Informatie

5.8: Waarom het belangrijk is - Cellulaire structuur - Biologie


Waarom is het belangrijk om over cellen te leren?

De cel is de structurele, functionele en biologische basiseenheid van alle bekende levende organismen: alle levende wezens bestaan ​​uit cellen (of in sommige gevallen een enkele cel). Elk van deze verschillende eenheden - membranen, organellen, filamenten, enz. - vervult een unieke functie die het leven vergemakkelijkt.

Probeer het

Wanneer een specifiek organel niet goed presteert, kan dit leiden tot verschillende ziekten. De volgende ziekten zijn bijvoorbeeld direct gekoppeld aan specifieke cellulaire componenten:

  • Ziekte van Pompe: gekenmerkt door overmatige ophoping van glycogeen in spiercellen
  • Ziekte van Leigh: progressieve aandoening van laesies (dode of stervende cellen) in de hersenen
  • Emery-Dreifuss spierdystrofie: verlies en zwakte in de spieren van de schouders, bovenarmen en kuitspieren

Met welke cellulaire componenten zou elk van deze kunnen worden verbonden? Als u begrijpt hoe cellulaire componenten werken, kunt u gezondheidsproblemen met betrekking tot de cellulaire functie begrijpen.


Wat is ATP en waarom is het belangrijk?

Wat is ATP en waarom is het belangrijk?
ATP staat voor adenosinetrifosfaat. Het is een molecuul dat wordt aangetroffen in de cellen van levende organismen. Er wordt gezegd dat het erg belangrijk is omdat het de energie transporteert die nodig is voor alle cellulaire metabolische activiteiten. Het wordt de universele eenheid van energie voor levende organismen genoemd. Zonder ATP kunnen verschillende metabolische activiteiten in het menselijk lichaam niet plaatsvinden.

ATP bestaat uit één adeninemolecuul en drie fosfaatmoleculen. Deze moleculen worden geproduceerd via verschillende processen, waaronder cellulaire ademhaling en fosforylering. ATP-moleculen worden de aanjagers van het cellulaire metabolisme genoemd. Ze dragen de energie die nodig is voor een bepaalde cellulaire activiteit. Een ander belangrijk aspect van dit molecuul is dat het recyclebaar is. Nadat ze zijn opgebruikt in een bepaald metabolisch proces, worden ze weer omgezet in de voorlopers, waardoor ze opnieuw kunnen worden gebruikt.

Maar afgezien van het transporteren van energie voor cellulaire activiteiten, helpt ATP ook bij het handhaven van een goede celstructuur. Cellen hebben een buitenste laag die celmembranen worden genoemd en deze worden onderhouden en beschermd om te voorkomen dat vreemde stoffen binnendringen. Dit mechanisme is erg belangrijk bij het voorkomen van infecties en verschillende ziekten in het lichaam. ATP is ook belangrijk in het proces dat DNA-synthese wordt genoemd. In dit proces voorziet ATP opnieuw in de energiebehoefte om deze cellulaire activiteit te laten plaatsvinden. In het spierstelsel levert ATP de energie die nodig is voor spiercontractie. Door zijn werking op actine- en myosinefilamenten die aanwezig zijn op spiervezels, zorgt ATP voor verkorting en verlenging van deze vezels om beweging en voortbeweging mogelijk te maken.

ATP ondersteunt bijna alle metabolische cellulaire activiteiten van het menselijk lichaam. In andere levende organismen zoals planten helpt ATP ook bij het proces dat fotosynthese wordt genoemd. In gisten is ATP ook betrokken bij het fermentatieproces. In kleine organismen zoals schimmels helpt ATP bij het ademhalingsproces. Met zijn verschillende functies in belangrijke cellulaire activiteiten van levende organismen, wordt ATP beschouwd als een essentieel molecuul.


