معلومة

1.7: الميتوكوندريا - علم الأحياء


الميتوكوندريا هي الموقع الرئيسي لـ ATP وإنتاج الطاقة في النباتات والحيوانات. تختلف الأرقام من 20 إلى 100000 لكل خلية وتختلف في الشكل والنشاط.

الميتوكوندريا هي عضيات ذات غشاء مزدوج (مثل النواة) لذلك يقال إنها محاطة بغلاف. الغشاء الخارجي (مصفوفة) مرن للغاية ، يتم طي الجزء الداخلي عدة مرات (كريستي) ويبرز في التجويف الداخلي.


1.7 تطور الرئيسيات

ترتيب الرئيسيات من فئة Mammalia تشمل الليمور ، أبراغ ، القرود ، القردة ، والبشر. تعيش الرئيسيات غير البشرية في المقام الأول في المناطق الاستوائية أو شبه الاستوائية في أمريكا الجنوبية وأفريقيا وآسيا. يتراوح حجمها من ليمور الفأر عند 30 جرامًا (1 أونصة) إلى الغوريلا الجبلية 200 كيلوجرام (441 رطلاً). تحظى خصائص وتطور الرئيسيات بأهمية خاصة بالنسبة لنا لأنها تتيح لنا فهم تطور جنسنا.


مراجعة المادة

هايوي وانغ 1 & # x02020 ، بن فانج 1،2 & # x02020 ، بو بنغ 1،3،4 & # x0002a & # x02020 ، ليمين وانغ 1 ، يوفي شيويه 3،4 ، هوا باي 1 ، شنشي لو 1 ، Nicolas H. Voelcker 1،3،4،5،6 & # x0002a ، لين لي 1 & # x0002a ، لي فو 2 و وي هوانغ 1.7
  • 1 مركز فرونتيرز للعلوم للإلكترونيات المرنة ، معهد Xi & # x02019an للإلكترونيات المرنة (IFE) و Xi & # x02019an Institute of Biomedical Materials & # x00026 Engineering، Northwestern Polytechnical University، Xi & # x02019an، China
  • 2 كلية علوم وهندسة المواد ، جامعة نورث وسترن بوليتكنيكال ، Xi & # x00027an ، الصين
  • 3 منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO) ، كلايتون ، في آي سي ، أستراليا
  • 4 تسليم الأدوية والتخلص منها وديناميكياتها ، معهد موناش للعلوم الصيدلانية ، جامعة موناش ، باركفيل ، مركز فيينا الدولي ، أستراليا
  • 5 مركز ملبورن للتصنيع النانوي ، العقدة الفيكتورية لمرفق التصنيع الوطني الأسترالي ، كلايتون ، في آي سي ، أستراليا
  • 6 قسم علوم المواد والهندسة # x00026 ، جامعة موناش ، كلايتون ، في آي سي ، أستراليا
  • 7 مختبر رئيسي للإلكترونيات المرنة (KLOFE) و # x00026 معهد المواد المتقدمة (IAM) ، جامعة نانجينغ للتكنولوجيا (NanjingTech) ، نانجينغ ، الصين

الميتوكوندريا هي عضيات حيوية تحت خلوية تولد معظم الطاقة الكيميائية الخلوية ، وتنظم عملية التمثيل الغذائي للخلايا وتحافظ على وظيفة الخلية. يرتبط الخلل الوظيفي بالميتوكوندريا ارتباطًا مباشرًا بالعديد من الأمراض بما في ذلك الاضطرابات التنكسية العصبية والسكري وأمراض الغدة الدرقية الحرشفية والسرطان وتسمم الدم. وبالتالي ، فإن تصميم جزيئات محددة تستهدف الميتوكوندريا وإدراك اكتساب نشاط الميتوكوندريا في الوقت الفعلي هي أدوات قوية في دراسة وعلاج خلل الميتوكوندريا في الأمراض ذات الصلة. أدت التطورات الحديثة في عوامل استهداف الميتوكوندريا إلى العديد من تحقيقات الميتوكوندريا الكيميائية المهمة التي توفر الفرصة لجزيئات الاستهداف الانتقائي والتطبيقات البيولوجية الجديدة والاستراتيجيات العلاجية. تفاصيل هذه المراجعة الخصائص الوظيفية الهيكلية والفسيولوجية للميتوكوندريا ، وتلخص بشكل شامل وتصنف عوامل استهداف الميتوكوندريا. بالإضافة إلى ذلك ، تمت مناقشة مزاياها وعيوبها وتطبيقاتها البيولوجية الكيميائية ذات الصلة. أخيرًا ، يتم توقع التطبيقات الطبية الحيوية المحتملة لهذه العوامل بإيجاز.


