Πληροφορίες

11.1: Δομή και λειτουργία DNA - Βιολογία

11.1: Δομή και λειτουργία DNA - Βιολογία


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Οι γενετικές μας πληροφορίες κωδικοποιούνται μέσα στο μακρομόριο γνωστό ως δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA). Το DNA ανήκει σε μια κατηγορία οργανικών μορίων που ονομάζονται νουκλεϊκά οξέαΤο Ένα νουκλεοτίδιο έχει τρία μέρη: φωσφορικό άλας, ζάχαρη δεοξυριβόζης, και ένα βάση αζώτου.

Υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά νουκλεοτίδια που αποτελούν ένα μόριο DNA, το καθένα διαφέρει μόνο στον τύπο της αζωτούχου βάσης. Αυτά περιλαμβάνουν αδενίνη (ΕΝΑ), θυμίνη (Τ), κυτοσίνη (Γ), και γουανίνη (Ζ), συχνά υποδεικνύεται μόνο με τα πρώτα γράμματα.

Ο James Watson και ο Francis Crick ανακάλυψαν το τρισδιάστατο σχήμα του DNA στις αρχές της δεκαετίας του 1950. Το σχήμα, το οποίο περιέγραψαν ως διπλή έλικα, έχει σχήμα στριμμένης σκάλας.

Ο Γενετικός Κώδικας

Σκεφτείτε τα τέσσερα νουκλεοτίδια που συνθέτουν το DNA ως τα γράμματα ενός αλφαβήτου. Για να γράψετε μια λέξη (στην περίπτωση αυτή ένα αμινοξύ) απαιτούνται τρία «γράμματα» από το αλφάβητό μας. Δεδομένου ότι μόνο περίπου 20 αμινοξέα αποτελούν όλες τις πρωτεΐνες, το να έχετε ένα αλφάβητο τεσσάρων γραμμάτων είναι περισσότερο από αρκετό για να γράψετε τις 20 «λέξεις» (δείτε τους υπολογισμούς που ακολουθούν). Ο γενετικός κώδικας είναι καθολικός (σχεδόν) για όλα τα έμβια όντα. Αυτό σημαίνει ότι ο κώδικας της τριάδας γράφει το ίδιο αμινοξύ σε διαφορετικούς οργανισμούς, από δελφίνια μέχρι φυτά και βακτήρια!

Αλληλουχία Νουκλεοτιδίων# Κωδικοποιημένα αμινοξέα
ένας41 = 4 (δεν αρκεί)
δύο42 = 16 (δεν αρκεί)
τρία43 =64 (περισσότερο από αρκετό)

Η έννοια του γονιδίου

Σκεφτείτε ένα γονίδιο ως ένα τμήμα του DNA σε ένα χρωμόσωμα που κωδικοποιεί μια σειρά αμινοξέων που όταν συνδέονται μεταξύ τους συνθέτουν αυτό που είναι γνωστό ως πολυπεπτίδιοΤο Τα πολυπεπτίδια στη συνέχεια διπλώνονται σε πολύπλοκα τρισδιάστατα σχήματα που γίνονται λειτουργικές πρωτεΐνες.

Το Κεντρικό Δόγμα

Όλοι οι οργανισμοί χρησιμοποιούν τον ίδιο θεμελιώδη μηχανισμό για την γονιδιακή έκφραση.

DNA → RNA → Πολυπεπτίδιο → Πρωτεΐνη

Σύνθεση Πρωτεΐνης

Η σύνθεση πρωτεϊνών είναι μια διαδικασία δύο σταδίων.

DNA —(μεταγραφή)→ RNA —(μετάφραση)→ Πολυπεπτίδιο

Μεταγραφή συμβαίνει όταν οι πληροφορίες από το πρότυπο DNA μεταγράφονται σε άλλη μορφή νουκλεϊκού οξέος γνωστή ως ριβονουκλεϊκό οξύ ή RNA (στην πραγματικότητα αγγελιοφόρο RNA).

Μετάφραση συμβαίνει όταν οι πληροφορίες από τη γλώσσα του νουκλεϊκού οξέος μεταφράζονται στη γλώσσα των πρωτεϊνών.

Μέρος 1: Άσκηση DNA σε πρωτεΐνη

Η ακόλουθη αλληλουχία DNA είναι μέρος του γονιδίου που ελέγχει τα λακκάκια. Αποκωδικοποιήστε το μήνυμα DNA σε mRNA, tRNA και τέλος αμινοξέα. Χρησιμοποιήστε το διάγραμμα γενετικών κωδικών για να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα.

