Informatie

1.14: Biochemische reacties - Biologie


Het begrijpen van chemie is essentieel om biologie volledig te begrijpen. Waarom?

Een algemeen begrip van scheikunde is noodzakelijk om biologie te begrijpen. In wezen zijn onze cellen slechts duizenden chemicaliën - gemaakt van elementen zoals koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor en zwavel - in precies de juiste combinaties. En deze chemicaliën combineren door chemische reacties.

Chemische reacties

Het element chloor (Cl) is een groenachtig gif. Zou je chloor eten? Natuurlijk niet, maar je eet vaak een verbinding die chloor bevat. In feite eet je deze chloorverbinding waarschijnlijk bijna elke dag. Weet jij wat het is? Het is tafelzout. Tafelzout is natriumchloride (NaCl), dat ontstaat wanneer chloor en natrium (Na) in bepaalde verhoudingen worden gecombineerd. Hoe verandert chloor, een giftige groene chemische stof, in onschadelijk wit tafelzout? Het gebeurt in een chemische reactie.

EEN chemische reactie is een proces dat sommige chemische stoffen in andere verandert. Een stof die een chemische reactie in gang zet, heet a reactant, en een stof die ontstaat als gevolg van een chemische reactie wordt a . genoemd Product. Tijdens een chemische reactie worden de reactanten opgebruikt om de producten te maken.

Een voorbeeld van een chemische reactie is de verbranding van methaan. Bij deze chemische reactie zijn de reactanten methaan (CH4) en zuurstof (O2), en de producten zijn kooldioxide (CO2) en water (H2O). Een chemische reactie omvat het verbreken en vormen van chemische bindingen. Wanneer methaan brandt, breken bindingen in de methaan- en zuurstofmoleculen en vormen zich nieuwe bindingen in de moleculen van koolstofdioxide en water.

Chemische vergelijkingen

Een chemische reactie kan worden weergegeven door a reactievergelijking. Het verbranden van methaan kan bijvoorbeeld worden weergegeven door de chemische vergelijking

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

De pijl in een chemische vergelijking scheidt de reactanten van de producten en geeft de richting aan waarin de reactie verloopt. Als de reactie ook in de tegenovergestelde richting zou kunnen plaatsvinden, zouden twee pijlen in tegengestelde richtingen worden gebruikt. De nummer 2 voor O2 en H2O laat zien dat twee zuurstofmoleculen en twee watermoleculen bij de reactie betrokken zijn. (Zonder nummer voor een chemisch symbool is er maar één molecuul bij betrokken.)

Behoud van materie

Bij een chemische reactie verandert de hoeveelheid van elk element niet; er is dezelfde hoeveelheid van elk element in de producten als in de reactanten. Dit komt omdat materie altijd behouden blijft. Het behoud van materie wordt weerspiegeld in de chemische vergelijking van een reactie. Hetzelfde aantal atomen van elk element verschijnt aan elke kant van de pijl. In de bovenstaande chemische vergelijking zijn er bijvoorbeeld vier waterstofatomen aan elke kant van de pijl. Kun jij ze alle vier aan elke kant van de vergelijking vinden?

Samenvatting

  • Een chemische reactie is een proces waarbij sommige chemische stoffen in andere veranderen. Tijdens een chemische reactie worden de reactanten opgebruikt om de producten te maken.
  • Bij een chemische reactie blijft materie altijd behouden.

Beoordeling

  1. Definieer een chemische reactie.
  2. Beschrijf de rollen van reactanten en producten in chemische reacties.
  3. Hoe laat een chemische vergelijking zien dat materie altijd behouden blijft in een chemische reactie?
  4. Wetende dat water (H2O) vormen uit waterstof (H+) en zuurstof (O2), schrijf een chemische vergelijking voor de vorming van water uit deze twee elementen.

Glycolyse heroverwegen: over de biochemische logica van metabole routes

Metabole routes lijken misschien willekeurig en onnodig complex. In veel gevallen kan een chemicus een eenvoudiger route bedenken voor de biochemische transformatie, dus waarom heeft de natuur voor zulke complexe oplossingen gekozen? In deze review distilleren we lessen uit een eeuw metabool onderzoek en introduceren we nieuwe observaties die suggereren dat de ingewikkelde structuur van metabole routes kan worden verklaard door een kleine reeks biochemische principes. Aan de hand van glycolyse als voorbeeld laten we zien hoe drie belangrijke biochemische beperkingen - thermodynamische gunstigheid, beschikbaarheid van enzymatische mechanismen en de fysisch-chemische eigenschappen van tussenproducten - anders plausibele metabole strategieën elimineren. Gezien deze beperkingen bevat glycolyse geen onnodige stappen en vertegenwoordigt het een van de weinige routestructuren die aan de cellulaire eisen voldoen. De hier gepresenteerde analyse kan worden toegepast op metabole engineering-inspanningen voor het rationele ontwerp van routes die een gewenst product produceren terwijl ze voldoen aan biochemische beperkingen.


Voorbeelden van condensatiereacties

Glycosylering

De basisglycosyleringsreactie vindt plaats wanneer een molecuul met een glycosylgroep, zoals een koolhydraat, zich hecht aan een functionele groep op een ander molecuul. Een van de belangrijkste en meest voorkomende vormen van glycosylering in de natuur wordt N-gebonden glycosylering genoemd, een post-translationeel proces dat essentieel is voor de juiste vouwing van eiwitten, matrixhechting tussen cellen en het moduleren van de functie van eiwitten. In deze condensatiereactie bindt een oligosacharide (suikermolecuul), bekend als een glycaan, zich aan het stikstofatoom van een eiwitmolecuul en produceert daarbij een watermolecuul.

Fosforylering

Fosforylering is een condensatiereactie die belangrijk is voor het functioneren van suikers, lipiden en eiwitten en cruciaal is als het gaat om het reguleren van de functie van enzymen. Een van de eenvoudigste fosforyleringsreacties in de natuur is de fosforylering van glucose, de eerste stap in de glycolyse. Wanneer glucose op het 6e koolstofatoom wordt gefosforyleerd door adenosinetrifosfaat (ATP) met behulp van het enzym hexokinase, zijn de bijproducten adenosinedifosfaat (ADP) en fosforzuur.

Polypeptide- en polynucleotidesynthese

Aminozuren kunnen condenseren tot polypeptidemoleculen (eiwitten), waarbij water als bijproduct vrijkomt. Ook worden DNA en RNA gemaakt via polynucleotidesynthese, wat ook een condensatiereactie is. Polynucleotiden worden gevormd wanneer de fosfaatgroep op een nucleotidemolecuul reageert met de hydroxylgroep op de koolhydraatgroep van een ander nucleotide. Tijdens deze reactie wordt een watermolecuul gevormd en vrijgegeven.

/>
De afbeelding hierboven toont polynucleotidesynthese met behulp van de aminegroep (rood) van één aminozuur en de carboxylgroep (rood) van een ander aminozuur. De condensatiereactie vormt een watermolecuul (blauw).

Nylon

Nylon is een door de mens gemaakt condensatiepolymeer, wat betekent dat verschillende identieke moleculaire eenheden aan elkaar zijn bevestigd met behulp van een condensatiereactie. Nylon 66, een van de belangrijkste soorten nylon, wordt gemaakt van adipinezuur en hexamethyleendiamine. Het nylonpolymeer wordt gevormd door de aminegroepen op het hexamethyleendiamine te binden aan de carbonzuurgroepen op de adipinezuurmoleculen in een afwisselend patroon. Het bijproduct van deze condensatiereactie is water.

De eenvoudigste vorm van nylon is Nylon 6 dat is gemaakt van het aminozuur 6-aminohexaanzuur. Bij deze condensatiereactie wordt ook water geproduceerd. Een waterstofmolecuul van het amine-uiteinde van het 6-aminohexaanzuur splitst zich af en wordt verbonden door de hydroxylgroep van de carbonzuurgroep aan het andere uiteinde van een ander molecuul van 6-aminohexaanzuur. Vervolgens binden de stikstof- en koolstofatomen aan de uiteinden van elk van de 6-aminohexaanzuurmoleculen zich om het nylon 6-polymeer te vormen.


De afbeelding hierboven toont de chemische structuur van Nylon 66 en Nylon 6, twee producten van condensatiereacties die watermoleculen afsplitsen.

Dacron

Dacron is de handelsnaam voor polyethyleentereftalaat (PET), een door de mens gemaakte polyester die het resultaat is van de reactie tussen tereftaalzuur en ethyleenglycol. Een tereftaalzuurmolecuul heeft aan elk uiteinde een carbonzuurgroep en ethyleenglycol heeft aan elk uiteinde een hydroxylgroep (alcohol). Water wordt gevormd wanneer een carbonzuurgroep en een hydroxylgroep worden afgesplitst. De twee moleculen binden dan aan de uiteinden via esterbindingen.


De afbeelding hierboven laat zien hoe tereftaalzuur en ethyleenglycol worden gecombineerd tot polyethyleentereftalaat via een condensatiereactie waarbij water als bijproduct vrijkomt.


College 5: Biochemie 4

Download de video van iTunes U of het internetarchief.

Behandelde onderwerpen: Biochemie 4

Instructeurs: Prof. Robert A. Weinberg

College 10: Moleculaire Biolo.

College 11: Moleculaire Biolo.

College 12: Moleculaire Biolo.

Lezing 13: Genregulatie

College 14: Proteïne Localiz.

Lezing 15: Recombinant DNA 1

Lezing 16: Recombinant DNA 2

Lezing 17: Recombinant DNA 3

Lezing 18: Recombinant DNA 4

College 19: Celcyclus/Teken.

Lezing 26: Zenuwstelsel 1

Lezing 27: Zenuwstelsel 2

Lezing 28: Zenuwstelsel 3

Lezing 29: Stamcellen/Klonen.

Lezing 30: Stamcellen/Klonen.

College 31: Moleculaire Medic.

Lezing 32: Moleculaire Evolutie.

College 33: Moleculaire Medic.

Lezing 34: Menselijke polymorf.

Lezing 35: Menselijke polymorf.

Ik wilde gewoon de eerste paar minuten besteden aan het oplossen van drie problemen. Geen enkele is een belangrijk conceptueel probleem, maar we concentreren ons graag op details en zorgen ervoor dat ze goed zijn, ook hier.

Ten eerste heb ik de vorige keer een reactie verkeerd geschreven die beschreef waarom RNA alkali-labiel is, dat wil zeggen, als we een hoge pH hebben, noemen we dat een alkalische pH, of eigenlijk een alkalische pH, om het bijvoeglijk naamwoord te gebruiken. En we zeiden dat hydroxylgroepen de splitsing van de fosfodiesterbindingen van RNA kunnen veroorzaken, maar niet van DNA. En de manier waarop ik dat beschreef, is dat de alkaligroep hier de vorming van deze vijfledige ring veroorzaakt, twee koolstoffen, twee zuurstofatomen en een fosfaat. En dat lost uiteindelijk dit op waar er geen verband meer is met het onderstaande ribonucleoside monofosfaat. En ik tekende het zo, zonder zuurstof, en dat is een nee-nee omdat, in feite, in feite, en zoals velen van jullie hebben opgepikt, dit teruggaat naar een twee-prime hydroxyl. Houd er dus rekening mee dat er een fout in zit. Er zijn ook een paar andere fouten. In het leerboek wekt het je bijvoorbeeld de indruk dat wanneer je nucleïnezuren polymeriseert, je daarvoor een monofosfaat gebruikt.

En als je de vorige keer naar mijn lezing hebt geluisterd, slaat dat nergens op, want je moet de energie van een trifosfaat investeren om genoeg energie te creëren om genoeg energie op te wekken voor de polymerisatie. Daar klopt het leerboek niet.

Leerboeken zijn geschreven door mensen, ten goede of ten kwade, en als zodanig zijn ze, net als al het andere, sterfelijk en feilbaar. Dus de waarheid is dat wanneer je DNA of RNA polymeriseert, je een van de vier ribonucleoside- of deoxyribonucleoside-trifosfaten nodig hebt om de energie te doneren die deze polymerisatie mogelijk maakt.

En let op, dat is een fout in het boek. Bedenk, zoals ik de vorige keer al zei, het feit dat ATP in feite de valuta van energie in de cel is, en dat de energie ervan wordt opgeslagen en opgerold in deze opgekropte bron waar de wederzijdse elektrostatische afstoting tussen de drie negatief geladen fosfaten met zich meedraagt enorme potentiële energie.

En een deel van die potentiële energie kan worden gerealiseerd tijdens de synthese van polymerisatie van nucleïnezuren door deze binding hier te splitsen. Men kan ook potentiële energie opwekken door deze binding hier te verbreken. Dit is de alfa, de bèta en het gamma-fosfaat. En splitsing van beide kan substantiële energie creëren, die op zijn beurt, zoals we binnenkort zullen aangeven, kan worden geïnvesteerd in andere reacties. De reactie van polymerisatie. Een tweede punt dat ik tegen je wil maken is het volgende, en je zou zeggen dat het een beetje toeval is. De valuta van energie in de cel is ATP, adenosinetrifosfaat, we zien hier de structuur ervan, en dit is toevallig een van de vier voorlopers van het RNA.

Dus hetzelfde molecuul wordt gebruikt in deze twee verschillende, ogenschijnlijk niet-gerelateerde toepassingen. Ten eerste om te polymeriseren om RNA te maken waar genetische informatie wordt opgeslagen en overgebracht.

Of als alternatief wordt het hier in deze context gebruikt om als valuta voor energie te dienen. Hoge energie als ATP. ADP met een iets lagere energie. AMP monofosfaat met nog lagere energie. En je zou jezelf kunnen afvragen, je hoofd krabben en zeggen waarom wordt hetzelfde molecuul gebruikt voor deze twee verschillende dingen?

In feite zijn er nog andere toepassingen van deze ribonucleosiden die ook geen verband lijken te houden met de opslag of het transport van genetische informatie. En er wordt aangenomen, waarschijnlijk terecht, dat de reden waarom hetzelfde molecuul wordt gebruikt voor deze totaal verschillende toepassingen is dat er in het begin van de evolutie van het leven op deze planeet echt een vrij klein aantal biologische moleculen bestond. Inderdaad, zoals we later nog zullen vermelden, is het waarschijnlijk zo dat de eerste organismen geen DNA als genomen gebruikten. Het is bij ons een geloofsartikel dat men genetische informatie opslaat in DNA-moleculen.

En dat heb ik de vorige keer heel expliciet gesuggereerd. Maar het feit is dat het waarschijnlijk zo is dat het eerste organisme, de eerste pre-cellulaire levensvormen RNA gebruikten als het genetische materiaal, RNA om dingen op te slaan, RNA replicerend via dubbelstrengs RNA-moleculen als een manier om te archiveren. genetische informatie. En pas later tijdens de evolutie van het leven op deze planeet, wanneer dat later was kunnen we niet zeggen, maar het zou honderd of tweehonderd jaar later kunnen zijn. Als we het hebben over het ontstaan ​​van leven tussen 3 en 3,5 miljard jaar geleden, kunnen we dat natuurlijk niet zo goed in de tijd lokaliseren, maar pas later kreeg DNA de taak om op een stabiele manier op te slaan. genetische informatie. En als gevolg daarvan realiseren we ons ook nog een andere ontdekking, namelijk dat alle katalysatoren waar we het vandaag over gaan hebben, de enzymen zoals we ze noemen, bijna alle moderne enzymen eiwitten zijn. En we hebben er eerder kort over gesproken. Maar in de afgelopen 15 jaar, 20 jaar is er de ontdekking geweest dat bepaalde RNA-moleculen ook het vermogen hebben om bepaalde soorten reacties te katalyseren. Toen ik biochemie volgde, als iemand me dat had verteld, had ik de psychiatrische afdeling gebeld, want dat was zo'n bizar idee.