1.7: الميتوكوندريا - علم الأحياء

Zhongtian Yang ، /> & # 8225 أب ليوجو لي ، & # 8225 أ جينغ لينغ ، أب تيانيان ليو ، أب شياوشواي هوانغ أ يوتشينغ ينغ ، دي يون تشاو دي يان تشاو أب كاي لي ، /> * دي ليانجي تشن /> * acf و Zhixing Chen /> * أبف

معهد الطب الجزيئي ، مختبر بكين الرئيسي للطب الجزيئي القلبي العضلي ، جامعة بكين ، بكين ، الصين
بريد الالكتروني: [email protected]، [email protected]

(ب) مركز بكين - تسينغهوا لعلوم الحياة ، جامعة بكين ، بيجين ، الصين

(ج) مختبر الدولة الرئيسي لبيولوجيا الغشاء ، جامعة بكين ، بكين ، الصين

د مختبر مقاطعة تشجيانغ لعلوم الحياة والطب الحيوي ، المختبر الرئيسي لتنظيم النمو ، البحث الانتقالي لمقاطعة تشجيانغ مدرسة علوم الحياة ، جامعة ويستليك ، هانغتشو ، مقاطعة تشجيانغ ، الصين
بريد الالكتروني: [email protected]

(هـ) معهد الأحياء ، معهد ويستليك للدراسات المتقدمة ، هانغتشو ، مقاطعة تشجيانغ ، الصين

f معهد PKU-Nanjing للطب التحويلي ، نانجينغ ، الصين

الملخص

تعد طرق التصوير الحديثة باللمعان بالكشف عن ديناميات العضية في الخلايا الحية. ومع ذلك ، أصبحت السمية الضوئية مشكلة سائدة عند تطبيق الإضاءة المعززة. الميتوكوندريا هي عضيات تمثيلية تعتمد أبحاثها بشكل كبير على التصوير البصري ، ومع ذلك فإن هذه المحاور الغشائية للطاقة الحيوية معرضة بشكل استثنائي للتلف الضوئي. لقد أبلغنا عن أن أصباغ السيانين المترافقة مع cyclooctatetraene (أصباغ PK Mito) ، هي تحقيقات ميتوكوندريا مثالية مع ضرر ديناميكي ضوئي منخفض بشكل ملحوظ للاستخدام العام في القياس الخلوي الفلوري. على النقيض من ذلك ، فإن اقتران النيتروبنزين لـ Cy3 يعزز الثبات الضوئي ولكن السمية الضوئية غير المتأثرة مقارنةً بالأبوين Cy3. يتيح PK Mito Red ، جنبًا إلى جنب مع الفحص المجهري للإضاءة الهيكلية Hessian ، التصوير بفاصل زمني 2000 إطار مع هياكل crista قابلة للحل بوضوح ، مما يكشف عن ديناميكيات الميتوكوندريا الغنية. في اختبار دقيق لفرز الخلايا الجذعية وزرعها ، يحتفظ PK Mito Red إلى أقصى حد بجذعية الأرومات الحديثة المستوية ، مما يُظهر توافقًا حيويًا ممتازًا متعدد الأوجه. يتناغم هذا العمل مع الموضوع المستمر للحد من التلف الضوئي باستخدام الأساليب البصرية ، ويدعو هذا العمل إلى تقييم وتقليل السمية الضوئية عند تطوير مجسات التصوير.


القليل من التوضيح:

يحتوي المعيار على بيان التوضيح هذا:

يتم التركيز على الفهم النظري لمدخلات ومخرجات عملية التنفس الخلوي.

لذلك ، يجب أن تركز على هذه الأفكار الكبيرة لهذا المعيار:

التنفس الهوائي

التنفس الهوائي هو في الأساس عملية عكسية لعملية التمثيل الضوئي. حيث يجمع التمثيل الضوئي بين الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة & # 8211 التنفس الهوائي تطلق الطاقة والماء وثاني أكسيد الكربون. والجزيء الذي يقع بين هاتين العمليتين هو الجلوكوز.

يعمل الجلوكوز (السكر) كجزيء لتخزين الطاقة. تقوم النباتات بتصدير السكر من الأوراق وإرساله إلى الجذور. يسمح هذا لجميع مناطق النبات باستخدام الطاقة التي تحصدها البلاستيدات الخضراء في الأوراق. تأكل العواشب هذه السكريات لتعزيز النمو الخلوي. على الرغم من أن الحيوانات آكلة اللحوم ، على الرغم من أنها لا تأكل السكريات النباتية بشكل مباشر ، إلا أنها تأكل طاقة السكر بعد أن يتم استخدامها لإنشاء خلايا وأنسجة جديدة في العواشب.

التخمر والتنفس اللاهوائي

ومع ذلك ، فإن التنفس الهوائي هو مجرد واحدة من عدة طرق يمكن للكائنات الحية أن تطلق بها الطاقة المخزنة في السكر. العديد من البيئات & # 8211 مثل قاع البحيرة أو داخل حاوية مغلقة & # 8211 لا تتأكسد جيدًا. في هذه البيئات ، يجب أن تمتلك الكائنات الحية طرقًا مختلفة لإطلاق الطاقة المرتبطة بالجزيئات العضوية.

التخمير هو أحد الأساليب الشائعة التي تستخدمها العديد من الكائنات الحية. أثناء التخمير ، يتم تحويل المنتجات النهائية لتحلل السكر إلى مواد أخرى. يستخدم التخمير أساسًا البيروفات (المنتج النهائي لتحلل السكر) لقبول الإلكترونات المخزنة على ناقلات الإلكترون. نظرًا لأن سلسلة نقل الإلكترون لا يمكن أن تعمل ، فإن حاملات الإلكترون تمتلئ بالإلكترونات أثناء تحلل السكر ويتم نقل هذه الإلكترونات إلى البيروفات لإعادة تدوير الحاملات. تُعرف عدة طرق مختلفة للتخمير & # 8211 من تخمير الكحول بالخميرة إلى تخمير حمض اللاكتيك الذي تخضع له العضلات البشرية عندما تكون منخفضة على الأكسجين.