Σημείωση: Ο γενετικός κώδικας βασίζεται στο mRNA (όχι DNA ή tRNA). Όταν ολοκληρώσετε αυτό, θα μπορείτε να προσδιορίσετε τον φαινότυπο του ατόμου από το οποίο προήλθε το DNA. (Εάν η αργινίνη είναι το 3ο αμινοξύ, το άτομο θα έχει λακκάκια.)

DNAκωδικόνιο mRNAtRNA αντικωδικόνιοΑμινοξέων
ντο
σολ
ΕΝΑ
σολ
Τ
ντο
σολ
ντο
ΕΝΑ
Τ
ΕΝΑ
ΕΝΑ
  1. Το άτομο με την παραπάνω ακολουθία έχει λακκάκια;
  2. Ποιες δύο μεγάλες εργασίες εκτελούνται από τον γενετικό μας μηχανισμό;
  3. Τι όνομα ονομάζουμε τρεις νουκλεοτιδικές αλληλουχίες του mRNA;
  4. Πόσες βάσεις DNA χρειάζονται για να κωδικοποιηθεί ένα κωδικόνιο RNA;
  5. Για πόσα αμινοξέα κωδικοποιεί ένα κωδικόνιο RNA;
  6. Τι φέρνει τα αμινοξέα στο ριβόσωμα
  7. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ μεταγραφής και μετάφρασης;
  8. Σωστό ή λάθος: Το μεγαλύτερο μέρος του DNA στο ανθρώπινο γονιδίωμα κωδικοποιεί πρωτεΐνες.

Μέρος 2: Άσκηση σύνθεσης πρωτεϊνών

DNA: 3′ AG C C G T A GAA T T 5′

  1. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον κλώνο DNA ως πρότυπο, σχεδιάσετε μια εικόνα του πλήρους μορίου DNA. Περιλαμβάνω όλα μέρη του μορίου του DNA. Δεν χρειάζεται να σχεδιάσετε το μόριο σας με ατομική ακρίβεια.
  2. Τώρα σχεδιάστε μια πλήρη εικόνα του κλώνου mRNA που θα γίνει από αυτό το DNA. Επιγραφή τα άκρα 5 ′ και 3 of του κλώνου mRNA σας. (Χρησιμοποιήστε το δεδομένο κλώνο DNA στο επάνω μέρος αυτής της σελίδας ως πρότυπό σας.)
  3. Υποδείξτε προσεκτικά τα κωδικόνια που υπάρχουν στον κλώνο mRNA από την ερώτηση 2.
  4. Σχεδίασε ένα πλήρης εικόνα όλων των μορίων tRNA που θα ταιριάζουν με τα κωδικόνια από την προηγούμενη ερώτηση. Περιλαμβάνω όλα κατάλληλα αμινοξέα στην εικόνα σας και μην ανακατεύετε τη σειρά τους!
  5. Σχεδιάστε μια εικόνα της ολοκληρωμένης πρωτεΐνης που κωδικοποιείται από αυτόν τον κλάδο του DNA (οι συντομογραφίες είναι καλές). Δείξτε τα αμινοξέα με την ίδια σειρά που θα παρατηρούσαν στην τελική πρωτεΐνη.

Μέρος 3: Πρωτεϊνική σύνθεση Bingo

Συμπληρώστε τα κουτιά με 16 από τα 20 αμινοξέα. Κάθε τετράγωνο bingo θα είναι μοναδικό. Στη συνέχεια, ακούστε καθώς οι τυχαίες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων τραβιούνται από το καπέλο. Ακούστε προσεκτικά τι είδους σειρά λέγεται! Χρησιμοποιήστε το γράφημα κωδικονίων mRNA στην προηγούμενη σελίδα για να προσδιορίσετε το αμινοξύ που σχετίζεται με κάθε αλληλουχία. (Εκτυπώσιμη έκδοση εδώ.)

αλανίνη — αλα — Ακυστεΐνη-cys-Cιστιδίνη-του-Ημεθειονίνη—μετ—Μθρεονίνη — θρ — Τ
αργινίνη—arg—Rγλουταμίνη—gln—Qισολευκίνη—ίλε—Ιφαινυλαλανίνη — phe — Fτρυπτοφάνη — trp — W
ασπαραγίνη — asn — Nγλουταμινικό οξύ — γλυ — Ελευκίνη—λευ—Λπρολίνη—προ—Ρτυροσίνη — τυρ — Υ
ασπαρτικό οξύ—asp—Dγλυκίνη-γλύ-Γλυσίνη — λυσ — Κσερίνη—σερ—Σβαλίνη — βαλ — V

Κλήση ακολουθίαςDNA; mRNA; tRNA;CodonAA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

Μέρος 4: Εκχύλιση φύτρων σίτου

Το φύτρο σιταριού είναι το έμβρυο που βλάστηση που περιέχεται σε έναν πυρήνα σιταριού (ο σπόρος σιταριού). Το υπόλοιπο του πυρήνα του σιταριού ονομάζεται ενδοσπέρμιο και είναι ο χώρος αποθήκευσης τροφής για το αναπτυσσόμενο έμβρυο. Ο στόχος μας σήμερα είναι να διασπάσουμε τα κύτταρα μέσα στο φύτρο του σιταριού και να αφαιρέσουμε το DNA.