Hoe kan een RNA-molecuul een biochemische reactie katalyseren?

Het heeft niet alle zijgroepen die nodig zijn om de katalytische plaatsen voor reacties te creëren. Maar we realiseren ons nu, op basis van onderzoek dat ongeveer vijf jaar geleden feitelijk leidde tot de toekenning van een Nobelprijs, dat RNA-moleculen bepaalde soorten reacties kunnen katalyseren. En dat begint ons inzicht te geven in hoe het leven op deze planeet is ontstaan, omdat RNA-moleculen genetische informatie kunnen hebben opgeslagen, zoals ik al eerder zei, RNA-moleculen, of hun voorlopers zoals ATP, kunnen hun valuta zijn geweest voor het opslaan van hoge-energetische bindingen, zoals staat hier aangegeven.

En RNA-moleculen waren misschien wel de eerste enzymen die veel van de reacties katalyseerden in de meest primitieve levensvormen die voor het eerst op deze planeet bestonden. En daarom, wat ik zeg is dat toen het leven zich ontwikkelde in de eerste honderd of tweehonderd miljoen jaar, wie weet hoe lang het duurde, DNA geleidelijk de taak van het opslaan van informatie van RNA overnam en geleidelijk eiwitten de taak overnamen van bemiddelende katalyse, van optreden als enzymen tot het overnemen van de taak van RNA-moleculen. Tegenwoordig zijn er bepaalde rudimentaire biochemische reacties waarvan we denken dat het overblijfselen zijn, echo's van het begin van het leven op aarde, die nog steeds worden gemedieerd door RNA-katalysatoren. We denken dat ze terugvallen op deze zeer vroege stappen, misschien zelfs in de precellulaire levensvorm waar RNA werd gedelegeerd met de taak om als katalysator op te treden.

We gaan ons vandaag veel concentreren op de hele kwestie van biochemische reacties en de kwestie van energie. En dit brengt ons tot het besef dat er echt twee soorten biochemische reacties zijn.

Sommigen van jullie hebben dit misschien al lang geleden geleerd.

Ofwel exergonische reacties die energie vrijgeven, die energie produceren terwijl ze voortgaan, of omgekeerd endergonische reacties die een investering van energie vereisen om vooruit te komen.

Dus hier is het duidelijk, als dit een hoge energietoestand is en we hebben het over de vrije energie van het systeem, wat een manier is om in thermodynamische taal uit te beelden hoeveel energie er in een molecuul zit, als we van een hoge energie gaan toestand naar een lage energietoestand brengen, dan kunnen we dit op deze manier tekenen en we kunnen ons realiseren dat om energie te behouden, de energie die inherent was aan dit molecuul, de hoge potentiële energie vrijkomt als deze bal of dit molecuul de heuvel af rolt. En daarom levert de reactie energie op, het is exergoon. En omgekeerd, als we willen dat deze reactie doorgaat, moeten we gratis energie investeren om het te laten gebeuren. De vrije energie is, vaker wel dan niet, in de vorm van chemische bindingen, dwz energie die kan worden geïnvesteerd, bijvoorbeeld door gebruik te maken van de potentiële energie die is opgeslagen in deze fosfodiester, in deze fosfaat-fosfaatbindingen zoals rechts aangegeven hier.

Hier is trouwens het ruimtevullende model van ATP, alleen ter informatie. Zo zou het er in het leven uitzien, en zo tekenen we het ook.

Dat gezegd hebbende, als we kijken naar het vrije-energieprofiel van verschillende biochemische veranderingen, dan kunnen we ze hier nogmaals op deze zeer schematische manier weergeven.

En trouwens, vrije energie wordt G genoemd, de vrije energie van Gibbs naar Josiah Gibbs die in de 19e eeuw thermodynamisch tovenaar was aan Yale in New Haven. En hier zien we dat de verandering in vrije energie tussen de reactanten en de producten wordt gegeven door delta G. Dus, per definitie beginnen we de reactie met reactanten.

En we eindigen aan het einde van de reactie met producten.

En over het algemeen, als de reactie exergonisch is en voorwaarts zal gaan, komt er energie vrij. En het netto vrijkomen van energie wordt hier aangegeven door delta G. Maar vaker wel dan niet, kunnen biochemische reacties die energetisch de voorkeur hebben, die exergonisch zijn, eigenlijk niet spontaan plaatsvinden.

Ze gebeuren niet spontaan omdat ze om verschillende redenen een tussentoestand moeten doorlopen.

Wat in feite een veel hogere vrije energie vertegenwoordigt dan de initiële reactanten bezitten. En deze hogere vrije energie, die ze moeten verwerven om over de heuvel en naar beneden de vallei in te gaan, wordt de activeringsenergie genoemd, de activeringsenergie.

En daarom, als ik deze reactanten bijvoorbeeld van energie zou voorzien, laten we zeggen dat ik deze reactanten zou opwarmen en ze daarom een ​​hogere mate van thermische energie zou geven die ze zouden kunnen gebruiken om naar deze hoge energie te gaan staat.

Ik voorzag ze van gratis energie door ze warmte te geven.

Dan kunnen ze misschien naar hier gaan en dan de heuvel afrollen.

Maar zonder daadwerkelijk actief in te grijpen en hen van die energie te voorzien, zullen ze hier blijven, en ze kunnen daar een miljoen jaar blijven, ook al zouden ze in principe veel gelukkiger zijn als ze hier zouden reiken in termen van het bereiken van een veel lagere energietoestand. Om het voor de hand liggende te zeggen, al dit soort reacties willen de laagst mogelijke energietoestand bereiken. Maar in realtime kan het niet gebeuren als er een hoge activeringsenergie is. Wat doen enzymen nu?

Zoals altijd ben ik blij dat ik die vraag heb gesteld. Wat ze doen, is dat ze de activeringsenergie verlagen. En dit is in zekere zin duidelijk, en in zekere zin is het subtiel, omdat enzymen geen invloed hebben op de vrije energietoestand van de reactanten, ze hebben geen invloed op de vrije energie van de producten. Het enige wat ze doen is de bult verlagen, en ze kunnen deze zeer aanzienlijk verlagen.

En omdat ze het aanzienlijk verlagen, kan het zijn dat sommige van de reactanten hier, gewoon door een toevallige verwerving van thermische energie, in staat zijn om over de veel verlaagde bult te bewegen en naar deze toestand hier te gaan. Nu is het werkelijke verschil in de Gibbs-vrije energie totaal onaangetast.

Het enige dat er gebeurt, is dat het enzym, door de activeringsenergie te verlagen, dit in realtime mogelijk maakt. Het is een feit dat uiteindelijk, als men vele soorten reacties zou plotten, veel reacties, zoals hier aangegeven, een zeer hoge activeringsenergie hebben, en daarom bekijken we het als volgt. Maar er kunnen andere reacties zijn die een activeringsenergie hebben die er zo uitziet, bijna helemaal niets. En deze reacties kunnen spontaan optreden bij kamertemperatuur zonder enige tussenkomst van een enzym. Laten we bijvoorbeeld zeggen dat we het hebben over een carboxylgroep die een proton ontlaadt. Daar hebben we het al over gehad. Nou, die reactie gebeurt spontaan bij kamertemperatuur. Het heeft geen enzym nodig om het te laten gebeuren. Het kan gebeuren omdat er in wezen geen activeringsenergie is. Maar het overgrote deel van de biochemische reacties heeft zo'n activeringsenergie, en vereist daarom een ​​dergelijke verlaging om te kunnen plaatsvinden.

Laten we ons nu andere versies van het energieprofiel van een reactie voorstellen.

En onthoud dat wat ik hier op de abscis laat zien, slechts het verloop van de reactie is. Je kunt je voorstellen dat ik niet echt tijd aan het plannen ben. Ik heb het gewoon over een situatie waarin links de reactie niet heeft plaatsgevonden en rechts wel. Zie je dit daar? Dan schrijf ik daar niet. Okee. Laten we kijken of dit werkt.

Tjonge, hier zijn we in de 21e eeuw en we zijn er nog steeds niet uit.

OKE. Iedereen kan dit hier zien, toch? OKE.

Dus kijk. Laten we ons voorstellen dat we een reactie hebben die er zo uitziet, een reactieprofiel dat er zo uitziet, waarbij deze twee energieën eigenlijk equivalent zijn. OKE? Ik heb geprobeerd ze op te tekenen.

Nou, ze zijn niet precies, maar ze zijn ongeveer op precies hetzelfde niveau. En laten we zeggen dat we hier beginnen met een groot aantal moleculen. Als er een enzym in de buurt zou zijn, zou het enzym de activeringsenergie kunnen verlagen en daardoor moleculen in staat stellen door deze heuvel te tunnelen en hierheen te bewegen. Het feit dat als een molecuul hier komt, dezelfde vrije energie heeft als daar, betekent dat de katalysator in principe ook een terugreactie kan vergemakkelijken.

Wat bedoel ik met een terugreactie? Ik bedoel precies de andere kant op gaan. En dus, zodra moleculen hier zijn gevormd, kunnen de energieverlagende effecten van het enzym hen in staat stellen om in beide richtingen te bewegen. En daarom zullen we uiteindelijk een evenwicht bereiken.

Als deze twee energietoestanden equivalent zijn, dan zal ik je zeggen dat 50% van de moleculen hier terecht komt en 50% van de moleculen hier. En hier beginnen we nu te worstelen tussen twee verschillende onafhankelijke concepten, de reactiesnelheid en de evenwichtstoestand van de reactie.

Merk op dat het enzym geen enkele invloed heeft op de evenwichtstoestand.

Deze twee hebben gelijke vrije energieën, de evenwichtstoestand.

Of de energiebarrière nu zo hoog of zo hoog is, doet er niet toe. Als het enzym deze beweging heen en weer mogelijk maakt, is de uiteindelijke evenwichtstoestand namelijk 50% van de moleculen hier en 50% van de moleculen daar.

En daarom heeft het enzym eigenlijk alleen invloed op de snelheid waarmee de reactie plaatsvindt. Zal het gebeuren in een microseconde of zal het gebeuren in een dag of zal het gebeuren in een miljoen jaar?

Het enzym heeft geen enkele invloed op het uiteindelijke eindproduct, in dit geval het evenwicht.

Natuurlijk is er een eenvoudig wiskundig formalisme dat het verschil in vrije energieën in verband brengt met het evenwicht.

Hier kunnen we een situatie hebben waarin 80% van de moleculen hier in evenwicht komt en 20% hier. Of we kunnen eindigen als een toestand waarin 99,% van de moleculen hier eindigen en 0.

% van de moleculen komt hier terecht. Maar die ultieme evenwichtstoestand wordt op geen enkele manier beïnvloed door het enzym. Ze laten het gewoon in realtime gebeuren. En daarom, om een ​​punt dat ik de vorige keer maakte te herhalen en te herhalen, als de meeste biochemische reacties in realtime moeten plaatsvinden, d.w.z. in de orde van seconden of minuten, moet er een enzym in de buurt zijn om ervoor te zorgen dat ze plaatsvinden.

Bij afwezigheid van zo'n enzym van zijn tussenkomst, zal het gewoon niet in realtime gebeuren. Ook al is het in principe energetisch favoriet. Laten we dat dus heel goed in gedachten houden in de loop van de discussies die plaatsvinden. En laten we nu beginnen met kijken naar een belangrijke energieopwekkende reactie in de cel die glycolyse wordt genoemd. We kennen het voorvoegsel glycol al.

Glyco verwijst naar suiker. En lysis, L-Y-S-I-S verwijst naar de afbraak van een bepaalde verbinding. Ik ga het je niet vragen, noch zal iemand anders in de kamer je vragen om deze reeks reacties uit je hoofd te leren. Maar ik zou graag willen dat je ernaar kijkt en ziet welke lessen we daaruit kunnen distilleren, welke wijsheid we kunnen leren door naar zo'n complexe reeks reacties te kijken. Misschien is het eerste dat we kunnen leren, dat wanneer we denken aan biochemische reacties, we niet denken dat ze op zichzelf staan. Hier heb ik het bijvoorbeeld over, in dit geval zou ik het kunnen hebben over A plus B naar C plus D, en er kan een terugreactie zijn om evenwicht te bereiken.

En we isoleren gewoon die simpele reactie van alle anderen eromheen.

Maar in de echte wereld in levende cellen zijn de meeste reacties delen van zeer lange paden waarbij elk van deze stappen hier een van de andere aangeeft, een stap in het pad. Waar we hier in geïnteresseerd zijn, is hoe glucose, dat ik twee lezingen geleden aankondigde als een belangrijke energiebron, eigenlijk wordt afgebroken.

Hoe verzamelt de cel de energie, die inherent is aan glucose, om onder andere ATP te genereren, waarvan we herhaaldelijk hebben gezegd dat het de energievaluta is? ATP wordt gebruikt door honderden verschillende biochemische reacties om ze te laten plaatsvinden.

Deze andere biochemische reacties zijn endergisch, ze vereisen de investering van energie, en bijna altijd, maar niet altijd, maar bijna altijd zal de cel een ATP-molecuul vastgrijpen en het gewoonlijk afbreken tot AMP of ADP.

En gebruik dan de energie, die voortkomt uit het afbreken van ATP, het zal die energie investeren in een endergonische reactie, die anders niet zou plaatsvinden. Dus hier komen we op het idee dat misschien door energie te investeren in een reactie, het evenwicht wordt verschoven. Want door energie te investeren, is de cel eigenlijk in staat om de vrije energietoestand tussen deze twee te verlagen.

En dat maakt het mogelijk dat hun evenwicht veel gunstiger is.

Laten we eens kijken naar deze glycolytische route. Glycolytisch verwijst uiteraard naar glycolyse. En hier beginnen we met glucose.

We tekenen het plat in plaats van de cirkelvormige structuur waar we het de vorige keer over hadden. En laten we eens kijken naar wat hier gebeurt, niet omdat iemand wil dat je dit onthoudt, maar omdat sommige details op zichzelf heel illustratief zijn.

Het doel van deze oefening is om ATP voor de cel te creëren, maar de eerste stap in de reactie is eigenlijk totaal contraproductief. Kijk naar het eerste wat er gebeurt. Het eerste dat gebeurt, is dat de cel een ATP-molecuul investeert om glucose-6-fosfaat te maken.

Ik heb geadverteerd dat het doel hiervan is om ATP te genereren uit ADP, adenosinedifosfaat. Maar het eerste hier, dit is een endergonische reactie waarin de cel energie investeert om dit molecuul hier te creëren. Dit heeft dus geen zin.

Maar ogenschijnlijk moet het logisch zijn, op een of ander niveau, want jij en ik, we zijn allemaal hier, en iedereen in deze kamer, dit moment is tenminste metabolisch actief.

Okee. Dus we hebben hier dit molecuul, glucose-6-fosfaat. En dit kan isomeriseren.

Zie je, hier is glucose-6-fosfaat, fructose-6-fosfaat.