على النقيض من ذلك ، لا يزال التنفس اللاهوائي يستخدم سلسلة نقل الإلكترون. بدلاً من الأكسجين (لأنه لا يوجد) ، يتم استخدام جزيئات أخرى كمستقبل نهائي للإلكترون. لذلك ، غالبًا ما يكون التنفس اللاهوائي أكثر إنتاجية من التخمير لأن حاملات الإلكترون يمكن أن تساهم بطاقتها في آلية إنشاء مضخة البروتون الفعالة للغاية ATP.


مجمعات سلسلة الجهاز التنفسي والمركبات الفائقة

يتم إنشاء التدرج البروتوني عبر غشاء cristae بواسطة ثلاثة معقدات بروتين غشائية كبيرة من السلسلة التنفسية في cristae ، والمعروفة باسم المركب I (NADH / ubiquinone oxidoreductase) ، III (السيتوكروم ج اختزال) والرابع (السيتوكروم ج أوكسيديز) (الشكل 2). يغذي المركب I الإلكترونات من الجزيء الحامل القابل للذوبان NADH في السلسلة التنفسية وينقلها إلى كينول في الغشاء. يتم استخدام الطاقة المنبعثة من تفاعل نقل الإلكترون لضخ أربعة بروتونات من المصفوفة إلى تجويف كريستا. يأخذ المركب III الإلكترونات من الكينول المختزل وينقلها إلى بروتين السيتوكروم الحامل للإلكترون الصغير القابل للذوبان ج، ضخ بروتون واحد في هذه العملية. أخيرًا ، ينقل المركب IV الإلكترونات من السيتوكروم ج إلى الأكسجين الجزيئي ويساهم في تدرج البروتون باستخدام ما يصل إلى أربعة بروتونات لكل جزيء أكسجين مستهلك لتكوين الماء. ينقل المركب II (نازعة هيدروجين السكسينات) الإلكترونات من السكسينات مباشرة إلى الكينول ولا يساهم في تدرج البروتون.

تمت دراسة مجمعات سلسلة الجهاز التنفسي بتفصيل كبير لعقود. تتوفر هياكل عالية الدقة للأشعة السينية لمركب الميتوكوندريا III [44] و IV [45]. في الكتلة الجزيئية

1 ميجادالتون (MDa) ، مجمع الميتوكوندريا I أكبر بكثير ويحتوي على وحدات فرعية أكثر من المجمعين الثالث والرابع معًا. حتى الآن لا توجد بنية للأشعة السينية لمجمع الثدييات ، ولكن مؤخرًا أ

3.6 Å هيكل الأشعة السينية للمجمع I من الخميرة الهوائية الملزمة يارويا ليبوليتيكا تم الحصول عليها [46]. مقارنة بهيكل الأشعة السينية عالي الدقة لـ

550 كيلو دالتون مركب أنا من البكتيريا المحبة للحرارة ثيرموفيلوس [47] يشير إلى أن الوحدات الفرعية الأساسية الـ 14 المحفوظة لها نفس البنية بشكل أساسي في كليهما ، بما في ذلك ثلاث وحدات بروتون مضادة للحقن في الغشاء وثماني مجموعات من الحديد والكبريت في ذراع المصفوفة. يحتوي مجمع الميتوكوندريا على حوالي ثلاثة أضعاف عدد الوحدات الفرعية البروتينية الموجودة في سلفه البكتيري. معظم وظائف الوحدات الفرعية الإضافية غير معروفة ، ولكن من المحتمل أن يعمل الكثير منها في التجميع أو تنظيم وظيفة I المعقدة. تشتمل الميزات المحفوظة من البكتيريا إلى الميتوكوندريا على حلزون ألفا أفقي طويل على جانب المصفوفة والذي قد يعمل على استقرار مجال الغشاء. لقد حل التركيب الحديث لـ 5 جزيء واحد من مجمع القلب البقري I (الشكل 6) وحدات نقل البروتونات ، ومجموعات الحديد والكبريت واللولب الأفقي الطويل ، و 14 من 31 مجمع الثدييات الفائض I تم حلها. حددت [48]. ومع ذلك ، فإن الطريقة التي يتم بها نقل الإلكترون من NADH إلى ubiquinone في المركب I مقترنًا بالانتقال البروتوني لا تزال غير معروفة ، ولا يزال هناك الكثير الذي يتعين اكتشافه.