Υλικά

  • Ωμό, μη φρυγανισμένο φύτρο σιταριού (2 g)
  • Φυσικό μαλακτικό κρέατος Adolph's (χωρίς καρύκευμα)
  • Υγρό απορρυπαντικό πιάτων (Palmolive) (3 mL)
  • 1Μ διττανθρακικό νάτριο-NaHCO3 (5 ml)
  • Παγωμένη 95% αιθανόλη (20 ml)
  • Νερό βρύσης
  • Νερό λουτρό (55 ° C)
  • Ποτήρι ζέσεως 250 ml
  • Θερμόμετρο
  • Διαβαθμισμένος κύλινδρος (10 ml)
  • Ορολογική πιπέτα, 10 mL
  • Γυάλινη ράβδος ανάδευσης
  • Γυάλινος γάντζος DNA
  • Λουτρό πάγου

Διαδικασία

  1. Μετρήστε 45 mL νερό βρύσης στο ποτήρι σας χρησιμοποιώντας τον βαθμολογημένο κύλινδρο και τοποθετήστε το στο λουτρό ζεστού νερού (55 ° C). Αφήστε το λίγα λεπτά να ζεσταθεί. Κάνω δεν αφήστε τη θερμοκρασία του μπάνιου να ξεπεράσει τους 60 ° C!
  2. Ρίξτε 2 γραμμάρια φύτρου σιταριού στο ποτήρι και ανακατέψτε απαλά 3 ml απορρυπαντικού. Επωάστε αυτό το μείγμα στο λουτρό ζεστού νερού για 5 λεπτά.
    1. Τα απορρυπαντικά διαλύουν λιπίδια και πρωτεΐνες που σχηματίζουν τις κυτταρικές μεμβράνες που βρίσκονται στο φύτρο του σίτου διαταράσσοντας τους χημικούς δεσμούς που συγκρατούν τη μεμβράνη μαζί. Αυτό απελευθερώνει το περιεχόμενο του κυττάρου, συμπεριλαμβανομένου του DNA που περιέχεται στον πυρήνα, στο διάλυμα.
    2. Το λουτρό ζεστού νερού μετουσιώνει ένζυμα που διαφορετικά θα μπορούσαν να βλάψουν το DNA και βοηθά επίσης το απορρυπαντικό να λειτουργεί πιο αποτελεσματικά. Εάν το υδατόλουτρό σας είναι πολύ ζεστό, τότε το DNA σας θα καταστραφεί.
  3. Μετά από 5 λεπτά, ανακατέψτε απαλά 2 g τρυφερού κρέατος και 5 mL διαλύματος διττανθρακικού νατρίου 1M. Επωάστε αυτό το μείγμα στους 55° C για επιπλέον 15–20 λεπτά.
    1. Τελικά, ακόμη και στους 55° C, το DNA θα καταστραφεί, επομένως αυτή η επιπλέον περίοδος επώασης δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 15–20 λεπτά.
    2. Το διττανθρακικό νάτριο δρα ως ρυθμιστικό διάλυμα που διατηρεί σχεδόν ουδέτερο pH στο διάλυμα. Αυτό διασφαλίζει ότι το DNA παραμένει σταθερό και επιτρέπει επίσης στο ένζυμο που βρίσκεται στον τρυφερό κρέας να είναι πιο αποτελεσματικό.
    3. Ο τρυφερός κρέατος περιέχει ένα πρωτεολυτικό ένζυμο που αποικοδομεί τις πρωτεΐνες που βρίσκονται στην πυρηνική μεμβράνη, απελευθερώνοντας τελικά το DNA σε διάλυμα.
  4. Μεταφέρετε το ποτήρι ζέσεως που περιέχει το μείγμα φύτρων σιταριού σε παγόλουτρο για λίγα λεπτά για να κρυώσει γρήγορα σε θερμοκρασία δωματίου. Ανακατέψτε απαλά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.
    1. Το παγωμένο λουτρό ψύχει το μείγμα έτσι ώστε το DNA να μην καταστραφεί από τη θερμότητα!
  5. Χρησιμοποιώντας τη ορολογική πιπέτα, στρώστε προσεκτικά 10 mL παγωμένης αλκοόλης πάνω από το διάλυμα του φύτρου σιταριού στο ποτήρι. Αφήστε την αλκοόλη να ρέει από την πιπέτα με το άκρο της πιπέτας να συγκρατείται στην εσωτερική επιφάνεια του ποτηριού, λίγο πάνω από το επίπεδο υγρού. Εάν το DNA δεν εμφανιστεί, επαναλάβετε αυτό το βήμα.
    1. Όταν το διαλυμένο DNA έρχεται σε επαφή με την πολύ κρύα αλκοόλη, η αλκοόλη αφυδατώνει αποτελεσματικά το DNA και καθιζάνει από το διάλυμα. Αυτό συμβαίνει επειδή το DNA είναι αδιάλυτο στην αλκοόλη (και αυτό ισχύει ιδιαίτερα για την παγωμένη ψυχρή αλκοόλη).
    2. Εάν πραγματοποιηθεί με ακρίβεια, θα σχηματιστούν μακρά σκέλη DNA στη διεπιφάνεια μεταξύ της αλκοόλης και του αρχικού διαλύματος. Αυτά μπορούν να περιγραφούν φυσικά χρησιμοποιώντας το γυάλινο άγκιστρο DNA.
  6. Χρησιμοποιώντας το άγκιστρο DNA, προσπαθήστε να περιτυλίξετε το DNA χρησιμοποιώντας μια αργή, στριφογυριστή κίνηση.