En het feit is dat er hier geen oxidatiereductiereactie is. Het is gewoon een isomerisatie.

En dit molecuul en dit molecuul zijn praktisch in dezelfde vrije energietoestand. Toevallig zal hun profiel erg lijken op het profiel dat ik je eerder tekende. Hun energieprofiel ziet er als volgt uit. En je hebt een enzym nodig om het te verlagen, maar er is geen energie die moet worden geïnvesteerd in het omzetten van de ene naar de andere, omdat het zeer vergelijkbare moleculen zijn en daarom onvergelijkbare toestanden van vrije energie. Kijk nu naar de volgende stap.

De volgende stap is weer een schijnbaar totaal contraproductieve manier om energie op te wekken. Omdat, nogmaals, ATP, het gamma-fosfaat, zijn energie wordt geïnvesteerd in het creëren van een gedefosforyleerd hexose, fructose 1, 6-difosfaat, waarbij de cijfers duidelijk verwijzen naar de identiteit van de koolstof.

En nu hebben we een gedefosforyleerd fructosemolecuul.

En hier kun je dus echt zien hoe de driedimensionale, wat we ons zouden voorstellen, dichter bij hoe de driedimensionale structuren van deze moleculen eruit zien. En we moeten deze keer niet focussen op of het dit of dit is. Laten we ons voor alle praktische doeleinden hier op dit pad concentreren. En hier, voor de eerste keer, wat er nu gebeurt, is dat deze hexose wordt afgebroken in twee triosen, d.w.z. in twee drie koolstofsuikers.

En dit is een enigszins exergonische reactie.

Het levert op, het gebeurt zonder de investering van energie.

En er is weer een enzym dat nodig is om het te katalyseren. Maar laten we nu heel duidelijk zijn.

Nu moeten we het lot van twee moleculen volgen.

De eerste triose en de tweede triose. Ze hebben verschillende namen, maar we gaan ons niet concentreren op de namen. Een ding dat je opvalt aan deze trio's is dat ze gemakkelijk onderling converteerbaar zijn.

Nogmaals, we kunnen ons voorstellen dat we een situatie hebben die er als volgt uitziet. Deze gaan heen en weer.

En daarom zijn deze twee vanuit ons oogpunt voor alle praktische doeleinden equivalent omdat ze vrijwel ogenblikkelijk met elkaar kunnen worden uitgewisseld. Nu hebben we tot nu toe daadwerkelijk energie verbruikt. We hebben geen energie geoogst. Maar houd in gedachten, het oude economische gezegde dat je geld moet investeren om geld te verdienen.

En dat is wat hier aan de hand is. Het eerste dat gebeurt, is dat we een oxidatiereactie hebben. Wat is een oxidatiereactie?

We willen wat elektronen strippen, een paar elektronen van deze specifieke triose, de 3 koolstofsuiker.

En door een elektronenpaar af te strippen doneren we de elektronen van NAD+ aan NADH. En hier worden deze structuren in uw boek gegeven. Maar NADH, zo blijkt, is dat de elektronen van de triose worden weggetrokken en dat ze worden gebruikt om NAD+ te reduceren tot NADH.

Houd in gedachten dat bij een oxidatiereactie één molecuul dat wordt geoxideerd, wordt beroofd, een paar elektronen wordt ontzegd.

Het andere molecuul dat wordt gereduceerd, in dit geval NAD, krijgt een elektronenpaar. En je kunt je concentreren, als je wilt, op de lading van deze moleculen, de een of de ander. Maar houd er rekening mee dat bij deze oxidatiereductiereacties, of het nu plus of min geladen is, niet relevant is. De echte naam van het spel zijn de elektronen. Vergeet de protonen, of ze nu een pluslading hebben of neutraal zijn. De echte naam van het spel hier is dat er twee elektronen worden gebruikt om dit molecuul hiertoe te reduceren.

Tussen haakjes, derde fout die ik je eerder vergat te vertellen, er is een dubbele binding in een van de pyrimidines in het boek die nergens op slaat. Wie het vindt, krijgt een prijs, maar niemand weet nog wat de prijs is. Dus deze dubbele binding wordt verminderd. Het verschil tussen dit en dit zie je hier. En deze NADH, zo blijkt, is een molecuul met hoge energie. De straatwaarde van NADH is drie ATP's, d.w.z. in de mitochondriën kan NADH worden gebruikt om drie ATP's te genereren, en dat is iets waard. Dus NADH op zichzelf is een hoogenergetisch molecuul. Het kan niet voor zoveel dingen worden gebruikt, maar het kan naar de mitochondriën worden getrokken waar het wordt omgezet in drie ATP's.

Dus, we zeggen, we beginnen wat geld te verdienen met deze investering, omdat we in feite deze NADH's hebben gemaakt.

Zie hier. Waarom zeggen we twee NADH's?

Omdat er twee trio's zijn waarmee we werken, en elk van de trio's geeft je een NADH. Dus alles wat hierna gebeurt, beginnend bij de top hier, is nu het dubbele omdat we kijken naar het parallelle gedrag van twee identieke drie koolstofsuikers.

Dus hier hebben we tot nu toe in principe zes ATP's gegenereerd.

Hoeveel hebben we tot nu toe al geïnvesteerd? Twee.

We hebben er twee geïnvesteerd, maar we hebben er zes geoogst. We beginnen al wat geld te verdienen, omdat ik je vertelde dat de straatwaarde van een NADH drie ATP's op de zwarte markt is. Oké, wat gebeurt er daarna?

Het volgende is nog iets goeds. Elk van de triosen kan er in feite voor zorgen dat elk van de triosen een ATP-molecuul genereert uit een ADP. Wat gebeurt hier?

Het blijkt dat dit fosfaat hier in een behoorlijk hoge energietoestand is, niet in de laatste plaats vanwege elektron negatief-negatieve afstoting. En door dit fosfaat te ontdoen van dit hoogenergetische fosfaat, ontdaan van dit molecuul hier, waarvan we de naam zullen negeren, kunnen we een ATP fosforyleren.

En aangezien er twee trio's worden omgezet, krijgen we twee ATP's. Dus eigenlijk lopen we nu voor. We begonnen er twee te investeren, we kregen er zes terug van de NADH's en we krijgen er hier twee terug.

We hebben dus twee ATP's gemaakt. Dit is iets goeds. Houd in gedachten, ADP is een lagere energie, ATP is een hoge energie. Nogmaals, we hebben een isomerisatie waarbij deze twee moleculen zich hier en hier in vergelijkbare toestanden bevinden, waarbij het fosfaat gewoon naar deze toestand springt. En dit hydrolyseert spontaan en we krijgen dit molecuul hier, fosfoenolpyruvaat aan het eind.

En nogmaals, we oogsten twee ATP's, één ATP van elk van de triosen. En we eindigen, aan het einde van deze reactie, met pyruvaat. En je zult zeggen dat dit geweldig is, want we hebben twee ATP's geïnvesteerd, we hebben er vier geoogst, plus zes van de NADH's, toch? Twee NADH's, elke NADH geeft ons elk drie, dus laten we de rekensom maken. Laten we de balans opmaken. Om te beginnen hebben we geïnvesteerd, met die ene glucose, hebben we twee ATP's geïnvesteerd. Dat was vroeg. Toen waren de eerste twee NADH's, waarvan ik je heb verteld dat ze gelijk zijn aan zes ATP's. Omdat een NADH drie ATP's waard is.

Dit is tot nu toe goed. En nu hebben we achtereenvolgens vier ATP's gemaakt, zodat de netto opbrengst er aardig bruikbaar uitziet. Zes plus vier is tien min twee, een winst van acht ATP's uit één glucosemolecuul.

Dit is geweldig, zou je kunnen zeggen, maar er is een probleem.

Er is een vangst. Als glycolyse plaatsvindt in afwezigheid van zuurstof, als dat gebeurt, dan hebben we hier een probleem, want de enige manier waarop deze NADH's ATP kunnen genereren, is als er zuurstof in de buurt is om deze elektronenparen te nemen en ze te gebruiken om een ​​zuurstofmolecuul te reduceren. . Dat is trouwens een deel van de reden waarom we ademen. Houd er rekening mee dat wanneer u een NADH genereert uit een NAD-molecuul, u de NAD moet regenereren.

Je kunt niet zomaar meer en meer NADH's verzamelen. U moet de NAD opnieuw genereren. En daarom moeten er van deze NADH, met hun elektronenparen, de elektronenparen wat worden weggegooid. U moet NAD opnieuw genereren. Je kunt er niet zomaar meer en meer en meer van maken. Dus, hoe komen cellen er vanaf?

Nou, hoe ze er vanaf komen is simpel.

Je neemt de elektronenparen en je slaat ze op zuurstof, en dat heet eigenlijk verbranding. En daar krijg je veel energie van. Maar wat gebeurt er als dit alles anaëroob gebeurt?

Anaëroob betekent dat de reactie plaatsvindt in afwezigheid van zuurstof.

Als je een gist hebt die 14 voet onder de grond groeit, gebeurt dit anaëroob. Als je een gist hebt die in een groot vat gist om wijn of bier te maken, gebeurt dit waarschijnlijk ook anaëroob. Als je begint te rennen in een sprint van 100 meter, of laten we zeggen dat je een mijl moest rennen, dan is er aanvankelijk genoeg zuurstof, er is veel zuurstof in de buurt om je te ontdoen van deze NADH's en de elektronen die ze hebben verworven te dumpen op het zuurstofmolecuul. En dat is prima.

Dat is veel waard, want in feite neem je zuurstof en waterstof en verbrand je ze samen.

En dat is geweldig. Maar als je over straat begint te rennen, raakt de zuurstoftoevoer naar je spieren al snel op, en al snel gebeurt veel van de energieproductie in je spieren anaëroob. Waarom? Omdat je niet snel genoeg zuurstof naar je spieren kunt krijgen, en daarom, gedurende een bepaalde tijd, begin je dat brandende gevoel in je spieren te krijgen omdat er geen oxidatie van NADH plaatsvindt. En deze NADH's worden in plaats daarvan op een andere manier geregenereerd. Hoe worden ze geregenereerd? De elektronenparen van de NADH's moeten hier terug op dit molecuul worden gedumpt, pyruvaat. Ze worden niet gebruikt om ATP te maken omdat ze niet kunnen worden gebruikt om ATP te maken omdat er geen zuurstof in de buurt is om de elektronenparen te accepteren die deze NADH's hebben verworven.

En wat gebeurt er dan met deze waardevolle NADH's?

Onder anaërobe omstandigheden gebeurt dit niet.

Deze NADH's worden in plaats daarvan gebruikt, hun elektronen worden gedoneerd aan onze vriend pyruvaat hier, deze drie koolstofsuikers.

En wat er gebeurt, wanneer ze worden teruggegeven aan het pyruvaat, om NAD te regenereren, heb je meer NAD nodig om later in de reactie te gebruiken, om opnieuw te gebruiken in een andere reactie.

Wat gebeurt er als je de elektronen van NADH terug doneert aan pyruvaat? Je krijgt melkzuur. Melkzuur zorgt ervoor dat je spieren verbranden als je heel snel rent en je kunt er niet genoeg zuurstof in krijgen om de NADH te verbranden.

Dus in plaats van NADH te gebruiken om ATP te genereren, wordt het omgeleid om melkzuur te maken. Dat is in zekere zin goed omdat je NAD regenereert.

Waarom moet je NAD regenereren? Omdat je veel NAD nodig hebt voor de eerdere stappen in de reactie.Houd er rekening mee dat je al vroeg in de reactie NAD nodig hebt. Als je het niet regenereert, komt de glycolyse tot stilstand. Dus ook al maak je NADH en dat is in principe een goede zaak, in de praktijk moet het gerecycled worden.

En als het niet wordt gerecycled om meer nieuwe NAD te maken om deze stap te laten plaatsvinden, stopt de hele glycolytische reactie en zit je in de problemen. Helaas, bij afwezigheid van zuurstof, is de enige manier om dit te recyclen deze elektronen niet op zuurstof te dumpen, die energierijk is, maar ze terug te dumpen op pyrodruivenzuur, waardoor melkzuur ontstaat.

Dus je verkleint deze band hier. Dus je krijgt CH, COH. Deze binding hier is verminderd en je krijgt melkzuur.

Dus in plaats van een carbonylbinding heb je hier CH en COH, dat is een reductiereactie. En nu kun je de NAD regenereren. En nu zeg je dat dat geweldig is. Maar houd er rekening mee dat nu de hele glycolytische reactie, hoeveel is onze nettowinst nu? Voordat ik glunderde over het feit dat we acht ATP's hebben gemaakt, hebben we hier acht ATP's uit gehaald. Waar zijn we nu weer mee bezig?

Wat is nu de totale netto opbrengst? Nou, de TA's kunnen niet antwoorden.

Het zijn er twee, want we hebben er twee geïnvesteerd en er vier uitgekomen.

En het zijn er maar twee. Waarom is dit nu zo interessant?

Nou, tot ongeveer zeshonderd miljoen jaar geleden was er niet zoveel zuurstof in de atmosfeer. En bij afwezigheid van zuurstof is dit bijna de enige reactie die kan worden gebruikt om energie op te wekken. En zo'n zeshonderd miljoen jaar geleden werd er steeds meer zuurstof van fotosynthese in de atmosfeer gedumpt.

En al snel kwam zuurstof beschikbaar voor organismen zoals onze voorouders.

En dan zouden ze deze NADH daadwerkelijk op een veel productievere manier kunnen gaan recyclen. En als gevolg daarvan, in plaats van dat glycolyse er twee opleverde, konden we naar deze theoretische acht gaan, omdat de NADH's nu hun elektronen op zuurstof konden afzetten, wat veel winstgevender is.

Sterker nog, ik heb je zojuist verteld dat je bij afwezigheid van zuurstof maar twee ATP's kunt maken. Ik zal je vertellen, zonder het je te geven, dat je in aanwezigheid van zuurstof 34 ATP's kunt maken.

En 34 is, daar zijn we het over eens, veel beter dan twee in aanwezigheid van zuurstof. Hogere levensvormen konden niet evolueren totdat deze veel effectievere manier van energieopwekking beschikbaar kwam. En daarom, als onze voorouders die langer dan zeshonderd miljoen jaar geleden leefden erg traag waren en niet erg slim, dan is de reden waarom ze traag en niet erg slim waren omdat ze niet de energie konden opwekken die nodig was om het metabolisme efficiënt aan te sturen.

Het metabolisme, het anaërobe metabolisme, i.

., die optreedt bij afwezigheid van energie, is uiterst inefficiënt.

Het gaat gewoon niet goed. Wat gebeurt er eigenlijk als we zuurstof in de buurt hebben? Nou, wat er gebeurt is zoiets als dit. We nemen het pyruvaat, dat het product is van glycolyse en dat dit veel primitievere pad is, en we dumpen het in de mitochondriën. En nu genereren we door deze cyclus hier, die ik je niet vraag te onthouden, alsjeblieft, doe dat niet. We genereren de reacties die van hieruit gaan en ons naar deze 34 ATP-opbrengst per glucose brengen. En de essentie van de citroenzuurcyclus, die plaatsvindt in de mitochondriën, onthoud dat de mitochondriën er zo uitzien.

Houd in gedachten dat de mitochondriën de afstammelingen zijn van bacteriën die het cytoplasma van cellen waarschijnlijk 1,5 miljard jaar geleden hebben geparasiteerd.