هيكل Cryo-EM لمجمع قلب الأبقار I. مجمع الميتوكوندريا I (

1 MDa) له ذراع مصفوفة وذراع غشائي. يحتوي ذراع المصفوفة على صف من ثماني مجموعات من الحديد والكبريت (أحمر) التي تنقل الإلكترونات من NADH إلى ubiquinol عند تقاطع أذرع المصفوفة والغشاء (الشكل 7). يتكون ذراع الغشاء من 78 حلزونيًا عابرًا للغشاء ، بما في ذلك ثلاث وحدات ضخ بروتون. (مقتبس من [51] رمز EMDB 2676)

على عكس سينسيز ATP ، الذي يشكل صفوفًا ثنائية الأبعاد في الكرستاي ، تتجمع مضخات البروتون في سلسلة نقل الإلكترون في معقدات فائقة أو "أجهزة التنفس". تم افتراض سلسلة معقدة من الجهاز التنفسي لأول مرة على أساس المواد الهلامية ذات الأصل الأزرق من الخميرة وميتوكوندريا قلب الأبقار المذابة في المنظف الخفيف الديجيتونين [49]. كشف الفحص المجهري الإلكتروني ذو البقعة السالبة [50] وجسيم التبريد أحادي الجسيم [51] من المجمع الفائق للقلب البقري 1.7 MDa أنه يتكون من نسخة واحدة من المركب I ، ومونومر III مركب واحد ، ومونومر IV معقد. تم تركيب هياكل الأشعة السينية للمجمعات المكونة على الخريطة ثلاثية الأبعاد (الشكل 7) [51] ، مما يشير إلى مسار الإلكترون من NADH عبر مجموعات الحديد والكبريت للمركب I و ubiquinol إلى المجموعات الاصطناعية للمركب III ، وأخيرًا إلى الأكسجين الجزيئي في المركب IV. توفر الأدلة الجينية دعمًا قويًا لوجود أجهزة التنفس في الجسم الحي [52] ، ولكن كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنها من القطع الأثرية لإذابة المنظفات ، على الرغم من بنيتها المحددة جيدًا. أظهر عمل cryo-ET الأخير أنها موجودة في أغشية cristae لميتوكوندريا قلب الأبقار (Davies and Kühlbrandt ، نتائج غير منشورة). خميرة الخميرة، التي تفتقر إلى المركب I ، ومع ذلك لديها سلسلة فائقة معقدة من الجهاز التنفسي تتكون من المركبين III و IV [53]. بعيدًا عن التوزيع العشوائي في الغشاء ، فإن مركبات سينسيز ATP ومجمعات نقل الإلكترون في السلسلة التنفسية تشكل بالتالي تجمعات فوق الجزيئية في الكرستاي ، بطريقة يتم الحفاظ عليها أساسًا من الخميرة إلى البشر (الشكل 8). لم يتم بعد تحديد دور وظيفي واضح للتركيبات الفائقة للميتوكوندريا. قد تجعل نقل الإلكترون من وإلى ubiquinone في المجمعين الأول والثالث أكثر كفاءة ، حيث يتم محاذاة المواقف والتوجهات النسبية للمجمعين بدقة بدلاً من العشوائية. ومع ذلك ، لا يوجد دليل مباشر على أن هذا يحدث فرقًا. قد تساعد التعقيدات الفائقة ببساطة في تجنب التفاعلات العشوائية غير المواتية للبروتين والبروتين في البيئة المليئة بالغشاء الداخلي للميتوكوندريا [54]. بدلاً من ذلك ، قد يتحكمون في نسبة معقدات سلسلة الجهاز التنفسي في الغشاء ، أو يساعدون في استقرارهم على المدى الطويل.

هيكل Cryo-EM للمجمع الفائق لسلسلة الجهاز التنفسي للقلب البقري 1.7 MDa. أ يتكون المركب الفائق من نسخة واحدة من نازعة هيدروجين NADH (المركب I ، أزرق) ، السيتوكروم قبل الميلاد 1 ديمر (المركب الثالث ، زهري) ونسخة واحدة من السيتوكروم ج أوكسيديز (المركب الرابع ، لون أخضر). ب يوبيكوينول (جامعة كوينزلاند) مواقع ربط المجمعات الأول والثالث والمسافة القصيرة بين السيتوكروم ج مواقع ملزمة في المجمعين الثالث والرابع ، مما يفضل نقل الإلكترون بكفاءة. يتم تمييز العوامل المساعدة النشطة في نقل الإلكترون بـ أصفر (FMN) ، البرتقالي (مجموعات الحديد والكبريت) ، أزرق غامق (الكينولات) ، أحمر (hemes) و لون أخضر (ذرات النحاس). السهام تشير إلى مسار الإلكترون من خلال supercomplex. (مقتبس من [51])

تشكل صفوف ثنائيات ATP synthase أعراف الميتوكوندريا. في تلال cristae ، تراكيب ATP (أصفر) تشكل بالوعة للبروتونات (أحمر) ، بينما مضخات البروتون في سلسلة نقل الإلكترون (لون أخضر) في مناطق الأغشية على جانبي صفوف الثنائيات. بتوجيه البروتونات من مصدرها إلى حوض البروتون في سينسيز ATP ، قد تعمل الكرستيات كقنوات بروتون تمكن من إنتاج ATP الفعال مع تدرج الأس الهيدروجيني الضحل بين العصارة الخلوية والمصفوفة. السهام الحمراء تظهر اتجاه تدفق البروتون. (مقتبس من [17])

مكون البروتين الرئيسي في crista lumen هو السيتوكروم البروتين الحامل للإلكترون الصغير القابل للذوبان ج ينقل الإلكترونات من المركب III إلى المركب IV. إذا تم إطلاقه في السيتوبلازم ، السيتوكروم ج يطلق موت الخلايا المبرمج [55]. لذلك من الضروري أن السيتوكروم ج لا يتسرب من الكرستاي وأن الغشاء الخارجي يظل مغلقًا بإحكام أثناء انشطار وانصهار الميتوكوندريا.