Abstract

Metabolic engineering gebruikt enzymen als onderdelen om biosystemen te bouwen voor specifieke taken. Hoewel de levensduur en faalwijzen van een onderdeel belangrijke technische prestatie-indicatoren zijn, is dit nog niet het geval bij metabole engineering, omdat het niet bekend is hoe lang enzymen in vivo functioneel blijven of dat cumulatieve achteruitgang (slijtage), plotseling willekeurig falen of andere veroorzaakt schijfvervanging. Bijgevolg kunnen enzymen niet worden ontwikkeld om de levensduur te verlengen en de hoge energiekosten van vervanging te verlagen. Geleid door katalysatortechniek hebben we katalytische cycli tot vervanging (CCR) aangenomen als een maatstaf voor de functionele levensduur van het enzym in vivo. CCR is het aantal katalytische cycli dat een enzym in vivo bemiddelt vóór falen of vervanging, d.w.z. metabole fluxsnelheid/eiwitomzettingssnelheid. We gebruikten geschatte fluxen en gemeten eiwitomzettingssnelheden om CCR's te berekenen voor ∼ 100-200 enzymen elk van Lactococcus lactis, gist, en Arabidopsis. CCR's in deze organismen hadden vergelijkbare bereiken (<103 tot >10 7 ) maar verschillende mediane waarden (3–4 × 104 in L. lactis en gist versus 4 × 105 in Arabidopsis). In alle organismen hadden enzymen waarvan de substraten, producten of mechanismen reactieve aminozuurresiduen kunnen aanvallen significant lagere mediane CCR-waarden dan andere enzymen. Samen met de literatuur over op mechanismen gebaseerde inactivatie ondersteunt de laatste bevinding het voorstel dat 1) willekeurige beschadiging van de actieve plaats door reactiechemie een belangrijke oorzaak is van enzymfalen, en 2) reactieve niet-katalytische residuen in de regio van de actieve plaats waarschijnlijk bijdragen aan schadegevoeligheid. Enzym-engineering om de CCR's te verhogen en de vervangingskosten te verlagen, kan dus zowel gunstig als haalbaar zijn.

Terwijl de synthetische biologie-revolutie technische principes en praktijken in de biowetenschappen brengt, worden biomoleculen heroverwogen als componenten die worden gebruikt om nieuwe biosystemen te bouwen en bestaande te verbeteren (1 –3). Enzymen - de werkende delen van metabole systemen - zijn doelen voor deze heroverweging en krijgen in toenemende mate een nieuwe bestemming door rationeel ontwerp en gerichte evolutie (4).

Substraatspecificiteit, katalytische efficiëntie en expressieniveau zijn algemene prestatiespecificaties voor enzymonderdelen in metabole engineering, maar de levensduur is dat niet, ondanks de centrale rol ervan in andere technische gebieden. Het kennen van de levensduur van een technisch onderdeel (hoe lang het meegaat) is van cruciaal belang om systeemstoringen te voorkomen en onderhoudsschema's te optimaliseren (5). Storingsstatistieken zoals "gemiddelde tijd tot falen" (6) worden daarom veel gebruikt in de engineering, die drie soorten fouten onderscheidt: vroeg, versleten en willekeurig of stochastisch. Alle drie hebben tegenhangers in enzymen die in vivo werken (figuur 1 .).EEN) (7 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –18), maar slijtage en willekeurige storingen (Fig. 1EEN, rood lettertype) zijn het meest relevant voor de lengte van het beroepsleven.

Het technische concept van het falen van componenten en de toepassing ervan op enzymen in vivo. (EEN) De soorten storingen in gefabriceerde componenten en hun tegenhangers in enzymen die in vivo werken. (B) Schematische weergave van de tijdsafhankelijkheid van het risicopercentage en de cumulatieve kans (toenemende kleurdichtheid) dat een afzonderlijk onderdeel defect zal raken.

In gefabriceerde systemen worden slijtagefouten veroorzaakt door cumulatieve achteruitgangsprocessen of door gebruiksafhankelijke slijtage (Fig. 1 .).EEN). Zoals alle eiwitten zijn enzymen onderhevig aan cumulatieve verslechtering door oxidatie, racemisatie of andere chemische gebeurtenissen ("eiwitvermoeidheid") die elk deel van het molecuul kunnen aantasten en de functie ervan kunnen verminderen (9 –11). Gebruiksafhankelijke slijtage heeft echter geen equivalent in enzymen, d.w.z. de enzymprestaties worden niet progressief verslechterd door de werking van de katalytische cyclus zoals een lager elke keer dat het draait een beetje versleten is (Fig. 1EEN). In plaats daarvan kan een willekeurige katalytische ontsteking of een chemische aanval door een substraat of product op een kwetsbaar residu in het actieve gebied een enzym onmiddellijk inactiveren, ongeacht de leeftijd (14 ⇓ ⇓ ⇓ –18). Dergelijke storingen hebben dus een constant risicopercentage en zijn willekeurig of stochastisch, zoals het abrupte falen van een transistor als gevolg van een stroomstoot (Fig. 1EEN).

Hoewel het risico van willekeurig falen niet afhangt van de leeftijd van een onderdeel, neemt de cumulatieve kans dat een afzonderlijk onderdeel een willekeurig falen zal ervaren met de tijd toe (Fig. 1B). Als het lang genoeg duurt, kunnen bepaalde soorten enzymmoleculen dus gedoemd zijn tot een terminaal, katalysegerelateerd ongeval. Dergelijke zelfopgelegde inactiveringsprocessen zijn belangrijke overwegingen voor industriële enzymen (dwz enzymen die ex vivo als reagentia worden gebruikt) en het aantal katalytische cycli dat elk enzymmolecuul tijdens zijn leven uitvoert - vaak "totaal omzetgetal" genoemd - is een belangrijke industriële prestatiecriterium (19 ⇓ –21).

