020).

أبراهام ، ك.جيه وآخرون. يدفع Nucleolar RNA polymerase II التكوّن الحيوي للريبوسوم. طبيعة سجية 585, 298–302 (2020).

Aguzzi، A. & amp Altmeyer، M. فصل الطور: ربط التقسيم الخلوي بالمرض. اتجاهات خلية بيول. 26, 547–558 (2016).

Forman-Kay، J.D، Kriwacki، R.W & amp Seydoux، G. فصل الطور في علم الأحياء والمرض. جيه مول. بيول. 430, 4603–4606 (2018).

Alberti، S. & amp Dormann، D. فصل الطور السائل عن السائل في المرض. Annu. القس جينيه. 53, 171–194 (2019).

Babinchak، W. M. & amp Surewicz، W.K. فصل الطور السائل عن السائل ودوره الميكانيكي في تراكم البروتين المرضي. جيه مول. بيول. 432, 1910–1925 (2020).

باك ، سي دبليو وآخرون. محددات التسلسل لفصل الطور داخل الخلايا عن طريق الترابط المعقد لبروتين مضطرب. مول. زنزانة 63, 72–85 (2016).

فيرنون ، آر إم وآخرون. تعد اتصالات Pi-Pi ميزة بروتينية تم التغاضي عنها ذات صلة بفصل الطور. إليفي 7، e31486 (2018).

بوينيمز ، إس وآخرون. فصل طور البروتين: مرحلة جديدة في بيولوجيا الخلية. اتجاهات خلية بيول. 28, 420–435 (2018).

لي ، ب وآخرون. انتقالات الطور في تجميع بروتينات التأشير متعددة التكافؤ. طبيعة سجية 483, 336–340 (2012).

Banjade، S. & amp Rosen، M.K يمكن أن تعزز التحولات الطورية للبروتينات متعددة التكافؤ تكتل مستقبلات الغشاء. إليفي 3، e04123 (2014).

جاين ، أ. & أمبير ؛ فيل ، ر. د. انتقالات طور الحمض النووي الريبي في اضطرابات التمدد المتكررة. طبيعة سجية 546, 243–247 (2017).

Fay، M. & amp Anderson، P. J. دور الحمض النووي الريبي في فصل الطور البيولوجي. جيه مول. بيول. 430, 4685–4701 (2018).

Garcia-Jove Navarro، M. et al. الحمض النووي الريبي هو عنصر حاسم في تحجيم وتكوين مكثفات بروتين الحمض النووي الريبي المنفصلة طورًا. نات. كومون. 10, 3230 (2019).

Kwon ، Y. & amp Chung ، Y.D التنظيم بوساطة RNA لهياكل الكروماتين. الجينوميات الجينية 42, 609–617 (2020).

Lin، Y.، Protter، D. S.، Rosen، M.K & amp Parker، R. مول. زنزانة 60, 208–219 (2015).

تتيح التسلسلات المضطربة جوهريًا تعديل فصل طور البروتين من خلال أشكال التيروزين الموزعة. J. بيول. تشيم. 292, 19110–19120 (2017).

Oldfield ، C.J & amp Dunker ، A.K البروتينات المضطربة جوهريًا ومناطق البروتين المضطربة جوهريًا. Annu. القس Biochem. 83, 553–584 (2014).

Uversky ، V.N. البروتينات المضطربة جوهريًا في بيئة مكتظة: عضيات بدون غشاء ، وفصل طور ، واضطراب جوهري. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 44, 18–30 (2017).

Bah، A. & amp Forman-Kay، J.D. تعديل وظيفة البروتين المضطرب جوهريًا عن طريق التعديلات اللاحقة للترجمة. J. بيول. تشيم. 291, 6696–6705 (2016).

موناهان ، زد وآخرون. تؤدي الفسفرة في مجال FUS منخفض التعقيد إلى تعطيل فصل الطور والتجميع والسمية. EMBO J. 36, 2951–2967 (2017).

موراي دي تي وآخرون. هيكل ألياف بروتين FUS وأهميته للتجميع الذاتي وفصل الطور للمجالات منخفضة التعقيد. زنزانة 171، 615-627 هـ 616 (2017).