Maar als we nu kijken naar wat er gebeurt in het mitochondrion, het pyruvaat dat we hebben gegenereerd in het cytosol, in het oplosbare deel van het cytoplasma, wordt nu in de mitochondriën gepompt, en er is een hele reeks reacties die hier plaatsvinden, die dit driekoolstofsuiker. Het eerste dat gebeurt, is dat koolstof wordt afgekookt. Kooldioxide, dat komt vrij.

Nu zitten we op een suiker met twee koolstofatomen. En dan wordt deze suiker met twee koolstofatomen toegevoegd aan een suiker met vier koolstofatomen en geleidelijk geoxideerd.

En als het geoxideerd is, wat wordt er dan afgesponnen? Welnu, wat wordt afgesplitst is, bijvoorbeeld, er is NADH dat wordt afgesplitst, er is ATP.

Kijk, er is een NADH die is afgesplitst. Hier is een NADH die is afgesplitst.

Hier is een neef van NADH. Het wordt FADH genoemd, dat opnieuw een molecuul met hoge energie genereert. Nogmaals, de koolstofmoleculen worden geoxideerd, elektronen worden weggestript en gebruikt om deze hoogenergetische moleculen, FADH en NADH, te creëren.

Trouwens, FADH, een neef van NADH, is op de open markt maar twee ATP's waard. Terwijl NADH, zoals ik je herhaaldelijk heb verteld, drie waard is. En tegen de tijd dat we alle NADH's optellen die zijn gegenereerd door deze cycli en de koolstofdioxiden die vrijkomen, aan het einde van deze cyclus beginnen we hier met twee koolstoffen, voegen het toe aan vier en we krijgen een molecuul met zes koolstofatomen .

We spuwen hier wat koolstofdioxide uit en gaan terug naar vier koolstofsuikers. Voeg er nog twee toe, ga naar zes koolstoffen. Ga weer rond, draai rond het wiel. En elke keer dat we dat doen, genereren we veel NADH's, we genereren veel FADH's en we genereren veel ATP. In alle gevallen zijn dit zeer winstgevende reacties, simpelweg omdat de NADH's en de FADH's in het mitochondrion kunnen worden gebruikt om ATP te genereren. Laten we dus eens kijken naar het energieprofiel van het geheel. Voeg het allemaal samen. Dit is waar we in het begin mee begonnen, en dit is het einde van de glycolyse, oké? Dus nu tellen we de energieprofielen op van de hele reeks reacties die de glycolyse vormden, die hier begint en hier eindigt omdat pyruvaat, zoals u zich zult herinneren, het product is van glycolyse, de eerste stap. De Krebs-cyclus vindt plaats, of soms wordt het de citroenzuurcyclus genoemd. Laten we deze woorden dus rechtzetten. Citroenzuurcyclus omdat het toevallig een van de cycli is, of het wordt soms de Krebs-cyclus genoemd naar de persoon die het echt heeft ontdekt, Krebs.

De Krebs-cyclus begint hier. Je ziet hoe de schaduw verandert van pyruvaat. En hier gaan we helemaal naar beneden. En laten we nu eens kijken naar wat er gebeurt in termen van energie-uitwisseling.

Bedenk dat we in het begin ATP's moesten investeren om de energietoestand tot hier te verhogen. We hebben hier in dit stadium ATP's geïnvesteerd en toen begonnen we wat terug te krijgen.

We hebben deze twee NADH's, één NADH afkomstig van elk van de drie koolstofsuikers. We hebben hier wat meer ATP's en we hebben hier wat meer ATP's, maar deze NADH's konden niet productief worden gebruikt voor het genereren van ATP in afwezigheid van zuurstof, maar in aanwezigheid van zuurstof kunnen we deze nu zeer winstgevend gaan gebruiken. Elk van deze maakt drie ATP's en elk van deze maakt natuurlijk ATP's. En laten we dan eens kijken naar wat er in het mitochondrion gebeurt. Houd in gedachten dat hier de grens is tussen het cytosol, het cytoplasma en het mitochondrion.

Hier wordt de zuurstof daadwerkelijk gebruikt en hier genereren we al deze NADH's hier, hier en hier, FADH's. En ik blijf zeggen, en het is nog steeds waar, ondanks het feit dat ik het blijf zeggen, dat deze NADH's kunnen worden omgezet in ATP's, en de ATP's kunnen dan worden verspreid, door de hele cel worden verzonden waar ze vervolgens worden geïnvesteerd bij endergonische reacties.

Hier zien we al deze NADH's. En kijk naar de algehele verandering in vrije energie. De eerste stappen in de glycolyse hebben niet echt geprofiteerd. Glucose heeft inherent bijna 680 kilocalorieën per mol energie. Het is hier behoorlijk hoog. Maar tegen de tijd dat we van hier naar hier komen, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij, het wordt geoogst in de vorm van deze moleculen die dan opnieuw worden geïnvesteerd.

Bij afwezigheid van zuurstof kan deze hele procedure alleen van hier naar hier gaan. En veel van deze daling van zes naar zeven is zinloos omdat we deze NADH opnieuw moeten investeren.

Deze kunnen eigenlijk niet worden gebruikt om meer ATP's te genereren, zoals ik herhaaldelijk heb gezegd. Dit betekent dus uiteindelijk dat we enorm veel energie kunnen opwekken in de vorm van deze gekoppelde reacties. Dat gezegd hebbende, laten we eens kijken naar wat er in de mitochondriën gebeurt.

Binnenin de mitochondriën zijn er eigenlijk verschillende fysieke compartimenten. Zie je de blauwe ruimte daar, de intermembrane ruimte, de blauwe ruimtes daar? De matrix zit aan de binnenkant.

De intermembrane ruimte bevindt zich tussen de twee, het binnenste en het buitenste membraan, en buiten is het cytoplasma. Het buitenste membraan, het binnenste membraan, daartussenin. Dus kijk wat er eigenlijk gebeurt in het mitochondrion. Die NADH's worden gebruikt om protonen uit de binnenruimte van het mitochondrion naar de intermembrane ruimte te pompen. Ik laat je niet zien dat dat gebeurt.

Maar u zult het op mijn woord moeten geloven. Dus de hier afgebeelde protonen worden gewonnen uit NADH en FADH, en ze worden gebruikt om protonen hier weg te pompen. En daarom worden protonen van hier naar hier verplaatst.

Het is duidelijk dat als je protonen naar buiten pompt, de pH aan de buitenkant lager wordt dan aan de binnenkant, en omdat er een gradiënt is, is er hier een hogere concentratie protonen dan aan de binnenkant.

De protonen beginnen zich hier buiten in de intermembrane ruimte op te hopen. Zitten ze in het cytoplasma? Nee. Ze zitten in de ruimte tussen het binnenste en buitenste membraan. Je begint in deze blauwe ruimte veel protonen te verzamelen. En dit pompen van protonen in de ruimte tussen de twee membranen vereist energie, en de energie komt van onze vrienden NADH en FADH, zo blijkt. Zij zijn verantwoordelijk voor het veroorzaken van deze ophoping van protonen in de ruimte tussen het binnen- en het buitenmembraan. Dus nu krijgen we veel protonen die er zijn. En wat er nu gebeurt, de protonen stromen graag terug omdat er hier een hogere concentratie is omdat ze zich in de ruimte bevinden die de mitochondriale matrix wordt genoemd, aan de binnenkant van het mitochondrion. Dus, wat gebeurt er?

Hier is nog een andere Nobelprijswinnende ontdekking de ontdekking van een zeer interessant molecuul, of een complex van eiwitten, zou ik zeggen, dat er ongeveer zo uitziet in drie dimensies.

En wat dit complex doet, is dat als de protonen hier door het binnenste kanaal stromen, ze een energiegradiënt afdalen.

Ze gaan van een staat van hoge concentratie naar een staat van lage concentratie. Wat dat doet, die diffusiedruk levert eigenlijk energie op.

En dit complex hier oogst die energie om ADP om te zetten in ATP. Dus als ik het heb over NADH als waardevol, elk van hen is drie ATP's waard, waar ik het eigenlijk over heb, is het feit dat NADH's kunnen worden gebruikt om protonen in de mitochondriën hier buiten te pompen, en deze protonen kunnen dan worden gebruikt , kan dan worden gepompt, kan dan op deze manier door deze protonpomp stromen, die vervolgens ADP in de binnenholte van de mitochondriën gebruikt om ATP te creëren. En hier krijgen we eindelijk de conversie van ADP naar ATP. We kunnen eindelijk dit veel beloofde voordeel realiseren. En dan worden deze ATP-moleculen vanuit de mitochondriën door de hele cel geëxporteerd en gebruikt om veel reacties op gang te brengen. We zijn al een belangrijke reeks reacties tegengekomen, en die reacties zijn de polymerisatie van nucleïnezuren. Een laatste punt dat ik wil maken is het volgende. We hebben het net gehad over metabolisch, we hebben het gehad over het pad van energieproductie in de cel.

En je hebt misschien even de illusie gehad dat dit alles is, dat is de som van alle biochemische reacties in de cel. Maar als we alle biochemische reacties in de cel in kaart brengen, zijn ze veel gecompliceerder. Hier is de glycolytische route. Zie je het hier beneden waar niets wordt genoemd? Hier is de Krebs-cyclus hier.

En dan hebben we het hier nog niet eens over energie. En terwijl moleculen van hier naar hier naar hier naar hier gaan, worden sommige van deze moleculen omgeleid voor andere toepassingen.

Niet voor energieproductie maar voor andere toepassingen.

En wat hier gebeurt, ze worden omgezet via een reeks complexe biochemische stappen in andere essentiële biologische moleculen. Wat bedoel ik daarmee?

Als je E. coli, een bacterie, geeft, geef je het een eenvoudige koolstofbron zoals glucose en je geeft het fosfaat en je geeft het een eenvoudige stikstofbron zoals ammoniumacetaat of zoiets, E. coli kan, uit die eenvoudige atomen alle aminozuren, kunnen de purines en de pyrimidines genereren, kunnen allerlei verschillende complexe biologische moleculen genereren, gewoon uit die eenvoudige bouwstenen. En dus omvat het proces van biosynthese niet alleen de creatie van macromoleculen, deze stappen van het zogenaamde intermediaire metabolisme worden gebruikt om alle andere biochemische entiteiten te synthetiseren die men nodig heeft om een ​​cel te maken. Ze worden gebruikt om purines en pyrimidines te synthetiseren.

Ze worden gebruikt om lipiden te synthetiseren, ze worden gebruikt om aminozuren te synthetiseren en ze worden gebruikt om letterlijk honderden andere verbindingen te synthetiseren. En als we deze grafiek zo zien, en niemand op de planeet heeft deze grafiek ooit uit het hoofd geleerd, dan vertegenwoordigt elk van deze stappen, van het ene molecuul naar het volgende, een andere biochemische reactie. En de overgrote meerderheid van deze biochemische reacties gaat van A naar B naar C naar D.

Elk van deze stappen vereist de tussenkomst van een enzym, een katalysator die gespecialiseerd is voor die specifieke stap.

Dit begint je dus een idee te geven van hoeveel verschillende biochemische stappen je in een cel nodig hebt. De getallen die waarschijnlijk een eenvoudige cel maken, je hebt waarschijnlijk ongeveer duizend verschillende biochemische reacties nodig, waarvan elk de betrokkenheid van een enzym vereist. En veel van deze stappen, belangrijker nog, veel van deze biochemische stappen zijn endergonische reacties. Waar halen ze de energie vandaan om deze reacties voort te stuwen als ze endergisch zijn? ATP. Dus de ATP van de energieopwekkende oven hier beneden wordt vervolgens door de cel verspreid om al deze energieverslindende reacties aan te drijven. Heb een geweldig weekend.


Voorkeuren

Afdeling Biofysica en Howard Hughes Medical Institute, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, TX, VS

William Peeples & Michael K. Rosen

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

Bijdragen

MKR en WP heeft het onderzoek bedacht en het onderzoeksprogramma ontworpen. WP alle experimenten uitgevoerd. MKR zorgde voor financiering en begeleidde het werk. WP en M.K.R. schreef het handschrift.

Corresponderende auteur


Methoden:

Verschillende opeenvolgende stappen zijn betrokken bij het creëren van initiële modellen van KEGG-routes. Al deze stappen worden in de volgende paragrafen in detail beschreven en weergegeven als een stroomdiagram in Afbeelding ​ Afbeelding1 1 .

Genereren van systeembiologische modellen van KEGG-paden. Het stroomschema toont alle belangrijke stappen die betrokken zijn bij het creëren van initiële systeembiologische modellen van KEGG-paden. De hele methode vereist twee bronnen: een KGML-geformatteerd KEGG-pad en toegang tot andere KEGG-databases, bijvoorbeeld via de KEGG API. De voorbewerkingsstappen, bovenaan afgebeeld, omvatten voornamelijk het verwijderen van ongepaste knooppunten en het verwerken van reacties. Een belangrijke stap is het verwijderen van dubbele vermeldingen. Sommige verdere stappen vereisen echter informatie over deze duplicaten (bijvoorbeeld bij gebruik van het lay-outuitbreidingspakket voor SBML) en maken daarom niet altijd deel uit van de voorbewerking en kunnen in een later stadium worden uitgevoerd. Afhankelijk van het gewenste uitvoerformaat worden afzonderlijke verwerkingsstappen uitgevoerd die een passende conversie en annotatie van het initiële model met zich meebrengen.

De KEGG-opmaaktaal (KGML)

KEGG gebruikt het KGML-formaat om zijn paden te coderen [16]. Voor elke route bestaat een generieke referentieroute die is afgeleid voor een overvloed aan verschillende organismen. Alle knooppunten in die routes komen voornamelijk overeen met eiwitten, kleine moleculen, andere routes of complexen waarnaar wordt verwezen en worden gecodeerd als vermeldingen in KGML. Deze items hebben een typeattribuut dat de aard ervan verder specificeert. Bovendien kunnen ze een grafisch attribuut hebben dat essentieel is voor padvisualisaties. Items die overeenkomen met groepen bevatten componenten die verwijzen naar hun opgenomen items.

Naast vermeldingen specificeert KGML reacties, die substraten en producten bevatten die in wezen verwijzingen zijn naar de overeenkomstige vermeldingen. De enige aanvullende informatie die voor reacties wordt gegeven, is een typeattribuut, dat ofwel ‘reversible’ of ‘irreversible’ is. Bovendien specificeert KEGG relaties, die vooral belangrijk zijn voor de visualisatie van signaalroutes. Relaties bevatten netwerkverbindingen tussen twee items, zoals 𠇊 fosforyleert B”, of 𠇊 remt B”, maar ze bieden niet voldoende informatie voor conversies om biochemische reacties te voltooien.