Δείξτε το DNA σας στον εκπαιδευτή σας για πίστωση!


Μέθοδος της Χρονιάς 2013

Οι μέθοδοι για την αλληλουχία του DNA και του RNA μεμονωμένων κυττάρων είναι έτοιμοι να μεταμορφώσουν πολλούς τομείς της βιολογίας και της ιατρικής.

Από τη στιγμή που θεωρείται τεχνική πρόκληση που προορίζεται για μερικά εξειδικευμένα εργαστήρια, η αλληλουχία μεταγραφής και γονιδιώματος ενός κυττάρου γίνεται ισχυρή και ευρέως προσβάσιμη. Συναρπαστικές γνώσεις από πρόσφατες μελέτες αποκαλύπτουν τη δυνατότητα κατανόησης της βιολογίας στην ενιαία ανάλυση της ζωής και το περασμένο έτος σηματοδότησε μια καμπή στην ευρεία υιοθέτηση αυτών των μεθόδων για την αντιμετώπιση ποικίλων ερευνητικών ερωτημάτων. Για αυτούς τους λόγους, η αλληλουχία ενός κυττάρου είναι η επιλογή μας για τη Μέθοδο της Χρονιάς για το 2013.

Κάθε κύτταρο είναι μοναδικό—καταλαμβάνει αποκλειστική θέση στο διάστημα, φέρει διακριτά σφάλματα στο αντιγραμμένο γονιδίωμά του και υπόκειται σε προγραμματισμένες και επαγόμενες αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση. Ωστόσο, ο περισσότερος προσδιορισμός αλληλουχίας DNA και RNA πραγματοποιείται σε δείγματα ιστού ή πληθυσμούς κυττάρων, στους οποίους οι βιολογικές διαφορές μεταξύ των κυττάρων μπορούν να αποκρύπτονται με τον μέσο όρο ή να εκλαμβάνονται με τεχνικό θόρυβο.

Οι μεμονωμένες κυτταρικές μέθοδοι προσφέρουν έναν τρόπο διάσπασης αυτής της ετερογένειας. Η αλληλουχία μονοκυτταρικού DNA μπορεί να αποκαλύψει μεταλλάξεις και δομικές αλλαγές στα γονιδιώματα των καρκινικών κυττάρων, τα οποία τείνουν να έχουν υψηλά ποσοστά μετάλλαξης. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περιγραφή της κλωνικής δομής και για τον εντοπισμό της εξέλιξης και εξάπλωσης της νόσου. Αυτές οι προσεγγίσεις αποκαλύπτουν επίσης ένα εκπληκτικό επίπεδο μωσαϊκισμού σε σωματικούς ιστούς όπως ο εγκέφαλος, οι λειτουργικές συνέπειες του οποίου θα πρέπει να αποσαφηνιστούν τα επόμενα χρόνια.