الفصل الأول - عزل الميتوكوندريا من الخلايا والأنسجة

تعد الميتوكوندريا المعزولة مفيدة لدراسة العمليات الأساسية بما في ذلك التنفس الميتوكوندريا ، والنشاط الأيضي ، واستيراد البروتين ، واندماج الغشاء ، وتجميع مركب البروتين ، بالإضافة إلى تفاعلات الميتوكوندريا مع الهيكل الخلوي ، و mRNAs المشفرة نوويًا ، والعضيات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد دراسات بروتين الميتوكوندريا ، والبروتيوم الفوسفوري ، والدهون على تحضير الميتوكوندريا عالية النقاء (Boldogh، Vojtov، Karmon، & amp Pon، 1998 Cui، Conte، Fox، Zara، & amp Winge، 2014 Marc et al.، 2002 Meeusen، McCaffery، & amp Nunnari، 2004 Reinders et al.، 2007 Schneiter et al.، 1999 Stuart & amp Koehler، 2007). تعتمد معظم طرق عزل الميتوكوندريا على الطرد المركزي التفاضلي ، وهو طرد مركزي من خطوتين يتم تنفيذه بسرعة منخفضة لإزالة الخلايا السليمة ، وحطام الخلايا والأنسجة ، والنواة من مستخلصات الخلية الكاملة متبوعة بالطرد المركزي عالي السرعة لتركيز الميتوكوندريا وفصلها عن العضيات الأخرى . ومع ذلك ، تختلف طرق تعطيل الخلايا والأنسجة. علاوة على ذلك ، يتم استخدام الطرد المركزي المتدرج الكثافة أو تنقية العضية لزيادة تنقية الميتوكوندريا أو لفصل مجموعات مختلفة من العضية. هنا ، نحن نصف بروتوكولات لعزل الميتوكوندريا من الخلايا والأنسجة المختلفة وكذلك نهج لتقييم نقاء وسلامة العضيات المعزولة.


نمذجة التمثيل الغذائي للميتوكوندريا

التمثيل الغذائي معقد. حقا معقدة. لن تصدق مدى تعقيدها الهائل والضخم والمحير للعقل. أعني ، قد تعتقد أن دورة حامض الستريك معقدة ، لكن هذا مجرد فول سوداني لما يحدث في الخلية.

التمثيل الغذائي للميتوكوندريا معقد وينشأ من شبكات ديناميكية لآلاف الجينات والبروتينات والمستقلبات. تتمثل التحديات التي تواجه فهم آليات أمراض الميتوكوندريا في تنوعها الهائل في الأعراض السريرية واختراقها ، واختلافها الوراثي والكيميائي الحيوي.

نظرًا لأن الشبكة معقدة للغاية ، فإننا نبني نماذج حواسيب لهذه الشبكات [1] [2]. ثم نستخدم هذه النماذج لمحاكاة التمثيل الغذائي للميتوكوندريا في ظل الظروف العادية ، وأيضًا ما يحدث لإنتاج الطاقة والتمثيل الغذائي إذا قمنا بتغيير نشاط الإنزيم ، أو توفر المستقلب. تمثل هذه التغييرات نموذجًا لما يحدث عندما تتأثر بروتينات الميتوكوندريا بالطفرات الجينية كما هو الحال في أمراض الميتوكوندريا [3] [4] ، أو عندما يزداد أو ينقص إمداد المستقلبات ، كما هو الحال في أمراض القلب [5] ونقص التروية / إصابة إعادة التروية [6] ، مرض السكري [7] أو السرطان. إذا تسبب التغيير في انخفاض كبير في إنتاج الطاقة ، فمن المحتمل أن يتسبب في مرض خطير. لكن في بعض الأحيان يمكن لشبكة التمثيل الغذائي أن تعيد توجيه مسارها حول جين المرض للحد من الضرر. إذا تمكنا من تعزيز هذا المسار ، فقد يكون علاجًا يقلل من عبء المرض.

نماذجنا هي الأكثر شمولاً من نوعها المتاحة - مع أكثر من 400 تفاعل - مما يتيح عرضًا على مستوى الأنظمة لعملية التمثيل الغذائي وتفسير البيانات البيوكيميائية والسريرية. أحدث طراز لدينا ، MitoCore ، متاح هنا.