Owen، I. & amp Shewmaker، F. دور التعديلات اللاحقة للترجمة في انتقالات الطور للبروتينات المضطربة جوهريًا. كثافة العمليات جيه مول. علوم. 20, 5501 (2019).

ريباك ، جيه إيه وآخرون. فصل الطور الناتج عن الإجهاد هو استجابة تكيفية مضبوطة تطوريًا. زنزانة 168، 1028-1040 هـ 1019 (2017).

Ehrenberg، L. تأثير درجة الحرارة على النواة وطبيعتها المتقاربة. وراثة 32, 407–418 (1946).

Weber، S.C & amp Brangwynne، C. P. مقياس الحجم العكسي للنواة عن طريق انتقال طور يعتمد على التركيز. بالعملة. بيول. 25, 641–646 (2015).

فيريك ، م وآخرون. تكمن المراحل السائلة المتعايشة في أساس الأجزاء الفرعية النووية. زنزانة 165, 1686–1697 (2016).

Hyman، A. A.، Weber، C.A & amp Jülicher، F. فصل الطور السائل عن السائل في علم الأحياء. Annu. القس الخلية ديف. بيول. 30, 39–58 (2014).

McSwiggen، D. T.، Mir، M.، Darzacq، X. & amp Tjian، R. تقييم فصل الطور في الخلايا الحية: التشخيص والتحذيرات والعواقب الوظيفية. تطوير الجينات. 33, 1619–1634 (2019).

Olins، A.L & amp Olins، D.E وحدات الكروماتين الكروية (v الأجسام). علم 183, 330–332 (1974).

Wang ، J. ، Jia ، S. T. & amp Jia ، S. رؤى جديدة في تنظيم الهيتروكروماتين. اتجاهات الجينات. 32, 284–294 (2016).

Allshire، R. C. & amp Madhani، H. D. عشرة مبادئ لتكوين الكروماتين المتغاير ووظيفته. نات. القس مول. خلية بيول. 19, 229–244 (2018).

Mekhail، K.، Seebacher، J.، Gygi، S.P & amp Moazed، D. دور لربط الكروموسوم حول النواة في الحفاظ على استقرار الجينوم. طبيعة سجية 456, 667–670 (2008).

Mekhail، K. & amp Moazed، D. الغلاف النووي في تنظيم الجينوم والتعبير والاستقرار. نات. القس مول. خلية بيول. 11, 317–328 (2010).

Ostrowski ، L.A et al. ينظم Pbp1 / Ataxin-2 المحفوظ نشاط الارجاع العكسي ويربط تجميع البروتين المدفوع بالتمدد متعدد الجلوتامين بتكرارات الحمض النووي الريبي (rDNA) التي تتحكم في العمر. كومون. بيول. 1, 187 (2018).

بيترز ، إيه إتش وآخرون. التقسيم واللدونة لحالات مثيلة الهيستون القمعية في كروماتين الثدييات. مول. زنزانة 12, 1577–1589 (2003).

Lachner، M.، O’Carroll، D.، Rea، S.، Mechtler، K. & amp Jenuwein، T. تقوم ميثيل هيستون H3 ليسين 9 بإنشاء موقع ربط لبروتينات HP1. طبيعة سجية 410, 116–120 (2001).

براشر ، إس في وآخرون. يقترح هيكل الماوس HP1 وضعًا فريدًا للتعرف على الببتيد الفردي عن طريق ثنائيات مجال كرومو الظل. EMBO J. 19, 1587–1597 (2000).

Cowieson، N. P.، Partridge، J.F، Allshire، R.C & amp McLaughlin، P. J.Dimerisation of the chromo shadow domain and الفروق من الكرومودومين كما يتضح من التحليل الهيكلي. بالعملة. بيول. 10, 517–525 (2000).

ماتشيدا ، إس وآخرون. الأساس الهيكلي لتكوين الكروماتين المتغاير بواسطة HP1 البشري. مول. زنزانة 69، 385–397.e388 (2018).

سانولي ، إس وآخرون. يعيد HP1 تشكيل النواة النووية لتعزيز الفصل الطوري للكروماتين المتغاير. طبيعة سجية 575, 390–394 (2019).