Οι διαφορές μεταξύ των κυττάρων μπορεί να είναι ακόμη μεγαλύτερες σε επίπεδο RNA, ακόμη και σε φαινομενικά ομοιόμορφους πληθυσμούς, όπως ανοσοκύτταρα που έχουν καθαριστεί με βάση δείκτες κυτταρικής επιφάνειας. Το προφίλ μεταγραφώματος ενός κυττάρου μπορεί να εντοπίσει βιολογικά σχετικές διαφορές στα κύτταρα, ακόμη και όταν τα κύτταρα μπορεί να μην είναι διακριτά από γονίδια-δείκτες ή κυτταρική μορφολογία, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ομαδοποίηση κυττάρων με αμερόληπτο τρόπο.

Ένα άλλο πλεονέκτημα της αλληλουχίας ενός κυττάρου είναι ότι καθιστά τα σπάνια κύτταρα πιο προσιτά στην ανάλυση, υπό την προϋπόθεση ότι είναι διαθέσιμες μέθοδοι για την απομόνωση ή τον εμπλουτισμό αυτών των κυττάρων από το ετερογενές περιβάλλον τους. Κύτταρα που έχουν ληφθεί από πολύ συγκεκριμένα χωροχρονικά πλαίσια, συμπεριλαμβανομένων μικροβίων δειγματοληψίας από το περιβάλλον, μπορούν να αξιολογηθούν σε κλίμακα γονιδιώματος. Στην κλινική, η αλληλουχία ενός κυττάρου μπορεί να βοηθήσει με τον προεμφυτευτικό έλεγχο in vitro- γονιμοποιημένα έμβρυα και διαγνωστικά καρκίνου βασισμένα σε σπάνια κυκλοφορούντα καρκινικά κύτταρα που μπορούν να σπέρνουν τον καρκίνο σε απομακρυσμένες θέσεις του σώματος.

Η κεντρική πρόκληση της κλιμάκωσης στο κυτταρικό επίπεδο είναι η σύλληψη μιας τόσο μικρής ποσότητας προτύπου και η ενίσχυση του ώστε να δημιουργηθεί αρκετό υλικό για αλληλουχία υψηλής απόδοσης. Η διατήρηση της πιστότητας και η αποφυγή προκαταλήψεων κατά τη διάρκεια της μεγάλης ενίσχυσης δεν είναι ασήμαντη, αλλά αυτό είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση επαρκούς κάλυψης ακολουθίας, ακριβούς ποσοτικοποίησης και ανίχνευσης της διακύμανσης της ακολουθίας.

Οι πρόσφατες βελτιώσεις πρωτοκόλλου και οι εμπορικές προσφορές συμβάλλουν στη διευκόλυνση της υιοθέτησης προσεγγίσεων αλληλουχίας με ένα κύτταρο. Οι τεχνολογίες μικρορευστοποίησης και μικροκυψελίδων βελτιώνουν επίσης την αναπαραγωγιμότητα και την κλίμακα. Περιγράφουμε μερικές βασικές ροές εργασίας και εκτιμήσεις σε ένα αστάρι (σελ. 18). Σε μια λειτουργία ειδήσεων (σελ. 13), η Kelly Rae Chi τονίζει πώς οι προσεγγίσεις αλληλουχίας μονοκυττάρων εφαρμόζονται ήδη αποτελεσματικά στους τομείς της βιολογικής ανάπτυξης, του καρκίνου και της νευροβιολογίας.

Η αλληλουχία γονιδιώματος ενός κυττάρου μειώνει την πολυπλοκότητα αλληλουχίας των κυτταρικών μιγμάτων. Σε ένα σχόλιο (σελ. 19), ο Paul Blainey και ο Stephen Quake συζητούν πώς αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί για τον προσδιορισμό των συχνοτήτων ανασυνδυασμού στα κύτταρα που υποβάλλονται σε μεΐωση, για να πειράξουν τις μητρικές και πατρικές γονιδιωματικές συνεισφορές ή απλότυπους και να επιτρέψουν τη συγκέντρωση μικροβιακών γονιδιωμάτων δειγματοληψία απευθείας από πολύπλοκα μείγματα στο περιβάλλον.

Σε άλλο Σχόλιο, ο Rickard Sandberg υποστηρίζει ότι εισερχόμαστε σε μια εποχή αλληλουχίας μεταγραφογραμμάτων μονοκυττάρου που θα εμβαθύνει την κατανόησή μας για τη γονιδιακή ρύθμιση και τις κυτταρικές μεταγραφικές καταστάσεις, θα βελτιώσει την ικανότητά μας να εντοπίζουμε διαφορές μεταξύ υγιών και ασθενών ιστών και θα καταγράψει τα σπάνια καρκινικά κύτταρα. σελ. 22).