مجالات الحياة

كل الخلايا لديها القليل من الأشياء المشتركة. جميع الخلايا مقيدة بغشاء خلوي يتكون من طبقة ثنائية الفوسفوليبيد وبروتينات مدمجة. يولد غشاء الخلية بيئة داخلية منظمة تسمح للكيمياء الحيوية المعقدة لحدوث الحياة ، داخل سائل شبيه بالهلام داخل الخلية ، يُعرف باسم السيتوبلازم. تحتوي جميع الخلايا على DNA ، وهو جزيء يخزن المعلومات الجينية. الوظائف الرئيسية للحمض النووي هي 1) الترميز لإنتاج البروتينات و 2) للتكاثر للسماح بالتكاثر الخلوي. وفقًا للعقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية ، فإن الحمض النووي هو جزيء التخزين الذي يرمز إلى إنتاج البروتينات. ومع ذلك ، فإن الحمض النووي لا يرمز للبروتينات بشكل مباشر. بدلاً من ذلك ، ينتج DNA (حمض نووي) رسالة وراثية في RNA (حمض نووي) ، والتي ترمز لإنتاج بروتين في الريبوسوم. بمعنى آخر ، يصنع الحمض النووي رموز RNA و RNA لإنتاج البروتينات. لذلك ، فإن جميع الخلايا مرتبطة بغشاء خلوي ، والذي يغلف الحمض النووي الذي يرمز لإنتاج الريبوسومات (المكونة من الحمض النووي الريبي والبروتينات) والبروتينات. أحد الاكتشافات الرائعة التي توصل إليها العلماء هو أن جميع الكائنات الحية على الأرض تتبع نفس الشفرة. ماذا يعني هذا؟ إذا كان لديك نسخة دقيقة من جزء من الحمض النووي في كائنات مختلفة ، فسوف ينتج نفس البروتين تمامًا. هذه هي الطريقة التي يتم بها إنجاز الهندسة الوراثية ، يمكن إدخال جين (جزء من DNA يرمز لجزيء mRNA معين) من كائن حي في كائن حي مختلف ، وبمجرد تنشيط الجين ، سينتج الكائن المعدل وراثيًا نفس البروتين تمامًا . حقيقة أن جميع الكائنات الحية تشترك في نفس الرمز هي مؤشر قوي للغاية على أن جميع الكائنات الحية على الأرض تشترك في سلف واحد مشترك. دليل آخر يدعم هذا هو أن تكرار الحمض النووي متطابق تقريبًا لجميع الكائنات الحية.

شكل 1. مجالات الحياة الثلاثة. تتكون جميع الكائنات الحية من خلايا تحتوي على الحمض النووي ، والذي يرمز للبروتينات. يتم وضع الموجود (الكائنات الحية حاليًا) في واحد من ثلاثة مجالات. تفتقر مجالات البكتيريا والعتائق ، المعروفة باسم بدائيات النوى ، إلى نواة وعضيات حقيقية. في حين أن حقيقيات النوى ، المعروفة باسم حقيقيات النوى ، لها نواة حقيقية وعضيات حقيقية. تدعم أدلة الحمض النووي باستمرار الفرضية القائلة بأنه على الرغم من أن العتائق والبكتيريا أكثر تشابهًا من الناحية الشكلية ، فإن العتائق هي في الواقع أكثر ارتباطًا وراثيًا بحقيقيات النوى. تختلف البكتيريا عن Archaea و Eukarya في وجود جدار خلوي مكون من عديد السكاريد ، الببتيدوغليكان.

تقليديا ، تم تقسيم الكائنات الحية إلى مجموعتين اعتمادًا على وجود أو عدم وجود نواة: بدائيات النوى وحقيقيات النوى. بدائيات النوى (نشأت من اليونانية بروكاريا، بمعنى "قبل البذرة" أو "قبل النواة) يشكلان اثنين من الفروع الثلاثة الرئيسية لشجرة الحياة: البكتيريا والعتائق (الشكل 1). بدائيات النوى هي كائنات وحيدة الخلية تفتقر إلى نواة حقيقية ومغلفة بغشاء العضيات. تمثل البكتيريا أقدم الكائنات الحية على هذا الكوكب. تختلف البكتيريا عن الأركيا في عدد من الطرق ، ولكنها تختلف من الناحية الشكلية عن طريق وجود أو عدم وجود جدار خلوي. ليس لديها هذا الهيكل. في الأصل ، كان يُعتقد أن جميع بدائيات النوى كانت أكثر ارتباطًا بسبب تشابهها. علاوة على ذلك ، كان يُعتقد أن الأركيا سبقت البكتيريا ، ويرجع ذلك في الغالب إلى حقيقة أن لديها بنية أكثر بساطة. تضع التحليلات Archaea أكثر معاصرة مع حقيقيات النوى للمجال Eukarya (اليونانية "للبذور الحقيقية" أو "النواة الحقيقية") ، التي تحتوي على نواة وعضيات معقدة ، من نظيراتها المتشابهة شكليًا ق ، البكتيريا. في الواقع ، أحد الأشياء الوحيدة التي تشترك فيها الأركيا وحقيقيات النوى ، ولكنها تختلف عن البكتيريا ، هو عدم وجود جدار خلوي مصنوع من الببتيدوغليكان. هناك حلان لشرح هذا التطور. في مرحلة ما في الماضي البعيد تباعد الجد المشترك لكل أشكال الحياة إلى مجموعتين. أصبحت إحدى هذه المجموعات عبارة عن بكتيريا ، بينما أصبحت المجموعة الأخرى في النهاية عتائق وحقيقية. إحدى الفرضيات هي أن البكتيريا (التي تحتوي على الببتيدوغليكان) تمثل أقدم كليد حي ، وأن سلف الأركيا وحقيقيات النوى فقد غشاء الخلية المصنوع من الببتيدوغليكان. بدلاً من ذلك ، لم يكن سلف الانقسام الأصلي بين البكتيريا والأركيا / Eukarya يحتوي على ببتيدوغليكان. بعد الاختلاف الأولي ، طورت البكتيريا المبكرة تطوريًا جدارًا خلويًا مع الببتيدوغليكان. كان من الممكن أن يكون مثل هذا التطور مفيدًا للغاية ، حيث سمح للبكتيريا ذات جدار الخلية الببتيدوغليكان بالبقاء والتكاثر ، بينما انقرضت تلك البكتيريا التي لا تحتوي على الببتيدوغليكان. هاتان الفرضيتان متنازعان بشدة.