Voorbewerken en corrigeren van problemen in de invoer KGML

Voordat de KEGG-routes naar andere modelleringstalen worden geconverteerd, moeten verschillende problemen worden gecorrigeerd in voorbewerkingsstappen direct op de invoer-KGML. Deze omvatten bewerkingen die betrekking hebben op het toevoegen of verwijderen van items uit het KGML-document, evenals het verwerken van ingesloten reacties. De daadwerkelijke conversie naar modellen is onafhankelijk van die stappen en wordt uitgevoerd na de voorbewerking. Om betrouwbare modellen te genereren, zou men links naar andere routekaarten uit het document kunnen verwijderen. Deze routekaarten waarnaar wordt verwezen, zijn geen fysieke instanties en moeten dus worden genegeerd voor sommige modelsimulatiesoftware. Ze kunnen echter nodig zijn voor het verknopen van routes. Bovendien kunnen wezen (d.w.z. vermeldingen die niet aanwezig zijn in reacties of relaties) nutteloos zijn voor sommige modelleringsbenaderingen en kunnen daarom ook worden verwijderd. Een belangrijke stap naar het bouwen van metabole modellen zijn correcte biochemische reacties. De reacties gespecificeerd in de KGML vereisen een aanzienlijke voorbewerking om deze betrouwbaar te vertalen naar SBML of BioPAX. KGML-routes bevatten vaak enkele XML-reactieobjecten die verwijzen naar meerdere verschillende biochemische reacties in de KEGG REACTION-database. Deze gebundelde reacties moeten in het XML-document worden gedemonteerd in afzonderlijke reactie-objecten om een ​​model te krijgen met evenwichtige en correcte biochemische reacties. Aangezien de informatie in de KGML beperkt is, moet de KEGG API worden opgevraagd voor verdere correctiestappen. Van de KEGG API wordt informatie over de omkeerbaarheid van de reactie opgehaald, evenals de reactievergelijking, inclusief alle substraten, producten, katalysatoren en stoichiometrische informatie. De omkeerbaarheid wordt direct op de reactie geannoteerd, de stoichiometrische informatie moet in aparte klassen worden opgeslagen, die later worden vertaald naar het gewenste uitvoerformaat. De vergelijking wordt gebruikt om te controleren op ontbrekende reactiedeelnemers. Maar het simpelweg vergelijken van alle KEGG-identifiers die aanwezig zijn in de KGML met de reactievergelijking is niet voldoende. KEGG bestaat uit veel afzonderlijke databases die informatie bevatten over verbindingen, medicijnen, glycanen, enz.Daarom kan een verbinding meerdere KEGG-ID's hebben, bijvoorbeeld een in KEGG COMPOUND en een andere in KEGG DRUG. De reactievergelijkingen specificeren slechts één identifier voor elke deelnemer, wat een van alle beschikbare identifiers voor een object is. Daarom zijn er meer zoekopdrachten naar de KEGG API nodig om alle synoniemen voor alle identifiers op te halen. Nu is het mogelijk om alle reactanten te vergelijken met de routecomponenten, te controleren op ontbrekende reactiedeelnemers en deze uiteindelijk toe te voegen aan de KGML. Een vergelijkbare methode is vereist om te controleren op ontbrekende enzymen (d.w.z. reactiemodificatoren). We gebruiken Enzyme Commission-nummers (EC-nummers) om te controleren op ontbrekende enzymen.

Een laatste belangrijke voorbewerkingsstap kan worden uitgevoerd voordat de paden naar modellen worden geconverteerd. De KEGG-database gebruikt informatie over orthologie om routekaarten voor verschillende organismen te bieden. Enzymen, die reacties katalyseren, worden geannoteerd met behulp van EC-nummers, die onafhankelijk zijn van werkelijke organismen. In sommige gevallen leidt dit tot geannoteerde enzymen of vermeldingen in de KGML, waarvoor geen fysiek exemplaar in het huidige organisme van belang bekend is. Met andere woorden, de vermelding bestaat waarschijnlijk niet in het huidige organisme of het bestaan ​​ervan is nog niet bewezen. Om deze informatie te visualiseren, verandert KEGG de achtergrondkleur van die orthologe knooppunten in wit. Deze knooppunten moeten ook worden verwijderd om organismespecifieke modellen te verkrijgen.

Atoombalans van reacties

Na de beschreven voorbewerkingsstap bevat het KGML-document ontbundelde en volledige reacties, waarvoor de vergelijking en stoichiometrie is geannoteerd. Met behulp van de KEGG API kan de chemische formule van elke verbinding die deelneemt aan een reactie worden opgehaald. Door deze informatie samen met de stoichiometrie te gebruiken, is het mogelijk om alle atomen aan de substraat- en productzijde te tellen en te vergelijken. Er zijn nog enkele eigenschappen waarmee rekening moet worden gehouden: Een generieke ‘R’ wordt soms gebruikt aan de substraat- en productzijde om een ​​substituent aan te duiden. Variabelen zoals N en N+1 worden door KEGG gebruikt om meer generieke reacties te creëren. Tijdens onze tests ontdekten we enkele eenvoudige gevallen waarin een H + of P + ontbrak, maar ook enkele andere gevallen waarin meerdere atomen (bijv. 2 C, 3 H en 1 P) ontbraken. Het automatisch corrigeren van deze problemen wordt niet aanbevolen, omdat de echte ontbrekende componenten onbekend zijn. Als er bijvoorbeeld een P+ aan de substraatzijde ontbreekt, kunnen grotere verbindingen aan elke kant van de reactie ontbreken. De mogelijkheden van ontbrekende componenten aan beide kanten omvatten ATP → ADP, NADPH → NADH en vele andere. Daarom voegt onze implementatie het resultaat van elke atoomcontrole toe als commentaar op elke reactie en moeten onderzoekers mogelijk handmatig reacties corrigeren met ontbrekende atomen.

Conversie en annotatie van het KGML-document

Het ingevulde en gecorrigeerde KGML-document kan nu worden gebruikt om modellen te genereren. Daarom zijn conversies naar BioPAX, SBML, SBML-qual en verschillende andere formaten vereist. Meestal moet de modelinstantie worden geïnitialiseerd en moeten alle items aan het model worden toegevoegd. Voorzichtigheid is geboden bij deze stap, omdat er meerdere exemplaren van een invoer in één KGML-document kunnen voorkomen. Gewoonlijk katalyseert elke grafische kopie verschillende reacties. Maar voor systeembiologische modellen moet er slechts één element worden gemaakt voor alle kopieën, dat een unie van alle fysiek identieke items vertegenwoordigt. Verder specificeert KGML een invoertype genaamd ‘reaction’, dat in het resulterende model niet naar een fysieke entiteit moet worden geconverteerd. Afhankelijk van de modelleertaal moeten ofwel de reacties ofwel de relaties ofwel beide worden omgezet naar het gekozen formaat.

Naast deze conversiestappen zijn aanvullende bewerkingen nodig om verdere modelleringsinspanningen door onderzoekers te vergemakkelijken. Dit omvat uitgebreide annotaties en opmerkingen voor alle elementen. Vandaar dat Gene Ontology-termen, die de elementen en hun functie beschrijven, evenals identifiers voor een overvloed aan andere databases voor genen, eiwitten, interacties, structurele informatie, kleine moleculen, enz. aan het model worden toegevoegd. In meer detail zijn identifiers toegevoegd voor Entrez Gene, OMIM, Ensembl, UniProt, ChEBI, DrugBank, Gene Ontology, HGNC, PubChem, 3DMET, NCBI Taxonomy, PDBeChem, GlycomeDB, LipidBank, EC-nummers (enzymnomenclatuur) en verschillende KEGG-databases ( GEN, GLYCAN, REACTIE, SAMENSTELLING, DRUG, WEG, ORTHOLOGIE). Naast deze kruisverwijzingen worden andere nuttige menselijke en machineleesbare annotaties toegevoegd, bijvoorbeeld officiële gensymbolen, synoniemen, door mensen leesbare beschrijvingen, links naar meer bronnen of visualisaties, en de chemische formule en het molecuulgewicht voor kleine moleculen.

De annotatie van de modellen is een belangrijke stap, omdat simulaties op echte gegevens of eenvoudige experimentele gegevensvisualisatietools unieke identifiers vereisen om de experimentele gegevens op de padstructuur in kaart te brengen. Als modellen een eenvoudige datastructuur bieden met labels, maar geen referentie-ID's, zijn ze nauwelijks bruikbaar in combinatie met experimentele data.

KEGG naar BioPAX

Vandaag is Level 3 het meest recente Level van BioPAX. Maar Level 2 is nog steeds gebruikelijk en er zijn enkele datastructuren in Level 3 die niet beschikbaar zijn in Level 2. Daarom zijn aparte converters voor BioPAX Level 2 en voor Level 3 vereist. Allereerst moet er een BioPAX-model worden gemaakt en moet een padobject, dat overeenkomt met de invoer KGML, aan het model worden toegevoegd. Vervolgens worden verschillende annotaties en kruisverwijzingen gedefinieerd voor dit pad. Dit omvat bijvoorbeeld het organisme, kruisverwijzingen naar andere databases en Gene Ontology-termen om de functie van het pad te definiëren. De volgende stap omvat het toewijzen van elk KGML-element aan een overeenkomstig BioPAX-element. Figuur ​ Figuur2 2 geeft een overzicht van deze mappings.

Vereenvoudigde klassenstructuur en mapping van KGML naar BioPAX. De afbeelding toont de onbewerkte toewijzing van KGML aan instanties van de BioPAX-klasse. Het type attribuut van elk item bepaalt hoe het wordt vertaald (zie Tabel ​ Tabel1). 1 ). Reacties die worden gekatalyseerd door enzymen worden vertaald naar Catalysis, terwijl niet-gekatalyseerde reacties direct worden vertaald naar BiochemicalReaction s. Relaties worden anders vertaald, afhankelijk van hun subtype, de deelnemende entiteiten en het gekozen BioPAX-niveau (zie Tabel ​ Tabel2). 2 ). Om de duidelijkheid te behouden, bevat het cijfer niet de informatie die in BioPAX Level 2, controle en conversie erven van fysieke interactie. Verder bestaat een Catalysis uit twee elementen: een Controller en een Controlled element. Voor onze doeleinden is Controller altijd een enzym en Controlled is een BiochemicalReaction. Evenzo kunnen KGML-relaties worden vertaald naar een Control-element dat ofwel een Conversion ofwel een TemplateReaction regelt.

Met het initiële padmodel is de volgende stap het creëren van BioPAX-elementen voor elke KGML-invoer. Deze vertaling hangt voornamelijk af van het type KGML-invoer en wordt gedetailleerd weergegeven in Tabel ​ Tabel1. 1 . Inzendingen met dezelfde identifier (grafische kopieën van hetzelfde element) worden gegroepeerd in één instantie en er wordt slechts één BioPAX-element voor gemaakt. Afhankelijk van het zojuist gemaakte BioPAX-element zijn verdere annotatiestappen vereist. Voor complexe es moeten we alle componenten toevoegen. Voor SmallMolecules voegen we het molecuulgewicht en de chemische formule toe aan de overeenkomstige BioPAX-velden, wat verdere modelleringsstappen vergemakkelijkt. Voor elk element worden kruisverwijzingen naar andere databases en meer annotaties toegevoegd zoals beschreven in de vorige sectie.

Tafel 1

BioPAX-instanties en SBO-termen die overeenkomen met KGML-invoertypen

Type invoerBioPAX-elementSBO-term
verbinding kleine Molecuul 247 (eenvoudig chemisch)
enzym eiwit 252 (polypeptideketen)
gen eiwit 252 (polypeptideketen)
ortholoog eiwit 252 (polypeptideketen)
groep complex 253 (niet-covalent complex)
kaartpad552 (referentieannotatie)

Deze tabel toont de conversie van KGML-items naar BioPAX of SBML. De conversie is afhankelijk van het kenmerk KGML-invoertype. Voor BioPAX worden verschillende klasseninstanties geïnitialiseerd. Conversies naar SBML omvatten altijd de creatie van een soort met de gegeven SBO-term voor elke KGML-invoer. De KGML-specificatie stelt dat een invoer van het type ‘gene’ “is een genproduct (meestal een eiwit)”. Daarnaast is een ‘groep’ “is een complex van genproducten (meestal een eiwitcomplex)” [16]. Voor compatibiliteit met eerdere KGML-versies komt het verouderde type ‘genes’ overeen met ‘group’ sinds KGML v0.6.1. Verder worden items van het type ‘reaction’ niet in de tabel vermeld, maar in een apart gedeelte besproken.

KEGG-reacties komen altijd overeen met biochemische reacties. Een biochemische reactie is dus de juiste gegevensstructuur voor die reacties en er wordt één instantie van deze klasse gemaakt voor elke KGML-reactie. Als katalyserende enzymen worden geannoteerd, wordt een Catalysis-instantie gemaakt. Deze katalyse katalyseert enzymen als controller en de biochemische reactie als gecontroleerd element. De reactie wordt geannoteerd met de reactierichting en of deze omkeerbaar is of niet. Verder wordt de stoichiometrie van elke deelnemer geannoteerd, evenals de EC-nummers van alle katalyserende enzymen. Zelfs aan de reacties wordt voor mensen leesbare ondersteunende informatie toegevoegd, zoals de reactievergelijking, andere routes waarin deze reactie ook optreedt, en een generieke beschrijving. Daarnaast wordt het resultaat van de atoombalanscontrole als nader commentaar toegevoegd, samen met uitgebreide informatie welke atomen zich aan de substraatzijde bevinden, welke aan de productzijde en het verschil daartussen.

Naast biochemische reacties ondersteunt BioPAX ook andere soorten relaties tussen entiteiten. Deze omvatten universele elementen, zoals Conversion s of Molecular Interaction s, die handig zijn voor het vertalen van generieke KEGG-relaties die niet veel informatie opleveren. Relaties van het type �tivation’, ‘inhibition’ of ‘missing interaction’ zijn voorbeelden van dergelijke generieke vertalingen. Het verschil tussen deze is dat conversies kunnen worden gebruikt om een ​​bron en een doel te specificeren, terwijl MolecularInteractions (wat hetzelfde is als fysieke interacties in BioPAX Level 2) slechts één pool van deelnemende entiteiten hebben. Andere KEGG-relaties kunnen worden omgezet in specifiekere BioPAX-interactieklassen. Een ComplexAssembly wordt bijvoorbeeld gebruikt om een ​​binding tussen meerdere elementen tot uitdrukking te brengen, maar ook voor een dissociatie van elementen. Het gebruik van deze klasse vereist echter dat het gegeven product of substraat (in een demontage) een Complex is. Indien niet aan deze eisen wordt voldaan, wordt gebruik gemaakt van een generieke Conversie. Relaties die betrekking hebben op de wijziging van een eiwit worden op de juiste manier vertaald naar BioPAX door gecontroleerde processen te creëren. Het gaat om het creëren van een Beheerselement dat een Proces bevat en een Verwerkingsverantwoordelijke die dit proces regelt. Dit wordt gebruikt om relaties te vertalen die bijvoorbeeld een fosforylering beschrijven.

Hiertoe wordt een Conversie gegenereerd, die het ongefosforyleerde eiwit als bron en een gefosforyleerde variant als doelwit bevat. Deze conversie wordt gecontroleerd door een instantie van Controller die het controlerende eiwit bevat.

In BioPAX Level 3 zijn enkele aanvullende verbeteringen van de vertalingen uitgevoerd, zoals het coderen van fosforylering of andere modificaties door een ModificationFeature aan een entiteit toe te voegen. Verder kan de expressie van een eiwit worden gecodeerd met een TemplateReaction . Dit type interactie wordt gebruikt om de productie van een RNA of eiwit uit een matrijssequentie te beschrijven. Dit proces wordt gereguleerd door een TemplateReactionRegulation die voornamelijk een transcriptiefactor als regulator bevat. In KEGG wordt dit gespecificeerd door een relatie die de transcriptiefactor als bron, het eiwit als doelwit en de term 𠆎xpression’ als subtype bevat.