Εστιάζοντας στην αλληλουχία γονιδιώματος και μεταγραφής, δεν εννοούμε να μειώσουμε τη σημασία των εναλλακτικών μονοκυτταρικών προσεγγίσεων. Άλλες μέθοδοι όπως επί τόπου ο υβριδισμός μπορεί να ανακρίνει αποτελεσματικά αλληλουχίες σε μεμονωμένα κύτταρα επιπλέον της παροχής της φυσικής διεύθυνσης των μεταγραφών ή του DNA σε άθικτο ιστό. Το επιγενωμικό προφίλ μεμονωμένων κυττάρων θα προσθέσει σημαντικές πληροφορίες για τη ρύθμιση των γονιδίων. Πέρα από την αλληλουχία, προσεγγίσεις όπως η κυτταρομετρία μάζας και η φασματομετρία μάζας θα βοηθήσουν στον χαρακτηρισμό της πρωτεϊνικής έκφρασης σε μεμονωμένα κύτταρα σε μεγάλη κλίμακα. Ένα τελευταίο σχόλιο από τον James Eberwine και τους συνεργάτες του (σελ. 25) συζητά τις κατευθύνσεις που θα πρέπει να λάβουν τέτοιες συμπληρωματικές τεχνολογίες για να κατανοήσουν τα μεμονωμένα κύτταρα στο επίπεδο της λειτουργίας τους.

Παρουσιάζουμε επίσης το Methods to Watch (σελ. 28), μια επιλογή μεθόδων ή τομέων μεθοδολογικής ανάπτυξης που πιστεύουμε ότι έχουν ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες δυνατότητες τα επόμενα χρόνια.

Ελπίζουμε να απολαύσετε το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό μας. Ευτυχισμένο το 2014 σε όλους τους αναγνώστες μας!


Φυσικά χαρακτηριστικά

Το σχήμα ενός πυρήνα ποικίλλει από κύτταρο σε κύτταρο, αλλά συχνά απεικονίζεται ως σφαιρικό. Για να κατανοήσετε περισσότερα για τον ρόλο του πυρήνα, διαβάστε για τη δομή και τη λειτουργία καθενός από τα μέρη του.

Πυρηνικός φάκελος και πυρηνικοί πόροι

Ο κυτταρικός πυρήνας δεσμεύεται από μια διπλή μεμβράνη που ονομάζεται πυρηνικό περίβλημαΤο Αυτή η μεμβράνη διαχωρίζει το περιεχόμενο του πυρήνα από το κυτταρόπλασμα, την ουσία που μοιάζει με πηκτή που περιέχει όλα τα άλλα οργανίδια. Ο πυρηνικός φάκελος αποτελείται από φωσφολιπίδια που σχηματίζουν μια λιπιδική διπλή στιβάδα παρόμοια με αυτή της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτή η διπλή στιβάδα λιπιδίων έχει πυρηνικοί πόροι που επιτρέπουν στις ουσίες να εισέρχονται και να εξέρχονται από τον πυρήνα ή να μεταφέρονται από το κυτταρόπλασμα στο πυρηνόπλασμα.

Ο πυρηνικός φάκελος βοηθά στη διατήρηση του σχήματος του πυρήνα. Συνδέεται με το ενδοπλασματικό δίκτυο (ER) με τέτοιο τρόπο ώστε ο εσωτερικός θάλαμος του πυρηνικού περιβλήματος να είναι συνεχής με τον αυλό, ή μέσα, του ER. Αυτό επιτρέπει επίσης τη μεταφορά υλικών επίσης.

Χρωματίνη

Ο πυρήνας φιλοξενεί χρωμοσώματα που περιέχουν DNA. Το DNA περιέχει πληροφορίες κληρονομικότητας και οδηγίες για την ανάπτυξη, ανάπτυξη και αναπαραγωγή των κυττάρων. Όταν ένα κύτταρο «ξεκουράζεται» ή δεν διαιρείται, τα χρωμοσώματά του οργανώνονται σε πολύπλοκες δομές που ονομάζονται χρωματίνη.

Πυρηνόπλασμα

Το πυρηνόπλασμα είναι η ζελατινώδης ουσία μέσα στο πυρηνικό περίβλημα. Ονομάζεται επίσης καρυόπλασμα, αυτό το ημι-υδατικό υλικό είναι παρόμοιο με το κυτταρόπλασμα καθώς αποτελείται κυρίως από νερό με διαλυμένα άλατα, ένζυμα και οργανικά μόρια αιωρούμενα μέσα. Ο πυρήνας και τα χρωμοσώματα περιβάλλονται από νουκλεόπλασμα, το οποίο προστατεύει και προστατεύει το πυρηνικό περιεχόμενο.