Erdel، F. et al. تتبنى الكروماتين الهيتروكروماتين الفأري حالات ضغط رقمية دون إظهار السمات المميزة لفصل الطور السائل عن السائل الذي يحركه HP1. مول. زنزانة 78، 236–249.e237 (2020).

جيبسون ، ب. إيه وآخرون. تنظيم الكروماتين عن طريق فصل الطور الجوهري والمنظم. زنزانة 179، 470–484.e421 (2019).

Fujisawa، T. & amp Filippakopoulos، P. وظائف البروتينات المحتوية على البرومودومين ودورها في الاستتباب والسرطان. نات. القس مول. خلية بيول. 18, 246–262 (2017).

وانج ، ل. وآخرون. تؤثر الطفرات المسببة لمتلازمة ريت على الفصل في الطور السائل عن السائل بوساطة MeCP2 للكروماتين. دقة الخلية. 30, 393–407 (2020).

كريمر ، ب. تنظيم وتنظيم النسخ الجيني. طبيعة سجية 573, 45–54 (2019).

وايت ، دبليو إيه وآخرون. تقوم عوامل النسخ الرئيسية والوسيط بإنشاء معززات فائقة في جينات هوية الخلية الرئيسية. زنزانة 153, 307–319 (2013).

هنيز ، د. وآخرون. معززات فائقة في السيطرة على هوية الخلية والمرض. زنزانة 155, 934–947 (2013).

Fukaya، T.، Lim، B. & amp Levine، M. تحكم محسن في انفجار النسخ. زنزانة 166, 358–368 (2016).

صاباري ، ب. آر وآخرون. يربط تكثيف المنشط في المعززات الفائقة فصل الطور والتحكم في الجينات. علم 361، eaar3958 (2018).

Boija، A. et al. تعمل عوامل النسخ على تنشيط الجينات من خلال قدرة فصل الطور لمجالات التنشيط الخاصة بها. زنزانة 175، 1842-1855 هـ 1816 (2018).

تشو ، دبليو ك وآخرون. تترابط مجموعات الوسيط و RNA polymerase II في المكثفات المعتمدة على النسخ. علم 361, 412–415 (2018).

تشونج ، إس وآخرون. تصوير تفاعلات مجال ديناميكية وانتقائية منخفضة التعقيد تتحكم في نسخ الجينات. علم 361، eaar2555 (2018).

كاي ، د. وآخرون. يعيد الفصل المرحلي لـ YAP تنظيم طوبولوجيا الجينوم للتعبير الجيني المستهدف طويل المدى لـ YAP. نات. خلية بيول. 21, 1578–1589 (2019).

لو ، واي وآخرون. الفصل الطوري لـ TAZ يقسم آلية النسخ لتعزيز التعبير الجيني. نات. خلية بيول. 22, 453–464 (2020).

هان إكس وآخرون. أدوار الشكل الإسوي القصير BRD4 في فصل الطور والنسخ الجيني النشط. نات. هيكل. مول. بيول. 27, 333–341 (2020).

كوون ، آي وآخرون. الارتباط المنظم للفسفرة لبوليميراز الحمض النووي الريبي II بالبوليمرات الليفية ذات المجالات منخفضة التعقيد. زنزانة 155, 1049–1060 (2013).

باتل ، إيه وآخرون. انتقال طور سائل إلى صلب لبروتين ALS FUS تسارع بسبب طفرة المرض. زنزانة 162, 1066–1077 (2015).

Meng، Z.، Moroishi، T. & amp Guan، K.L. آليات تنظيم مسار فرس النهر. تطوير الجينات. 30, 1–17 (2016).

بوينينج ، إم وآخرون. تجمع RNA polymerase II من خلال فصل طور مجال الكربوكسي الطرفي. نات. هيكل. مول. بيول. 25, 833–840 (2018).

لو ، هـ وآخرون. آلية فصل الطور لفرط الفسفرة الطرفي C لبوليميراز الحمض النووي الريبي II. طبيعة سجية 558, 318–323 (2018).

غوو ، واي إي وآخرون. تنظم فسفرة Pol II التبديل بين مكثفات النسخ والربط. طبيعة سجية 572, 543–548 (2019).

كيليك ، إس وآخرون. يحدد الفصل الطوري لـ 53BP1 السلوك الشبيه بالسائل لمقصورات إصلاح الحمض النووي. EMBO J. 38، e101379 (2019).