Voor elke vertaalde relatie wordt een InteractionVocabulary gemaakt die het type interactie specificeert als gecontroleerde woordenschatterm en voor mensen leesbare string. Hiervoor worden termen uit de Systems Biology Ontology (SBO) [17], Gene Ontology (GO) [18] en Molecular Interactions Ontology (MI) [19] gebruikt. Eiwitmodificaties worden verder aangegeven door een SequenceModificationVocabulary in BioPAX Level 3, die termen gebruikt uit de Protein Modification Ontology (MOD) [20]. Tabel ​ Tabel2 2 laat in detail zien hoe elke relatie wordt geconverteerd en welke ontologietermen worden gebruikt.

Tafel 2

BioPAX-instanties en ontologietermen die overeenkomen met subtypes van KGML-relaties

Subtype relatieBioPAX-elementSBO-termMI-termGO-term
activering conversie, controle 170 (stimulatie) geengeen
remming conversie, controle 169 (remming) geengeen
uitdrukking SjabloonReactie, -Regelgeving 170 (stimulatie) geen10467
repressie SjabloonReactie, -Regelgeving 169 (remming) geengeen
indirect effect conversie 344 (moleculaire interactie) geengeen
staat verandering conversie 168 (controle) geengeen
binding/associatie ComplexAssemblage 177 (niet-covalente binding) 914 5488
dissociatie ComplexAssemblage 180 (dissociatie) geengeen
ontbrekende interactie Moleculaire Interactie 396 (onzeker proces) geengeen
fosforylering conversie, controle 216 (fosforylering) 217 16310
defosforylering conversie, controle 330 (defosforylering) 203 16311
glycosylering conversie, controle 217 (glycosylering) 559 70085
alomtegenwoordigheid conversie, controle 224 (alomtegenwoordigheid) 220 16567
methyleringconversie, controle214 (methylering)21332259

Deze tabel laat zien hoe relaties worden afgehandeld tijdens de conversie naar BioPAX of SBML. De conversie is afhankelijk van het subtype van elke relatie. Voor elk subtype worden het bijbehorende BioPAX-element en termen uit verschillende ontologieën gespecificeerd. Bij het converteren naar BioPAX worden alle termen geannoteerd als een instantie van InteractionVocabulary , terwijl een SBML-overgang een veld heeft voor de SBO-term en andere termen worden toegevoegd als gecontroleerde vocabulaires bij de overgang . Houd er rekening mee dat sommige BioPAX-elementen onderhevig zijn aan bepaalde voorwaarden en dat andere moeten worden vervangen door meer generieke klassen in BioPAX Level 2, vanwege verschillen in beide releases. Zie de KEGG naar BioPAX sectie voor meer details.

KEGG naar SBML

Hoewel het niet de nieuwste versie van SBML is, wordt niveau 2 versie 4 nog steeds in veel toepassingen gebruikt en zou daarom moeten worden ondersteund voor de conversie van metabole modellen. De meest recente release van SBML Level 3 introduceert uitbreidingspakketten en is vereist om kwalitatieve modellen (qual), groepen en lay-outinformatie in het document op te nemen, die essentieel zijn voor het modelleren van signaalroutes. Op het eerste gezicht lijkt de conversie van KGML naar SBML eenvoudig. Dit wordt ook gesuggereerd door het mapping-schema, weergegeven in figuur ​ figuur3. 3 . Maar in SBML wordt het onderscheid tussen verschillende relatie- of invoertypen niet gemaakt door verschillende klasseninstanties te gebruiken, zoals in BioPAX, maar door speciale attribuut-waardeparen te gebruiken, zoals SBO-termen. KEGG definieert ingangen en een ingangstype, dat aangeeft of de ingang overeenkomt met een eiwit, complex, klein molecuul, gerefereerde routekaart of een ander type. BioPAX biedt verschillende klassen om onderscheid te maken tussen deze typen. SBML, vergelijkbaar met KGML, heeft alleen een klasse met de naam species om al die items te coderen. Het type van de soort moet worden gespecificeerd met behulp van termen uit de Systems Biology Ontology (SBO) [17]. Deze SBO-termen zijn hiërarchisch georganiseerd en alleen SBO-termen uit de tak ‘materiële entiteitâ’ mogen worden gebruikt om de entiteiten te coderen. Tabel ​ Tabel 1 laat zien welke SBO-termen het meest geschikt zijn om de verschillende KGML-items te coderen. Verder is het, net als bij BioPAX-vertalingen, belangrijk om grafische kopieën van dezelfde items in één element te groeperen en slechts één soortelement voor deze invoer te creëren. Om het model bruikbaar te maken voor verdere toepassingen, zijn uitgebreide annotaties en verwijzingen naar andere databases toegevoegd, met behulp van gestandaardiseerde gecontroleerde woordenschat (CV) termen en MIRIAM-identifiers [21,22]. Verder worden een beschrijving, verschillende synoniemen, het CAS-nummer, chemische formule, een referentieafbeelding (structuurformule voor verbindingen, afbeelding van de routekaart voor routes), molecuulgewicht en massa toegevoegd als voor mensen leesbare annotatie, indien beschikbaar.

Vereenvoudigde klassenstructuur en mapping van KGML naar SBML. Deze mapping omvat de SBML kwalitatieve modellen (qual) en groepsuitbreidingspakketten. De meeste eigenschappen zijn gecodeerd als attributen op de eigenlijke klassen. Tabellen ​ Tabellen1 1 en ​ en2 2 geven meer details over het vertalen van gegevens en relaties. SBML kan alleen reacties aan. Daarom is SBML-qual vereist om relaties correct te coderen. Dit uitbreidingspakket vereist een eigen model. Vervolgens moeten het SBML-kernmodel en elke soort worden gedupliceerd om een ​​kwalitatief Model inclusief de vertaalde relaties te verkrijgen. Verder kan het groepenuitbreidingspakket worden gebruikt voor een goede codering van groepen in SBML.

Groepen worden niet ondersteund door SBML-core. Om items van het type ‘group'x02019 in SBML Level 3 te coderen, kan men het groepsuitbreidingspakket [23] gebruiken. Om groepen in SBML voor niveau 3 te coderen, is de enige manier annotaties, bijvoorbeeld door een CV-term toe te voegen met een BQB_IS_ENCODED_BY of BQB_HAS_PART-kwalificatie die de inhoud van de groep specificeert. In ieder geval moet ook een SBO-term worden gebruikt, die deze soort markeert als een complex van meerdere andere soorten.

KEGG reacties worden omgezet naar SBML reacties met correcte SBO termen voor substraten (SBO:0000015) en producten (SBO:0000011). Als de reactie omkeerbaar is, moet een generieke SBO-term voor reactanten (SBO:00000010) worden toegepast op alle deelnemers aan de reactie. Bovendien wordt de omkeerbaarheid geannoteerd aan de reactie zelf en wordt de stoichiometrie geannoteerd op alle reactiedeelnemers. Katalyserende enzymen zijn opgenomen als ModifierSpeciesReference- en CV-termen, verwijzend naar de KEGG-reactie-ID en alle routes waarin deze reactie plaatsvindt, worden toegevoegd. Voor mensen leesbare annotaties op reacties omvatten de reactiedefinitie, vergelijking, een verwijzing naar de reactievergelijking als HTML-afbeelding en het resultaat van de atoombalanscontrole (d.w.z. als er atomen ontbreken in de reactie).

Relaties zijn vereist om signaalroutes te coderen, maar kunnen niet goed worden opgenomen in kern-SBML. Er is geen structuur die codeert, bijv. 𠇊 activeert B”—we kunnen alleen reacties toevoegen aan SBML.Voor SBML Level 3 lost het recentelijk voorgestelde uitbreidingspakket voor kwalitatieve modellen (qual) dit probleem op [24]. Deze extensie is ontworpen voor kwalitatieve modellering en maakt het mogelijk om relaties te modelleren die niet in detail kunnen worden beschreven. Om de KEGG-relaties te coderen, moeten we het model dus converteren naar een kwalitatief Model en voor elke relatie een kwalitatieve overgang creëren. Een SBO-term, zoals gegeven in Tabel 2, 2, wordt toegewezen aan de overgang om het type te specificeren. Een GO-term, genoemd in dezelfde tabel, wordt verder toegevoegd als CV-term op de overgang.

Verdere KGML-kenmerken

KGML-items die reacties zijn

De KGML-specificatie staat toe dat items een type hebben met de naam ‘reaction’. Dit kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een ​​relatie naar een reactie te laten wijzen. In feite staat KGML alleen toe dat vermeldingen doelen van relaties zijn, maar deze constructies kunnen worden gebruikt om de beperkingen te versoepelen. BioPAX staat echter van nature toe dat interacties verwijzen naar andere interacties als bronnen of doelen. Daarom wordt de documentstructuur niet ongeldig als items met het type ‘reaction’ worden omgezet naar echte reacties in BioPAX en elk gebruik van dit item wordt vervangen door het gebruik van de BioPAX-reactie.

In SBML worden deze invoer ook omgezet in reacties. Er wordt geen soort aangemaakt voor inzendingen met het type ‘reaction’ in SBML-core. Voor SBML-qual heeft de specificatie vergelijkbare eisen als KGML: alle transities moeten kwalitatieveSpecies als bronnen of doelen hebben. Daarom is voor SBML-qual de vertaling vergelijkbaar met de bron-KGML en wordt een kwalitatieveSpecies met adequate annotatie gemaakt voor items met het type ‘reaction’.

Relaties van subtype 𠆌ompound’

Sommige KGML-documenten bevatten reacties en uitsluitend relaties van het subtype 𠆌ompound’. Deze verbinding-relaties zijn meestal relaties tussen enzymen en verbindingen. KEGG stelt dat deze verbinding wordt gedeeld met twee opeenvolgende reacties […]” [16]. Met andere woorden, deze relaties zijn kopieën van reacties die door KEGG zijn gemaakt om het pad beter grafisch weer te geven. Dus het vertalen van zowel de reacties als de verbinding-relaties zou dubbele informatie opleveren.

Documenten met glycanen in plaats van verbindingen

Soms specificeert KGML glycanen als reactiedeelnemers in plaats van verbindingen. Eigenlijk is hier niets mis mee, behalve dat de KEGG API vaak reactievergelijkingen retourneert met identifiers van verbindingen en dat sommige attributen, zoals chemische formule of molecuulgewicht, exclusief beschikbaar zijn voor verbindingen. Dit leidt tot reacties die ten onrechte als onjuist worden gedetecteerd of tot ontbrekende chemische formules. Daarom, als er een synoniem samengestelde identifier beschikbaar is voor een KEGG glycan of een andere KEGG database identifier die synoniemen bevat in KEGG COMPOUND, is het raadzaam om de samengestelde identifier op te halen en er intern mee te werken. Anders is het zeer waarschijnlijk dat duplicaten van dezelfde items maar met verschillende id's in een model worden gemaakt en dat sommige relaties niet correct worden opgelost.

Implementatie en beschikbaarheid

Alle beschreven methoden zijn geïmplementeerd in de tweede release van KEGGtranslator (sinds versie 2.2). De applicatie gebruikt en omvat Paxtools, een Java™-bibliotheek voor het werken met BioPAX die het bouwen en schrijven van de interne BioPAX-gegevensstructuur vergemakkelijkt (http://www.biopax.org/paxtools.php). Om de SBML-datastructuur vast te stellen, gebruikt KEGGtranslator de Java™ bibliotheek JSBML [25] en ondersteunt het SBML Level 2 Version 4 [26] en SBML Level 3 Version 1 [27].

KEGGtranslator is geïmplementeerd in Java™, biedt een interactieve, gebruiksvriendelijke en gebruiksvriendelijke grafische gebruikersinterface (GUI) en is vrij beschikbaar onder de LGPL versie 3 licentie van http://www.cogsys.cs.uni -tuebingen.de/software/KEGGtranslator/. KGML-trajecten kunnen automatisch worden gedownload vanuit KEGGtranslator. De applicatie kan KEGG-paden van KGML-bestanden converteren naar BioPAX Level 2, BioPAX Level 3, SBML (core), SBML (qual), of SBML-core en -qual in één model. Indien gewenst kunnen grafische voorstellingen worden gemaakt in SBGN, SIF, GML, GraphML, JPG en enkele andere formaten. Verder zijn er veel opties die de beschreven (voor)verwerking van KEGG-conversies regelen en gebruikers in staat stellen de gegenereerde modellen aan te passen aan een groot aantal verschillende vereisten.


PRINCIPES EN TOEPASSINGEN IN MYCOLOGIE EN PARASITOLOGIE

Het vermogen om micro-organismen nauwkeurig te identificeren is van fundamenteel belang voor alle aspecten van schimmelepidemiologie en diagnose. In de fytopathologie is de vroege identificatie van ziekteverwekkers essentieel voor de herkenning van pathogenen (60). In de afgelopen tien jaar zijn er vorderingen gemaakt in de moleculaire diagnose van schimmels door middel van PCR-technologie. In tegenstelling tot conventionele methoden, kunnen monsters direct via PCR worden getest en geïsoleerd zonder dat daarvoor kweken nodig zijn. De techniek is snel en zeer specifiek. Het kan worden gebruikt om sporen van schimmel-DNA uit omgevingsmonsters te detecteren voordat symptomen optreden. Het maakt daarom de implementatie van vroege ziektebestrijdingsmethoden mogelijk. PCR kan routinematig worden uitgevoerd en vereist geen gespecialiseerde vaardigheden om de resultaten te interpreteren. De technologie kan ook nauwkeurigere kwantitatieve gegevens bieden, die aanvullende informatie verschaffen die nodig is voor de besluitvorming en de beoordeling van hoe effectief schimmelagentia zijn bij biologische bestrijding. Sinds de introductie in het midden van de jaren tachtig is PCR de hoeksteen van de DNA-technologie geworden en heeft het de weg vrijgemaakt voor de creatie van talloze bijbehorende technologieën. Het is opmerkelijk vanwege zijn vermogen om hoeveelheden DNA te detecteren die zijn geamplificeerd uit een of enkele originele sequenties. Conventionele PCR is niet kwantitatief, maar eerder kwalitatief. Het is gebruikt voor het detecteren, monitoren en identificeren van schimmels uit een hele reeks omgevingsmonsters en vormt de kern van moleculaire schimmeldiagnostiek (4).

Fluorescerende PCR ter plaatse maakt gebruik van fluorescent gemarkeerde primers of probes om schimmels te detecteren en te lokaliseren in vaste omgevingsmonsters na semi-permeabilisatie (102). De fluorescentie van de primers of probes wordt gedetecteerd met behulp van een confocale microscoop. Deze techniek maakt de directe detectie van het organisme in het monster mogelijk. Het toont ook de ruimtelijke verdeling, interacties met de gastheer en andere organismen. Bago, Piche, Simon (5) gebruikt ter plaatse PCR voor het opsporen en lokaliseren van infecties veroorzaakt door Arbusculaire Mycorrhiza-schimmels. De reikwijdte van PCR is oneindig (5). Het kan worden gebruikt om een ​​enkele soort of hele gemeenschappen te onderzoeken (22,35,80).