الشكل 2. هيكل الخلية بدائية النواة. في حين أن بدائيات النوى (أي البكتيريا) لا تحتوي على عضيات (والتي تحدها طبقة ثنائية الفوسفوليبيد من خلال التعريف) ، فإن لها العديد من الهياكل التي يمكن تحديدها. الحمض النووي بدائية النواة دائري ، وأحيانًا يتجمع في نواة زائفة ، تُعرف بالنووية. إنها ليست نواة حقيقية ، لأنها تفتقر إلى غشاء نووي (طبقة ثنائية فوسفورية مزدوجة. يتم نسخ الحمض النووي لإنتاج mRNA الذي يترجم على الفور إلى بروتينات في الريبوسوم. جميع الخلايا يحدها غشاء بلازما (أو غشاء الخلية). الخلايا البكتيرية لها جدار خلوي إضافي يتجاوز غشاء البلازما ، وتتكون جدران الخلايا البكتيرية من عديد السكاريد ، الببتيدوغليكان ، الموجود فقط في البكتيريا ، العتائق هي مجموعة منفصلة من بدائيات النوى من البكتيريا ، التي تفتقر إلى جدار خلوي.

مثل جميع بدائيات النوى للخلايا (الشكل 2) يحدها غشاء خلوي (أو غشاء بلازما) يحتوي على السيتوبلازم الشبيه بالهلام بداخله ، ولديها DNA يرمز لإنتاج الريبوسومات والبروتينات. لا يرتبط الحمض النووي في بدائيات النوى (البكتيريا والعتائق) داخل النواة ، بينما في حقيقيات النوى يرتبط الحمض النووي داخل غلاف نووي. في أنواع معينة من بدائيات النوى ، يكون الحمض النووي مقيدًا داخل الخلية ، مما ينتج بنية مرئية تحت المجهر ، تُعرف باسم النيوكليويد. النواة ليست نواة حقيقية ، حيث يتم تقييد الحمض النووي بواسطة غلاف نووي. في حين أن بدائيات النوى لها هياكل محددة ، فإنها تفتقر إلى عضيات حقيقية ، يتم تحديدها من خلال وجود طبقة ثنائية الفوسفوليبيد. حقيقيات النوى لها عضيات حقيقية. تمتلك البكتيريا أجزاء من البروتينات غير المحاطة بغشاء بلازما ، يُعتقد أنها تعمل بشكل مشابه للعضيات البدائية.

بدائيات النوى عادة ما تكون أحادية الخلية أو مستعمرة

بدائيات النوى تكاد تكون كائنات حية حرة وحيدة الخلية. بعض بدائيات النوى ، مثل البكتيريا الزرقاء ، يمكن أن تشكل مستعمرات كبيرة. تحتوي هذه البكتيريا الاستعمارية على بروتينات متخصصة تسمح للخلايا الفردية بالاتصال بكل منها. هناك أمثلة نادرة للبكتيريا التي تظهر سلوكًا متعدد الخلايا خلال أوقات معينة من دورة حياتها ، مثل البكتيريا المخاطية. عندما تكون مصادر الغذاء وفيرة ، تتواجد هذه البكتيريا ككائنات وحيدة الخلية. مع انخفاض الإمدادات الغذائية ، تتجمع البكتيريا المخاطية كمستعمرات ، حيث تلتصق الخلايا الفردية ببعضها البعض وتتحرك وحدة مفردة. بينما تتكاثر البكتيريا المخاطية ، فإنها تمثل نوعًا استعماريًا ، حيث تتشابه جميع الخلايا في التركيب والوظيفة ، ولكنها متصلة ببعضها البعض. إذا كانت المستعمرة المحتشدة للبكتيريا المخاطية غير قادرة على العثور على مصدر غذائي مناسب ، يحدث شيء مثير للاهتمام. ستوقف المستعمرة المحتشدة بحثها وتبدأ في تكوين أجسام مثمرة. داخل أجسام الثمار ، تقوم بعض الخلايا الطبيعية (الخضرية ، على شكل قضيب) بتغيير هيكلها إلى خلايا تكاثرية مدورة ذات جدران خلوية سميكة للغاية ، تُعرف باسم الأبواغ المخاطية ، مما يسمح لهذه الخلايا بالبقاء على قيد الحياة حتى تتحسن الظروف. . يتم الاحتفاظ بهذه الخلايا التناسلية فوق أجسام الثمار بواسطة جثث العديد من البكتيريا الفطرية الخضرية. في هذه المرحلة خلال دورة حياتها ، تُظهر البكتيريا المخاطية سلوكًا متعدد الخلايا بدائيًا للغاية: وجود أنواع مختلفة من الخلايا. طورت بعض حقيقيات النوى ، المعروفة باسم قوالب الوحل ، دورة حياة مشابهة جدًا.