بيسينا ، إف وآخرون. تتوسط محفزات النسخ الوظيفية في فواصل الحمض النووي المزدوجة السلسلة الفصل الطور الذي يحركه الحمض النووي الريبي لعوامل الاستجابة للضرر. نات. خلية بيول. 21, 1286–1299 (2019).

سينغاتولينا ، أ.س وآخرون. يقوم تنشيط PARP-1 بتوجيه FUS إلى مواقع تلف الحمض النووي لتشكيل مقصورات PARG القابلة للعكس والمخصبة في الحمض النووي التالف. مندوب الخلية. 27، 1809-1821 هـ 1805 (2019).

Ray Chaudhuri، A. & amp Nussenzweig، A. الأدوار المتعددة الأوجه لـ PARP1 في إصلاح الحمض النووي وإعادة تشكيل الكروماتين. نات. القس مول. خلية بيول. 18, 610–621 (2017).

Jungmichel، S. et al. تحديد البروتين على نطاق واسع لأهداف بولي (ADP-Ribosyl) في استجابات الإجهاد السامة الجينية المختلفة. مول. زنزانة 52, 272–285 (2013).

Mastrocola ، A. S. ، Kim ، S. H. ، Trinh ، A. T. ، Rodenkirch ، L. J. بيول. تشيم. 288, 24731–24741 (2013).

Rulten ، S.L et al. التوظيف المعتمد على PARP-1 للبروتين المرتبط بالتصلب الجانبي الضموري FUS / TLS إلى مواقع تلف الحمض النووي المؤكسد. الدقة الأحماض النووية. 42, 307–314 (2014).

ثانداباني ، بي ، أوكونور ، تي آر ، بيلي ، ت. مول. زنزانة 50, 613–623 (2013).

Teloni، F. & amp Altmeyer، M. قارئات بولي (ADP-ribose): مصممة لتناسب الغرض. الدقة الأحماض النووية. 44, 993–1006 (2016).

دينغ ، كيو وآخرون. يتم فسفرة FUS بواسطة DNA-PK ويتراكم في السيتوبلازم بعد تلف الحمض النووي. J. نيوروسسي. 34, 7802–7813 (2014).

نومان ، إم وآخرون. تؤدي إشارات الاستجابة الضعيفة لتلف الحمض النووي بواسطة طفرات FUS-NLS إلى تنكس عصبي وتشكيل مجموع FUS. نات. كومون. 9, 335 (2018).

Mirman، Z. & amp de Lange، T. 53BP1: أحد مرافق DSB. تطوير الجينات. 34, 7–23 (2020).

برايد ، إف وآخرون. يتبادل 53BP1 ببطء في مواقع تلف الحمض النووي ويبدو أنه يتطلب الحمض النووي الريبي لارتباطه بالكروماتين. J. خلية علوم. 118, 2043–2055 (2005).

Francia، S.، Cabrini، M.، Matti، V.، Oldani، A. & amp d'Adda di Fagagna، F. DICER، DROSHA and DNA Dam response RNAs ضرورية للتجنيد الثانوي لعوامل الاستجابة لتلف الحمض النووي. J. خلية علوم. 129, 1468–1476 (2016).

Michelini، F. et al. تتحكم lncRNAs الناجم عن التلف في استجابة تلف الحمض النووي من خلال التفاعل مع DDRNAs في فواصل فردية مزدوجة الخيط. نات. خلية بيول. 19, 1400–1411 (2017).

Oshidari ، R. وآخرون. تتوسط خيوط الأنابيب الدقيقة النووية الحركة الاتجاهية غير الخطية للكروماتين وتعزز إصلاح الحمض النووي. نات. كومون. 9, 2567 (2018).

شين ، واي وآخرون. المكثفات النووية السائلة تستشعر ميكانيكيًا وتعيد هيكلة الجينوم. زنزانة 175, 1481–1491 (2018).

توريس روسيل ، جيه وآخرون. ينظم مجمع Smc5-Smc6 وتعديل SUMO لـ Rad52 الإصلاح التأشبي في موضع الجين الريبوسومي. نات. خلية بيول. 9, 923–931 (2007).