Pneumocystis jiroveci (een schimmel die eerder werd genoemd Pneumocystis carinii) kan ernstige pneumonie veroorzaken bij patiënten die geïnfecteerd zijn met HIV of anderszins immunosuppressie hebben, maar de detectie ervan is beperkt tot de microscopie van monsters in de luchtwegen. Microscopie voor de detectie van P. jirovecic meestal gaat het om het gebruik van vlekken. Immunofluorescentie is gevoeliger dan deze vlekken, maar is duurder en vereist gespecialiseerde voorzieningen. PCR is gevoeliger, vooral bij patiënten die niet met hiv zijn geïnfecteerd, en kan daarom van groot nut zijn (36). De PCR-specificiteit is beperkt, maar aangezien dit micro-organisme een alomtegenwoordige commensaal is, kan het worden gedetecteerd door middel van PCR in afwezigheid van de ziekte (37).

Een ander voorbeeld van het gebruik van PCR-technologie in de mycologie is de detectie van infectie van Aspergillus sp. bij patiënten met neutropenie. Deze ziekte is notoir moeilijk te diagnosticeren vanwege de slechte gevoeligheid van de kweekmethode en de moeilijkheid om histopathologische monsters te vinden bij personen met een laag aantal bloedplaatjes. Vroegtijdige behandeling is essentieel voor het bereiken van de beste resultaten. PCR kan de tijd die nodig is voor de specifieke diagnose verminderen (111). Real-Time PCR is met succes gebruikt om het aantal pathogenen te kwantificeren (7,13,21,112), waardoor het helpt bij beslissingen over de behandeling van schimmelziekten en het beoordelen van de effecten van schimmels (57).

Parasitologische diagnostiek kan worden ondersteund door moleculaire methoden. Veel parasieten zijn niet kweekbaar in het laboratorium en de diagnose berust voornamelijk op serologie en relatief minder gevoelige microscopie. Microscopie blijft een ondersteuning voor de diagnose van malaria, maar vanwege de grotere gevoeligheid kan PCR deze ziekte zelfs in moeilijke situaties diagnosticeren. Plasmodium-soorten kunnen ook worden gedetecteerd bij verschillende infecties, wat microscopisch onderscheidingsvermogen kan belemmeren (99)


Enzymen en biochemische reacties

De meeste chemische reacties binnen organismen zouden onmogelijk zijn onder de omstandigheden in cellen. Zo is de lichaamstemperatuur van de meeste organismen te laag om reacties snel genoeg te laten plaatsvinden om levensprocessen uit te voeren. Reactanten kunnen ook in zulke lage concentraties aanwezig zijn dat het onwaarschijnlijk is dat ze elkaar zullen ontmoeten en botsen. Daarom moet de snelheid van de meeste biochemische reacties worden verhoogd door een katalysator. EEN katalysator is een chemische stof die chemische reacties versnelt. In organismen worden katalysatoren genoemd enzymen. In wezen zijn enzymen biologische katalysatoren.

Net als andere katalysatoren zijn enzymen geen reactanten in de reacties die ze controleren. Ze helpen de reactanten op elkaar in te werken, maar worden niet opgebruikt in de reacties. In plaats daarvan kunnen ze steeds opnieuw worden gebruikt. In tegenstelling tot andere katalysatoren zijn enzymen meestal zeer specifiek voor bepaalde chemische reacties. Ze katalyseren over het algemeen slechts één of enkele soorten reacties.

Enzymen zijn uiterst efficiënt in het versnellen van reacties. Ze kunnen tot enkele miljoenen reacties per seconde katalyseren. Als gevolg hiervan kan het verschil in snelheid van biochemische reacties met en zonder enzymen enorm zijn. Een typische biochemische reactie kan uren of zelfs dagen duren voordat deze plaatsvindt onder normale cellulaire omstandigheden zonder een enzym, maar minder dan een seconde met een enzym.

Figuur (PageIndex<1>) geeft een diagram van een typische enzymatische reactie. EEN substraat is het molecuul of de moleculen waarop het enzym inwerkt. In de door urease gekatalyseerde reactie is ureum het substraat.

Figuur (PageIndex<1>): De volgorde van stappen voor een substraat dat bindt aan een enzym op zijn actieve plaats, reageert en vervolgens als producten wordt vrijgegeven.

De eerste stap in de reactie is dat het substraat zich bindt aan een specifiek deel van het enzymmolecuul, bekend als de actieve plaats. De binding van het substraat wordt bepaald door de vorm van elk molecuul. Zijketens op het enzym interageren op een specifieke manier met het substraat, wat resulteert in het maken en verbreken van bindingen. De actieve site is de plaats op een enzym waar het substraat bindt. Een enzym vouwt op een zodanige manier dat het typisch één actieve plaats heeft, meestal een zak of spleet gevormd door het vouwpatroon van het eiwit. Omdat de actieve plaats van een enzym zo'n unieke vorm heeft, kan slechts één bepaald substraat aan dat enzym binden. Met andere woorden, elk enzym katalyseert slechts één chemische reactie met slechts één substraat. Zodra het enzym/substraatcomplex is gevormd, vindt de reactie plaats en wordt het substraat omgezet in producten. Ten slotte worden het productmolecuul of de productmoleculen vrijgemaakt van de actieve plaats. Merk op dat het enzym onaangetast blijft door de reactie en nu in staat is om de reactie van een ander substraatmolecuul te katalyseren.

Voor veel enzymen volgt de actieve plaats a slot en sleutel (A in de onderstaande afbeelding) model waarbij het substraat precies in de actieve plaats past. Het enzym en het substraat moeten perfect bij elkaar passen, zodat het enzym maar voor één reactie fungeert. Andere enzymen hebben een geïnduceerde fit (B in de onderstaande afbeelding) model. In een model met geïnduceerde pasvorm kan de actieve site kleine aanpassingen maken om het substraat te accommoderen. Dit resulteert in een enzym dat in staat is om te interageren met een kleine groep vergelijkbare substraten. Kijk naar de vorm van de actieve site in vergelijking met de vorm van het substraat in B van de onderstaande figuur. De actieve site past zich aan het substraat aan.

Figuur (PageIndex<2>): (A) Lock and key enzymmodel en (B) geïnduceerd fit enzymmodel.


Referenties

Alberti, S., Gladfelter, A. & Mittag, T. Overwegingen en uitdagingen bij het bestuderen van vloeistof-vloeistoffasescheiding en biomoleculaire condensaten. Cel 176, 419–434 (2019).

Banani, S.F., Lee, H.O., Hyman, A.A. & Rosen, M.K. Biomoleculaire condensaten: organisatoren van cellulaire biochemie. nat. ds. Mol. Cel Biol. 18, 285–298 (2017).

Peng, A. & Weber, S. C. Bewijs voor en tegen vloeistof-vloeistoffasescheiding in de kern. Niet-coderend RNA 5, 50 (2019).

Shin, Y. & Brangwynne, C. P. Vloeistoffasecondensatie in celfysiologie en ziekte. Wetenschap 357, eaaf4382 (2017).

Ditlev, J.A., Case, L.B. & Rosen, M.K. Who's in en who's out-compositionele controle van biomoleculaire condensaten. J. Mol. Biol. 430, 4666–4684 (2018).

Brangwynne, C.P. et al. Germline P-korrels zijn vloeistofdruppels die worden gelokaliseerd door gecontroleerde oplossing/condensatie. Wetenschap 324, 1729–1732 (2009).

Brangwynne, C.P., Mitchison, T.J. & Hyman, A.A. Actief vloeistofachtig gedrag van nucleoli bepaalt hun grootte en vorm in Xenopus laevis-eicellen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 108, 4334–4339 (2011).

Strom, A.R. et al. Fasescheiding stimuleert de vorming van heterochromatinedomeinen. Natuur 547, 241–245 (2017).

Larson, A.G. et al. Vloeistofdruppelvorming door HP1α suggereert een rol voor fasescheiding in heterochromatine. Natuur 547, 236–240 (2017).

Hnisz, D., Shrinivas, K., Young, R.A., Chakraborty, A.K. & Sharp, P.A. Een fasescheidingsmodel voor transcriptionele controle. Cel 169, 13–23 (2017).

Plys, A.J. & Kingston, R.E. Dynamische condensaten activeren transcriptie. Wetenschap 361, 329–330 (2018).

Altmeyer, M. et al. Vloeibare ontmenging van intrinsiek ongeordende eiwitten wordt gezaaid door poly (ADP-ribose). nat. gemeenschappelijk. 6, 8088 (2015).

Oshidari, R. et al. DNA-reparatie door Rad52-vloeistofdruppels. nat. gemeenschappelijk. 11, 695 (2020).

Abraham, K.J. et al. Nucleolair RNA-polymerase II stuurt ribosoombiogenese aan. Natuur 585, 298–302 (2020).

Aguzzi, A. & Altmeyer, M. Fasescheiding: cellulaire compartimentering koppelen aan ziekte. Trends Cell Biol. 26, 547–558 (2016).

Forman-Kay, J.D., Kriwacki, R.W. & Seydoux, G. Fasescheiding in biologie en ziekte. J. Mol. Biol. 430, 4603–4606 (2018).

Alberti, S. & Dormann, D. Vloeistof-vloeistof fasescheiding bij ziekte. Ann. Rev. Genet. 53, 171–194 (2019).

Babinchak, W. M. & Surewicz, W. K. Vloeistof-vloeistof fasescheiding en zijn mechanistische rol bij pathologische eiwitaggregatie. J. Mol. Biol. 432, 1910–1925 (2020).

Pak, C.W. et al. Sequentiedeterminanten van intracellulaire fasescheiding door complexe coacervatie van een ongeordend eiwit. Mol. Cel 63, 72–85 (2016).

Vernon, R.M. et al. Pi-Pi-contacten zijn een over het hoofd gezien eiwitkenmerk dat relevant is voor fasescheiding. leven 7, e31486 (2018).

Boeynaems, S. et al. Eiwitfasescheiding: een nieuwe fase in de celbiologie. Trends Cell Biol. 28, 420–435 (2018).

Li, P. et al. Faseovergangen in de assemblage van multivalente signaaleiwitten. Natuur 483, 336–340 (2012).

Banjade, S. & Rosen, M.K. Faseovergangen van multivalente eiwitten kunnen clustering van membraanreceptoren bevorderen. leven 3, e04123 (2014).

Jain, A. & Vale, R.D. RNA-faseovergangen bij herhaalde expansiestoornissen. Natuur 546, 243–247 (2017).

Fay, M. M. & Anderson, P. J. De rol van RNA in biologische fasescheidingen. J. Mol. Biol. 430, 4685–4701 (2018).

Garcia-Jove Navarro, M. et al. RNA is een cruciaal element voor de dimensionering en de samenstelling van fasegescheiden RNA-eiwitcondensaten. nat. gemeenschappelijk. 10, 3230 (2019).

Kwon, Y. & Chung, Y. D. RNA-gemedieerde regulatie van chromatinestructuren. Genen Genomica 42, 609–617 (2020).

Lin, Y., Protter, D.S., Rosen, M.K. & Parker, R. Vorming en rijping van in fase gescheiden vloeistofdruppels door RNA-bindende eiwitten. Mol. Cel 60, 208–219 (2015).

Lin, Y., Currie, S.L. & Rosen, M.K. Intrinsiek ongeordende sequenties maken modulatie van eiwitfasescheiding mogelijk door gedistribueerde tyrosinemotieven. J. Biol. Chem. 292, 19110–19120 (2017).

Oldfield, C.J. & Dunker, A.K. Intrinsiek ongeordende eiwitten en intrinsiek ongeordende eiwitregio's. Ann. ds. Biochem. 83, 553–584 (2014).

Uversky, V. N. Intrinsiek ongeordende eiwitten in een overvol milieu: membraanloze organellen, fasescheiding en intrinsieke wanorde. Curr. Opin. structuur. Biol. 44, 18–30 (2017).

Bah, A. & Forman-Kay, J.D. Modulatie van intrinsiek ongeordende eiwitfunctie door post-translationele modificaties. J. Biol. Chem. 291, 6696–6705 (2016).

Monahan, Z. et al. Fosforylering van het FUS-domein met lage complexiteit verstoort fasescheiding, aggregatie en toxiciteit. EMBO J. 36, 2951–2967 (2017).

Murray, D.T. et al. Structuur van FUS-eiwitfibrillen en de relevantie ervan voor zelfassemblage en fasescheiding van domeinen met een lage complexiteit. Cel 171, 615-627.e616 (2017).

Owen, I. & Shewmaker, F. De rol van post-translationele modificaties in de fase-overgangen van intrinsiek ongeordende eiwitten. Int. J. Mol. Wetenschap. 20, 5501 (2019).

Riback, J.A. et al. Stress-getriggerde fasescheiding is een adaptieve, evolutionair afgestemde reactie. Cel 168, 1028-1040.e1019 (2017).

Ehrenberg, L. Invloed van temperatuur op de nucleolus en zijn coacervaatkarakter. Hereditas 32, 407–418 (1946).

Weber, S.C. & Brangwynne, C.P. Inverse grootteschaling van de nucleolus door een concentratieafhankelijke faseovergang. Curr. Biol. 25, 641–646 (2015).

Feric, M. et al. Naast elkaar bestaande vloeibare fasen liggen ten grondslag aan nucleolaire subcompartimenten. Cel 165, 1686–1697 (2016).

Hyman, A. A., Weber, C. A. & Jülicher, F. Vloeistof-vloeistof fasescheiding in de biologie. Ann. Eerwaarde Cell Dev. Biol. 30, 39–58 (2014).

McSwiggen, D.T., Mir, M., Darzacq, X. & Tjian, R. Evaluatie van fasescheiding in levende cellen: diagnose, voorbehouden en functionele gevolgen. Genen Dev. 33, 1619–1634 (2019).

Olins, A.L. & Olins, D.E. Sferoïde chromatine-eenheden (v-lichamen). Wetenschap 183, 330–332 (1974).

Wang, J., Jia, S. T. & Jia, S. Nieuwe inzichten in de regulatie van heterochromatine. Trends Genet. 32, 284–294 (2016).

Allshire, R.C. & Madhani, H.D. Tien principes van heterochromatinevorming en -functie. nat. ds. Mol. Cel Biol. 19, 229–244 (2018).

Mekhail, K., Seebacher, J., Gygi, S. P. & Moazed, D. Rol voor perinucleaire chromosoombinding bij het handhaven van genoomstabiliteit. Natuur 456, 667–670 (2008).

Mekhail, K. & Moazed, D. De nucleaire envelop in genoomorganisatie, expressie en stabiliteit. nat. ds. Mol. Cel Biol. 11, 317–328 (2010).

Ostrowski, L.A. et al. Geconserveerd Pbp1 / Ataxin-2 reguleert retrotransposon-activiteit en verbindt door polyglutamine-expansie aangedreven eiwitaggregatie met levensduur-controlerende rDNA-herhalingen. gemeenschappelijk. Biol. 1, 187 (2018).

Peters, A.H. et al. Partitionering en plasticiteit van repressieve histonmethyleringstoestanden in zoogdierchromatine. Mol. Cel 12, 1577–1589 (2003).

Lachner, M., O'Carroll, D., Rea, S., Mechtler, K. & Jenuwein, T. Methylering van histon H3-lysine 9 creëert een bindingsplaats voor HP1-eiwitten. Natuur 410, 116–120 (2001).

Brasher, S.V. et al. De structuur van muis HP1 suggereert een unieke manier van herkenning van één peptide door het schaduwchromodomeindimeer. EMBO J. 19, 1587–1597 (2000).