تخليق البروتين في بدائيات النوى

يختلف شكل الحمض النووي في بدائيات النوى وحقيقيات النوى. في بدائيات النوى ، الحمض النووي عبارة عن حلقة دائرية واحدة. في حقيقيات النوى ، يتم تنظيم الحمض النووي في عدة كروموسومات خطية. في بدائيات النوى عندما تكون البروتينات مطلوبة ، يتم نسخ جزء من الحمض النووي إلى mRNA. أثناء نسخ mRNA ، يرتبط الريبوسوم بـ mRNA ويبدأ عملية الترجمة ، ويحول رسالة mRNA إلى بروتين. يحدث النسخ والترجمة في وقت واحد في بدائيات النوى.


معلومات الكاتب

العنوان الحالي: Merck KGaA ، دارمشتات ، ألمانيا

العنوان الحالي: Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin ، برلين ، ألمانيا

العنوان الحالي: معهد برلين للصحة ، برلين ، ألمانيا

ساهم هؤلاء المؤلفون بالتساوي: كارولين فيشر ، لورا تروف.

الانتماءات

معهد بيولوجيا الخلايا العصبية ، جامعة ميونيخ التقنية ، ميونيخ ، ألمانيا

كارولين فيشر ، لورا تروفو ، نيكولاس سناديرو وتوماس ميسجيلد

المركز الألماني للأمراض العصبية التنكسية ، ميونيخ ، ألمانيا

كارولين فيشر ، لورا تروفو ، ستيفان إيه مولر ، نيكولاس سناديرو ، فولفغانغ ورست ، ستيفان إف ليشتنثالر وأمب توماس ميسجيلد

كلية الدراسات العليا في علوم الأعصاب الجهازية ، جامعة لودفيج ماكسيميليان ، ميونيخ ، ألمانيا

علم البروتينات العصبية ، كلية الطب ، كلينيكوم ريشتس دير إيزار ومعهد الدراسات المتقدمة ، جامعة ميونيخ التقنية ، ميونيخ ، ألمانيا

ستيفان إيه مولر وأمبير ستيفان إف ليختنثالر

مركز جين ميونيخ ، جامعة لودفيغ ماكسيميليان ، ميونيخ ، ألمانيا

جينيفر ويتمارشوزن وأمبير فابيانا بيروتشي

معهد السكري والسمنة ، هيلمهولتز زينتروم ميونيخ ، ميونيخ ، ألمانيا

جينيفر ويتمارشوزن وأمبير فابيانا بيروتشي

علم المناعة العصبي التجريبي ، كلينيكوم ريشتس دير إيزار ، جامعة ميونيخ التقنية ، ميونيخ ، ألمانيا

سيلفيا هاينك وأمبير توماس كورن

معهد علم الوراثة التنموية ، هيلمهولتز زينتروم ميونيخ ، ميونيخ ، ألمانيا

أوسكار أورتيز ، رالف كون ، وولفغانغ ورست

معهد علم الوراثة التنموية ، جامعة ميونيخ التقنية ، ميونيخ ، ألمانيا

أوسكار أورتيز ، رالف كون ، وولفغانغ ورست

قسم علم الأمراض والمناعة ، جامعة جنيف ، جنيف ، سويسرا

إنجريد واجنر وأمبير دورون ميركلر

معهد علم الأعصاب ، جامعة ميونخ التقنية ، ميونيخ ، ألمانيا

جانا هارتمان وروزا ماريا كارل وآرثر كونيرث

كتلة ميونيخ لأنظمة الأعصاب ، ميونيخ ، ألمانيا

آرثر كونيرث ، توماس كورن ، فولفغانغ ورست ، ستيفان إف ليشتنثالر ، فابيانا بيروتشي وأمبير توماس ميسجيلد

مركز علوم البروتين المتكامل ، ميونيخ ، ألمانيا

آرثر كونيرث وتوماس ميسجيلد

قسم علم الأمراض السريري ، مستشفى جنيف الجامعي ، جنيف ، سويسرا

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

مساهمات

سي إف ، إل تي. و ت. ابتكر الدراسة. L.T. ، T.M. ، O.O. ، R.K. و دبليو. تم تصميمها وتوليدها ميتوتاج الفئران ، التي سي. و L.T. تتميز. سي. صمم بروتوكول الالتقاط المناعي (بدعم من JW و FP) وأجرى معظم العزلات. م. و S.F.L. إجراء تحضير العينة وقياس الطيف الكتلي وتحليل البيانات الأولية. سي. مزيد من تحليل مجموعات البيانات البروتينية. إل. أجرى قياسات الطاقة الحيوية والعزلات المقابلة (بدعم من JW و FP). سي. إجراء فحوصات امتصاص الكالسيوم (بدعم من FP). C.F. ، S.H. و T.K. أجريت وتحليل التدفق الخلوي. سي. أجرى تحليل لطخة غربية وصبغات التألق المناعي للمرشحين. ن. و C.F. الحصول على بيانات المجهر الإلكتروني وتحليلها. سي. تميزت نماذج الماوس Rmdn3 - / - و GC الخاصة بـ Mcu FL / FL. J.H. ، R.M.K. و أ. قدمت تجارب تجريبية لتوصيف خلية واحدة في المخيخ. أ. قدمت الفئران APPPS1. IW و D.M. إجراء تلطيخ المناعي على الأنسجة البشرية. سي إف ، إل تي. و ت. كتب الورقة مع مدخلات من جميع المؤلفين.

المؤلف المراسل


شاهد الفيديو: الميتوكوندريا - الفجوات (ديسمبر 2021).