Όπως και ο πυρηνικός φάκελος, το νουκλεόπλασμα υποστηρίζει τον πυρήνα για να διατηρήσει το σχήμα του. Παρέχει επίσης ένα μέσο με το οποίο υλικά, όπως ένζυμα και νουκλεοτίδια (υπομονάδες DNA και RNA), μπορούν να μεταφερθούν σε όλο τον πυρήνα στα διάφορα μέρη του.

Nucleolus

Περιέχεται μέσα στον πυρήνα μια πυκνή δομή χωρίς μεμβράνη που αποτελείται από RNA και πρωτεΐνες που ονομάζονται πυρήναΤο Ο πυρήνας περιέχει πυρηνικούς οργανωτές, τα τμήματα των χρωμοσωμάτων που φέρουν τα γονίδια για τη σύνθεση ριβοσωμάτων. Ο πυρήνας βοηθά στη σύνθεση ριβοσωμάτων μεταγράφοντας και συναρμολογώντας υπομονάδες ριβοσωμικού RNA. Αυτές οι υπομονάδες ενώνονται για να σχηματίσουν ριβοσώματα κατά τη διάρκεια της πρωτεϊνικής σύνθεσης.


Αφηρημένη

Η Synthetic Biology Open Language (SBOL) είναι ένα πρότυπο που επιτρέπει τη συνεργατική μηχανική των βιολογικών συστημάτων σε διαφορετικά ιδρύματα και εργαλεία. Το SBOL αναπτύσσεται μέσω προσεκτικής εξέτασης των πρόσφατων τάσεων συνθετικής βιολογίας, πραγματικών περιπτώσεων χρήσης και συναίνεσης μεταξύ κορυφαίων ερευνητών στον τομέα και μελών εμπορικών επιχειρήσεων βιοτεχνολογίας. Καταδεικνύουμε και συζητάμε πώς ένα σύνολο εργαλείων λογισμικού με δυνατότητα SBOL μπορεί να σχηματίσει μια ολοκληρωμένη, δια-οργανωτική ροή εργασίας για να ανακεφαλαιοποιήσει τον σχεδιασμό ενός από τα μεγαλύτερα δημοσιευμένα γενετικά κυκλώματα μέχρι σήμερα, ενός αισθητήρα AND 4 εισόδων. Αυτός ο σχεδιασμός περιλαμβάνει τα δομικά συστατικά του συστήματος, όπως το DNA, το RNA, τα μικρά μόρια και τις πρωτεΐνες του, καθώς και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των συστατικών που καθορίζουν τη συμπεριφορά/λειτουργία του συστήματος. Η αποδεδειγμένη ροή εργασίας και ο σχεδιασμός του κυκλώματος που προκύπτει απεικονίζουν τη χρησιμότητα του SBOL 2.0 στην αυτοματοποίηση της ανταλλαγής δομικών και λειτουργικών προδιαγραφών για γενετικά μέρη, συσκευές και τα βιολογικά συστήματα στα οποία λειτουργούν.


Πώς λειτουργεί το DNA;

Τα γονίδια κωδικοποιούν πρωτεΐνες που εκτελούν κάθε είδους λειτουργίες για τον άνθρωπο (και άλλα ζωντανά όντα). Το ανθρώπινο γονίδιο HBA1, για παράδειγμα, περιέχει οδηγίες για τη δημιουργία της πρωτεΐνης άλφα σφαιρίνη, η οποία αποτελεί συστατικό της αιμοσφαιρίνης, της πρωτεΐνης που μεταφέρει οξυγόνο στα ερυθρά αιμοσφαίρια, σύμφωνα με το NLMΤο Για να πάρουμε ένα άλλο παράδειγμα, το γονίδιο OR6A2 κωδικοποιεί έναν οσφρητικό υποδοχέα, μια πρωτεΐνη που ανιχνεύει οσμές στη μύτη, ανέφεραν οι επιστήμονες το 2021 το περιοδικό GeneΤο Ανάλογα με την έκδοση του OR6A2 που έχετε, μπορεί να λατρεύετε τον κόλιανδρο ή να πιστεύετε ότι έχει γεύση σαν σαπούνι, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύτηκε το 2012 στο περιοδικό Γεύση.


Σχόλια

Αναθεώρηση 2020

Στις σημειώσεις του δασκάλου, διευκρίνισα την ακολουθία διδασκαλίας. Έχω ενισχύσει το PowerPoint με επιπλέον αριθμούς και συνδέσμους προς βίντεο. Το φυλλάδιο για τους μαθητές έχει επίσης αναθεωρηθεί.