تشيولو وآخرون. تتحرك الفواصل المزدوجة في الكروماتين المتغاير خارج مجال HP1a الديناميكي لإكمال الإصلاح التأشبي. زنزانة 144, 732–744 (2011).

ريو ، تي وآخرون. تنتقل الفواصل غير المتجانسة إلى المحيط النووي لمواصلة الإصلاح التأشبي. نات. خلية بيول. 17, 1401–1411 (2015).

Oshidari، R.، Mekhail، K. & amp Seeber، A. التنقل وإصلاح الحمض النووي التالف: عشوائي أم موجه؟ اتجاهات خلية بيول. 30, 144–156 (2019).

Hubstenberger، A. et al. يكشف تنقية الجسم P عن تكثيف أنظمة الرنا المرسال المكبوتة. مول. زنزانة 68، 144-157.e145 (2017).


الانزيمات

الإنزيمات هي بروتينات لديها القدرة على ربط الركيزة في موقعها النشط ثم تعديل الركيزة المقيدة كيميائيًا ، وتحويلها إلى جزيء مختلف - المنتج من رد الفعل. ركائز يرتبط بالأنزيمات تمامًا مثل الروابط التي ترتبط بالبروتينات. ومع ذلك ، عندما ترتبط الركائز بالإنزيمات ، فإنها تخضع لتغير كيميائي ناتج عن الإنزيم ، ويتم تحويلها إلى منتجات.

الشكل 4. قارن تفاعل البروتين - يجند مع تفاعل الركيزة الإنزيمية. لاحظ أن كلاً من البروتينات والإنزيمات الملزمة لها مواقع ارتباط لروابطها (L) وركائزها (S) ، على التوالي. تسمى هذه المنطقة من الإنزيم بالموقع النشط لأنها تحتوي أيضًا على أحماض أمينية مهمة لتحويل الركيزة إلى منتج.

الركيزة ترتبط بالإنزيم من خلال التفاعل مع الأحماض الأمينية في موقع ملزم. غالبًا ما يشار إلى موقع الارتباط على الإنزيمات باسم موقع نشط لأنه يحتوي على أحماض أمينية تربط الركيزة وتساعد في تحويلها إلى منتج.

يمكنك في كثير من الأحيان التعرف على أن البروتين هو إنزيم باسمه. تنتهي العديد من أسماء الإنزيمات بـ & # 8211ase. على سبيل المثال ، يستخدم إنزيم اللاكتاز لتفكيك سكر اللاكتوز الموجود في حليب الثدييات. تُعرف الإنزيمات الأخرى باسم شائع ، مثل البيبسين ، وهو إنزيم يساعد في هضم البروتينات في معدتك عن طريق كسر روابط الببتيد في البروتينات.

الإنزيمات عبارة عن محفزات ، مما يعني أنها تجعل التفاعل أسرع ، لكن الإنزيمات نفسها لا تتغير من خلال التفاعل الكلي. افحص هذه الصورة لترى كيف تعمل الإنزيمات.

الشكل 5. رد فعل أنزيمية مبسطة. ترتبط الركيزة بشكل عكسي بالموقع النشط للإنزيم ، وتشكل مركب الركيزة الإنزيمية (ES). يتم تحويل الركيزة المرتبطة إلى منتج عن طريق المجموعات التحفيزية في الموقع النشط ، وتشكيل مركب منتج الإنزيم (EP). يتم تحرير المنتجات المربوطة ، مما يعيد الإنزيم إلى شكله غير المرتبط ، ويكون جاهزًا لتحفيز جولة أخرى من تحويل الركيزة إلى منتج.

تلعب الأحماض الأمينية في الموقع النشط للإنزيمات دورين ، وفي بعض الأحيان تتداخل هذه الأدوار. بعض الأحماض الأمينية في الموقع النشط مسؤولة عن ارتباط الركيزة والبعض الآخر مسؤول عن تسهيل التفاعل الكيميائي. عادة ما تكون الإنزيمات محددة تمامًا لركائزها. على الرغم من أن كلا من اللاكتاز والبيبسين يحفزان نفس النوع من التفاعل ، فإن كسر الرابطة باستخدام الماء (التحلل المائي: & # 8220 Hydro & # 8221 يعني & # 8220 water & # 8221 و & # 8220lysis & # 8221 & # 8220 لكسر & # 8221) ، يعمل اللاكتاز فقط عندما اللاكتوز هو ركائزه ويمكن للبيبسين فقط كسر روابط الببتيد.