Het aantal katalytische cycli dat wordt gemedieerd vóór zelfinactivatie zou ook de sleutel kunnen zijn tot de in vivo enzymprestaties. Recent proteomisch bewijs wijst op schade door de gekatalyseerde reactie als een belangrijke oorzaak van enzymfalen en op de mogelijkheid dat sommige reacties meer schade aanrichten dan andere. Dus in de bacterie Lactococcus lactis, ging een vijfvoudige toename van de groeisnelheid gepaard met een zevenvoudige toename van de eiwitomzetsnelheid (22). Deze bijna evenredigheid houdt in dat: L. lactis enzymen katalyseren een vergelijkbaar aantal reacties in hun leven, ongeacht de groeisnelheid. Dit past bij reactiegerelateerde schade als oorzaak van falen: hoe sneller de groei, hoe meer flux door reacties, hoe meer schade aan enzymen, en hoe eerder enzymen falen. Evenzo was de eiwitomzetting in gist sneller wanneer enzymen actief werden gebruikt (23). Verder is in L. lactis, gist, en Arabidopsis, omvatten de snelst omzettende metabole enzymen veel met reactieve substraten, producten of tussenproducten (SI-bijlage, Tabel S1) (22 –24), d.w.z. met een hoog risico op spontane chemische schade aan de actieve plaats.

De snelheden waarmee enzymeiwitten worden afgebroken en opnieuw gesynthetiseerd, zijn van cruciaal belang voor de cellulaire energie-economie, omdat een dergelijke omzet ongeveer de helft van het onderhoudsenergiebudget in microben en planten kan verbruiken (22, 25 -27). Hoge omzettingssnelheden van enzymeiwitten verminderen daarom mogelijk de productiviteit van biosystemen, variërend van microbiële fermentaties tot gewassen (26, 28, 29). In overeenstemming met een dergelijke reductie wordt een snelle eiwitomzetting geassocieerd met een lage biomassa-opbrengst in gist (27) en met een lage groeisnelheid in Arabidopsis (30). Ook wordt voorspeld dat het vertragen van de omzet van overvloedige, snelle enzymen de groeisnelheid en biomassaopbrengst in planten (26, 31) en andere organismen (32) aanzienlijk zal verhogen.

Rationeel ontwerp of gerichte evolutie kan nu worden gebruikt om de eiwitomzetsnelheid af te stemmen (33 -35). Voordat we echter beginnen met het verminderen van de enzymturnover, is het essentieel om doelenzymen te definiëren en te begrijpen waarom ze in de eerste plaats snel omslaan. Dienovereenkomstig berekenen en vergelijken we hier de levensduur van enzymen uit drie koninkrijken met behulp van het criterium van "katalytische cycli tot vervanging" (CCR) (33), gedefinieerd als het aantal molen substraat dat per mol enzym wordt omgezet voordat het enzym wordt vervangen, dwz , het volgende: CCR = Metabolische fluxsnelheid Enzymvervangingssnelheid . [1] CCR is het in vivo equivalent van het ex vivo "totale omzetgetal" dat hierboven is genoemd, maar het is een term die de voorkeur heeft omdat het verwarring vermijdt met de term "omzetgetal", een synoniem in de enzymologie voor kkat (20). CCR wordt gezien als een potentiële constante, waarbij reactieslijtage wordt gekoppeld aan afbraaksnelheden om CCR te behouden als een factor die vastzit aan de structurele en (bio)chemische stabiliteit van een bepaald enzym (33). Vervolgens vergelijken we de CCR van elk enzym met zijn reactiechemie en tussen koninkrijken om gedeelde attributen te vinden die ten grondslag liggen aan CCR-waarden. Onze bevindingen impliceren dat CCR's vaak worden beïnvloed door willekeurige nevenschade door de gekatalyseerde reactie en dat enzymen kunnen worden ontwikkeld om deze schade en de daarmee gepaard gaande kosten voor het vervangen van enzymen te verminderen. Meer in het algemeen wijzen de bevindingen op ongevallen die verband houden met katalyse als een belangrijke maar onvoldoende erkende oorzaak van enzymfalen en -vervanging.


Bekijk de video: Celorganellen - ER, Golgi systeem en meer - Binas 79 D - Inleiding biologie #2 (December 2021).