Cowieson, N.P., Partridge, J.F., Allshire, R.C. & McLaughlin, P.J.Dimerisatie van een chromoschaduwdomein en onderscheid met het chromodomein zoals onthuld door structurele analyse. Curr. Biol. 10, 517–525 (2000).

Machida, S. et al. Structurele basis van heterochromatinevorming door humaan HP1. Mol. Cel 69, 385-397.e388 (2018).

Sanulli, S. et al. HP1 hervormt nucleosoomkern om fasescheiding van heterochromatine te bevorderen. Natuur 575, 390–394 (2019).

Erdel, F. et al. Muisheterochromatine neemt digitale verdichtingstoestanden aan zonder kenmerken van HP1-aangedreven vloeistof-vloeistoffasescheiding te vertonen. Mol. Cel 78, 236-249.e237 (2020).

Gibson, B.A. et al. Organisatie van chromatine door intrinsieke en gereguleerde fasescheiding. Cel 179, 470-484.e421 (2019).

Fujisawa, T. & Filippakopoulos, P. Functies van broomdomeinbevattende eiwitten en hun rol in homeostase en kanker. nat. ds. Mol. Cel Biol. 18, 246–262 (2017).

Wang, L. et al. Rett-syndroom-veroorzakende mutaties brengen MeCP2-gemedieerde vloeistof-vloeistoffasescheiding van chromatine in gevaar. Cel res. 30, 393–407 (2020).

Cramer, P. Organisatie en regulatie van gentranscriptie. Natuur 573, 45–54 (2019).

Whyte, W.A. et al. Meestertranscriptiefactoren en mediator zorgen voor superversterkers bij belangrijke celidentiteitsgenen. Cel 153, 307–319 (2013).

Hnisz, D. et al. Superversterkers bij de controle van celidentiteit en ziekte. Cel 155, 934–947 (2013).

Fukaya, T., Lim, B. & Levine, M. Enhancer-controle van transcriptionele bursting. Cel 166, 358–368 (2016).

Sabari, B.R. et al. Co-activatorcondensatie bij superversterkers verbindt fasescheiding en gencontrole. Wetenschap 361, aar3958 (2018).

Boija, A. et al. Transcriptiefactoren activeren genen door de fasescheidingscapaciteit van hun activeringsdomeinen. Cel 175, 1842-1855.e1816 (2018).

Cho, W.K. et al. Mediator- en RNA-polymerase II-clusters associëren in transcriptie-afhankelijke condensaten. Wetenschap 361, 412–415 (2018).

Chong, S. et al. Beeldvorming van dynamische en selectieve domeininteracties met een lage complexiteit die gentranscriptie regelen. Wetenschap 361, aar2555 (2018).

Cai, D. et al. Fasescheiding van YAP reorganiseert genoomtopologie voor YAP-doelgenexpressie op lange termijn. nat. Cel Biol. 21, 1578–1589 (2019).

Lu, Y. et al. Fasescheiding van TAZ compartimenteert de transcriptiemachinerie om genexpressie te bevorderen. nat. Cel Biol. 22, 453–464 (2020).

Han, X. et al. Rollen van de BRD4 korte isovorm in fasescheiding en actieve gentranscriptie. nat. structuur. Mol. Biol. 27, 333–341 (2020).

Kwon, I. et al. Fosforylatie-gereguleerde binding van RNA-polymerase II aan vezelachtige polymeren van domeinen met een lage complexiteit. Cel 155, 1049–1060 (2013).

Patel, A. et al. Een overgang van vloeistof naar vaste fase van het ALS-eiwit FUS versneld door ziektemutatie. Cel 162, 1066–1077 (2015).

Meng, Z., Moroishi, T. & Guan, K.L. Mechanismen van Hippo-pathwayregulatie. Genen Dev. 30, 1–17 (2016).

Boehning, M. et al. RNA-polymerase II-clustering door fasescheiding van het carboxy-terminale domein. nat. structuur. Mol. Biol. 25, 833–840 (2018).

Lu, H. et al. Fasescheidingsmechanisme voor C-terminale hyperfosforylering van RNA-polymerase II. Natuur 558, 318–323 (2018).

Guo, Y.E. et al. Pol II-fosforylering reguleert een omschakeling tussen transcriptionele en splicingcondensaten. Natuur 572, 543–548 (2019).

Kilic, S. et al. Fasescheiding van 53BP1 bepaalt vloeistofachtig gedrag van DNA-reparatiecompartimenten. EMBO J. 38, e101379 (2019).

Pessina, F. et al. Functionele transcriptiepromoters bij DNA-dubbelstrengsbreuken bemiddelen door RNA aangestuurde fasescheiding van schade-responsfactoren. nat. Cel Biol. 21, 1286–1299 (2019).

Singatulina, A.S. et al. PARP-1-activering leidt FUS naar DNA-beschadigingsplaatsen om PARG-reversibele compartimenten te vormen die zijn verrijkt met beschadigd DNA. Cel vertegenwoordiger 27, 1809-1821.e1805 (2019).

Ray Chaudhuri, A. & Nussenzweig, A. De veelzijdige rollen van PARP1 bij DNA-reparatie en chromatine-remodellering. nat. ds. Mol. Cel Biol. 18, 610–621 (2017).

Jungmichel, S. et al. Proteoombrede identificatie van poly(ADP-Ribosyl)ation-targets in verschillende genotoxische stressreacties. Mol. Cel 52, 272–285 (2013).

Mastrocola, A.S., Kim, S.H., Trinh, A.T., Rodenkirch, L.A. & Tibbetts, R.S. Het RNA-bindende eiwit gefuseerd in sarcoom (FUS) functioneert stroomafwaarts van poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) als reactie op DNA-schade. J. Biol. Chem. 288, 24731–24741 (2013).

Rulten, S.L. et al. PARP-1-afhankelijke rekrutering van het met amyotrofe laterale sclerose geassocieerde eiwit FUS/TLS naar plaatsen van oxidatieve DNA-schade. Nucleïnezuren Res. 42, 307–314 (2014).

Thandapani, P., O'Connor, T.R., Bailey, T.L. & Richard, S. Het RGG/RG-motief definiëren. Mol. Cel 50, 613–623 (2013).

Teloni, F. & Altmeyer, M. Lezers van poly (ADP-ribose): ontworpen om geschikt te zijn voor het doel. Nucleïnezuren Res. 44, 993–1006 (2016).

Deng, Q. et al. FUS wordt gefosforyleerd door DNA-PK en hoopt zich op in het cytoplasma na DNA-schade. J. Neurosci. 34, 7802–7813 (2014).

Naumann, M. et al. Verminderde DNA-schaderesponssignalering door FUS-NLS-mutaties leidt tot neurodegeneratie en FUS-aggregaatvorming. nat. gemeenschappelijk. 9, 335 (2018).

Mirman, Z. & de Lange, T. 53BP1: een DSB-escorte. Genen Dev. 34, 7–23 (2020).

Pryde, F. et al. 53BP1 wisselt langzaam uit op de plaatsen van DNA-schade en lijkt RNA nodig te hebben voor zijn associatie met chromatine. J. Cel Wetenschap. 118, 2043–2055 (2005).

Francia, S., Cabrini, M., Matti, V., Oldani, A. & d'Adda di Fagagna, F. DICER, DROSHA en DNA-schaderespons-RNA's zijn nodig voor de secundaire rekrutering van DNA-schaderesponsfactoren. J. Cel Wetenschap. 129, 1468–1476 (2016).

Michelini, F. et al. Door schade geïnduceerde lncRNA's regelen de reactie op DNA-schade door interactie met DDRNA's bij individuele dubbelstrengs breuken. nat. Cel Biol. 19, 1400–1411 (2017).

Oshidari, R. et al. Nucleaire microtubuli-filamenten bemiddelen niet-lineaire directionele beweging van chromatine en bevorderen DNA-herstel. nat. gemeenschappelijk. 9, 2567 (2018).

Shin, Y. et al. Vloeibare kerncondensaten detecteren en herstructureren het genoom mechanisch. Cel 175, 1481–1491 (2018).

Torres-Rosell, J. et al. Het Smc5-Smc6-complex en de SUMO-modificatie van Rad52 reguleert recombinatieherstel op de ribosomale genlocus. nat. Cel Biol. 9, 923–931 (2007).

Chiolo, I. et al. Dubbelstrengige breuken in heterochromatine verplaatsen zich buiten een dynamisch HP1a-domein om recombinatieherstel te voltooien. Cel 144, 732–744 (2011).

Ryu, T. et al. Heterochromatische breuken verplaatsen zich naar de nucleaire periferie om het recombinatieherstel voort te zetten. nat. Cel Biol. 17, 1401–1411 (2015).

Oshidari, R., Mekhail, K. & Seeber, A. Mobiliteit en reparatie van beschadigd DNA: willekeurig of gericht? Trends Cell Biol. 30, 144–156 (2019).

Hubstenberger, A. et al. P-lichaamszuivering onthult de condensatie van onderdrukte mRNA-regulonen. Mol. Cel 68, 144-157.e145 (2017).


Enzymen

Enzymen zijn eiwitten die het vermogen hebben om substraat op hun actieve plaats te binden en vervolgens het gebonden substraat chemisch te modificeren en het in een ander molecuul om te zetten - de Product van de reactie. Substraten binden aan enzymen net zoals liganden binden aan eiwitten. Wanneer substraten echter aan enzymen binden, ondergaan ze een door enzymen geïnduceerde chemische verandering en worden ze omgezet in producten.

Figuur 4. Vergelijk de eiwit-ligand interactie met de enzym-substraat interactie. Merk op dat zowel bindende eiwitten als enzymen bindingsplaatsen hebben voor respectievelijk hun liganden (L) en substraten (S). Dit deel van het enzym wordt de actieve plaats genoemd omdat het ook aminozuren bevat die belangrijk zijn voor de omzetting van substraat in product.

Het substraat bindt aan het enzym door interactie met aminozuren in de bindingsplaats. De bindingsplaats op enzymen wordt vaak de actieve site omdat het aminozuren bevat die zowel het substraat binden als helpen bij de omzetting in product.

Vaak kun je aan de naam herkennen dat een eiwit een enzym is. Veel enzymnamen eindigen op –ase. Het enzym lactase wordt bijvoorbeeld gebruikt om de suikerlactose, die in zoogdiermelk wordt aangetroffen, af te breken. Andere enzymen zijn bekend onder een algemene naam, zoals pepsine, een enzym dat helpt bij de vertering van eiwitten in uw maag door de peptidebindingen in de eiwitten te verbreken.

Enzymen zijn katalysatoren, wat betekent dat ze een reactie sneller laten verlopen, maar de enzymen zelf worden niet veranderd door de algehele reactie. Bekijk deze afbeelding om te zien hoe enzymen werken.

Figuur 5. Vereenvoudigde enzymatische reactie. Het substraat bindt reversibel aan de actieve plaats van het enzym en vormt het enzym-substraat (ES) complex. Het gebonden substraat wordt omgezet in product door katalytische groepen in de actieve plaats, waardoor het enzym-productcomplex (EP) wordt gevormd. De gebonden producten worden vrijgegeven, waardoor het enzym terugkeert naar zijn ongebonden vorm, klaar om een ​​nieuwe ronde van het omzetten van substraat in product te katalyseren.

De aminozuren in de actieve plaats van enzymen spelen twee rollen, en soms overlappen die rollen elkaar. Sommige aminozuren in de actieve plaats zijn verantwoordelijk voor de binding van het substraat en andere zijn verantwoordelijk voor het vergemakkelijken van de chemische reactie. Enzymen zijn over het algemeen vrij specifiek voor hun substraten. Hoewel lactase en pepsine beide hetzelfde type reactie katalyseren, werkt het verbreken van een binding met water (hydrolyse: '8220hydro'8221 betekent '8220water'8221 en '8220lysis'8221 betekent 'verbreken', lactase werkt alleen wanneer lactose is het substraat en pepsine kan alleen peptidebindingen verbreken.

Oefenvraag

Twee substraten - lactose en een kort eiwit - worden links getoond. Rechts staan ​​twee enzymen, aangeduid met A en B. Welke van de twee enzymen is lactase?


Hoe enzymen werken

Figuur 6. Schema van een katalytische reactie die het verschil in activeringsenergie in niet-gekatalyseerde en gekatalyseerde reactie laat zien. Het enzym vermindert de energiebarrière die nodig is om het substraat te activeren, waardoor meer substraten kunnen worden geactiveerd, wat de snelheid van productvorming verhoogt. Merk op dat het energieverschil tussen het substraat en het product niet wordt veranderd door het enzym.

Bij alle chemische reacties is er een eerste toevoer van energie die nodig is voordat de reactie kan plaatsvinden. Als deze initiële energiebehoefte (de activeringsenergie of energiebarrière genoemd) klein is, zal de reactie snel en gemakkelijk plaatsvinden. Als de activeringsenergie groot is, duurt het langer voordat de reactie plaatsvindt. Enzymen werken om de activeringsenergie te verminderen die nodig is om een ​​chemische reactie te laten plaatsvinden.

Ten eerste bindt het enzym zich aan het substraat en vervormt het de vorm enigszins. De verandering in vorm activeert het substraatmolecuul en vermindert de totale activeringsenergie die nodig is om het substraat in product te veranderen. Naarmate het aantal geactiveerde substraatmoleculen toeneemt, neemt ook de omzetting van substraat in product toe. Een analogie voor dit effect is een skiheuvel, waarbij skiërs aan de onderkant van de ene kant van de heuvel substraten voorstellen, skiërs op de top van de heuvel geactiveerde substraten en de producten het aantal skiërs dat aan de andere kant naar beneden skiën. Als de hoogte van de heuvel wordt verlaagd (vanwege de aanwezigheid van het enzym), kunnen meer skiërs de top bereiken, waardoor het aantal dat naar beneden skiet toeneemt om producten te worden.

Oefenvragen

Vul de blanco in: Wanneer een enzym een ​​reactie katalyseert, ________.

  1. het verhoogt de activeringsenergie van de reactie.
  2. het wordt een keer gebruikt en weggegooid.
  3. het wordt een product.
  4. het werkt als een reactant.
  5. het verlaagt de activeringsenergie van de reactie.

Wat gebeurt er met de snelheid waarmee een chemische reactie verloopt als de activeringsenergie wordt verhoogd?

  1. De reactie zal sneller plaatsvinden (in een hoger tempo).
  2. De reactie zal langzamer verlopen (met een lagere snelheid).
  3. De reactiesnelheid zal niet veranderen.

Samengevat: Chemische reacties

De buitenste elektronenschil bepaalt hoe gemakkelijk en welk type chemische bindingen een bepaald atoom zal vormen. De vorming van verbindingen wordt vaak visueel geschetst in chemische vergelijkingen die de reactanten laten zien die deelnemen aan chemische reacties om producten te vormen.

Anabole routes assembleren grote moleculen tot kleinere. Katabole routes breken grote moleculen in kleine stukjes.

Enzymen zijn eiwitten die reacties versnellen door de activeringsenergie te verminderen. Elk enzym bindt typisch slechts één substraat. Enzymen worden niet verbruikt tijdens een reactie, maar zijn beschikbaar om nieuwe substraten te binden en dezelfde reactie herhaaldelijk te katalyseren.


Bekijk de video: Biochemie 4 aminozuren peptide dipeptide polypeptide (Januari- 2022).