سؤال الممارسة

ركيزتان - اللاكتوز والبروتين القصير - معروضة على اليسار. يوجد إنزيمان على اليمين معنون A و B. أي من الإنزيمين هو اللاكتاز؟


كيف تعمل الانزيمات

الشكل 6. رسم تخطيطي لتفاعل محفز يظهر الاختلاف في طاقة التنشيط في التفاعل غير المحفز والمحفز. يقلل الإنزيم من حاجز الطاقة المطلوب لتنشيط الركيزة ، مما يسمح بتنشيط المزيد من الركائز ، مما يزيد من معدل تكوين المنتج. لاحظ أن فرق الطاقة بين الركيزة والمنتج لا يتغير بواسطة الإنزيم.

في جميع التفاعلات الكيميائية ، يوجد مدخل أولي للطاقة مطلوب قبل حدوث التفاعل. إذا كانت متطلبات الطاقة الأولية هذه (تسمى طاقة التنشيط أو حاجز الطاقة) صغيرة ، فسيحدث التفاعل بسرعة وسهولة. إذا كانت طاقة التنشيط كبيرة ، فسيستغرق التفاعل وقتًا أطول. تعمل الإنزيمات على تقليل طاقة التنشيط اللازمة لحدوث تفاعل كيميائي.

أولاً ، يرتبط الإنزيم بالركيزة ويشوه شكلها قليلاً. ينشط التغيير في الشكل جزيء الركيزة ويقلل من طاقة التنشيط الكلية المطلوبة لتحويل الركيزة إلى منتج. مع زيادة عدد جزيئات الركيزة النشطة ، يزداد أيضًا تحويل الركيزة إلى منتج. تشبيه لهذا التأثير هو تل تزلج ، حيث يمثل المتزلجون في الجزء السفلي من جانب واحد من التل ركائز ، ويمثل المتزلجون على قمة التل ركائز نشطة ، والمنتجات هي عدد المتزلجين الذين يتزلجون على الجانب الآخر. إذا تم خفض ارتفاع التل (بسبب وجود الإنزيم) ، فيمكن أن يصل المزيد من المتزلجين إلى القمة ، مما يزيد من عدد الذين يتزلجون لأسفل ليصبحوا منتجات.

أسئلة الممارسة

املأ الفراغ: عندما يحفز الإنزيم رد فعل ، ________.

  1. يرفع طاقة التنشيط للتفاعل.
  2. يتم استخدامه مرة واحدة والتخلص منها.
  3. يصبح منتجًا.
  4. يعمل كمتفاعل.
  5. يقلل من طاقة تنشيط التفاعل.

ماذا سيحدث للمعدل الذي يتواصل به التفاعل الكيميائي إذا زادت طاقة التنشيط؟

  1. سيحدث التفاعل بشكل أسرع (بمعدل أعلى).
  2. سيحدث التفاعل بشكل أبطأ (بمعدل أقل).
  3. معدل التفاعل لن يتغير.

باختصار: التفاعلات الكيميائية

تحدد غلاف الإلكترون الخارجي مدى سهولة ونوع الروابط الكيميائية التي تتشكل بها ذرة معينة. غالبًا ما يتم تحديد تكوين المركبات بصريًا في المعادلات الكيميائية التي تُظهر المتفاعلات المشاركة في التفاعلات الكيميائية لتشكيل المنتجات.

تجمع المسارات الابتنائية جزيئات كبيرة لتشكل جزيئات أصغر. مسارات تقويضية تقسم الجزيئات الكبيرة إلى قطع صغيرة.

الإنزيمات عبارة عن بروتينات تسرع التفاعلات عن طريق تقليل طاقة التنشيط. عادة ما يربط كل إنزيم ركيزة واحدة فقط. لا تُستهلك الإنزيمات أثناء التفاعل بدلاً من ذلك فهي متاحة لربط ركائز جديدة وتحفيز نفس التفاعل بشكل متكرر.


شاهد الفيديو: الجهاز الهضمي رحلة الطعام الهضم والإمتصاص (كانون الثاني 2022).