Αναθεώρηση 2019

Για να βελτιώσω τη φιλικότητα προς τον εκπαιδευτικό αυτής της μαθησιακής δραστηριότητας, πρόσθεσα ένα φυλλάδιο για μαθητές για να συνοδεύσει την ακολουθία μαθησιακών δραστηριοτήτων που παρουσιάζονται στις Σημειώσεις Εκπαιδευτικού. Επιπλέον, έχω ενσωματώσει βελτιωμένους πόρους στην ακολουθία μαθησιακών δραστηριοτήτων.

Απαιτούνται βίντεο με υπότιτλους

Έπρεπε να βρω εναλλακτικά βίντεο και να κάνω κάποια σχετική επεξεργασία γιατί τα βίντεο πρέπει να κλείσουν με λεζάντες για μαθητές με προβλήματα ακοής. Οι υπότιτλοι που δημιουργούνται αυτόματα συνήθως δεν έχουν νόημα.

Λόγω αρκετών ημερών που χάθηκαν αυτό το εξάμηνο λόγω κακοκαιρίας, το σχολείο μας βρίσκεται σχεδόν δύο εβδομάδες πίσω στο πρόγραμμα σπουδών μας. Αυτά τα μαθήματα μου έδωσαν έναν εύκολο και αποτελεσματικό τρόπο να διδάξω τη γενετική, το DNA και τη σύνθεση πρωτεϊνών ταυτόχρονα και στο ελάχιστο ποσό των υπόλοιπων μαθημάτων που έχω να καλύψω αυτές τις έννοιες. Μειώσατε πολύ το επίπεδο άγχους αυτού του δασκάλου.

Αναθεώρηση 2017

Αυτή η αναθεώρηση διευκρίνισε ορισμένες από τις εξηγήσεις και ενημέρωσε συνδέσμους προς προτεινόμενους πόρους.

Το βίντεο δεν είναι διαθέσιμο;

Το βίντεο που περιγράφεται σε αυτό το βήμα:
Εισαγάγετε ή ενισχύστε μια βασική κατανόηση της δομής της πρωτεΐνης, χρησιμοποιώντας το 2λεπτο βίντεο που διατίθεται στη διεύθυνση https://www.youtube.com/watch?v=FKwSIu_XxnY.
Αναγράφεται ως "ιδιωτικό" και δεν είναι προσβάσιμο. Υπάρχουν προτεινόμενα υποκατάστατα που έχετε;

Σας ευχαριστούμε πολύ για τη δουλειά σας σε αυτόν τον ιστότοπο!
Μικρόφωνο

Αντικατάσταση βίντεο

Σας ευχαριστώ που επιστήσατε την προσοχή μου σε αυτόν τον σπασμένο σύνδεσμο. Ακολουθούν τρία προτεινόμενα υποκατάστατα.

Εισαγάγετε ή ενισχύστε μια βασική κατανόηση της δομής της πρωτεΐνης, χρησιμοποιώντας ένα βίντεο 1 λεπτού (https://www.youtube.com/watch?v=lijQ3a8yUYQ), ένα βίντεο 12 λεπτών (https://www.youtube.com/watch ?v=KH-LQSr7rHs), ή ένα βίντεο 10 λεπτών με έμφαση στη δευτερεύουσα δομή (https://www.youtube.com/watch?v=MODnIkQvyz0.)

Θα δημοσιεύσω μια αναθεωρημένη έκδοση αυτών των Σημειώσεων Εκπαιδευτικού με αυτά τα νέα προτεινόμενα βίντεο.

Κατανόηση των λειτουργιών των πρωτεϊνών και του DNA

Σας ευχαριστούμε πολύ για αυτά τα πολύτιμα και καλά οργανωμένα δεδομένα. Καθώς και τον χρήσιμο ιστότοπό του με τόσες πολλές εξαιρετικές πληροφορίες και υπέροχες ιδέες

Αναθεώρηση 2015

Αυτή η αναθεώρηση παρέχει πρόσθετες προτάσεις για συζήτηση και πόρους για να βοηθήσει τους μαθητές να αναπτύξουν μια ισχυρή βασική κατανόηση των λειτουργιών των πρωτεϊνών και του DNA.


Δομή DNA

Ένα διαδραστικό κινούμενο μη γραμμικό φροντιστήριο από τον Eric Martz
Προσαρμοσμένο για χρήση Jmol αντί Chime, από τον Angel Herr & aacuteez
Μέρος της ιστοσελίδας Biomodel από τον Angel Herr & aacuteez, Univ. de Alcal & aacute (Ισπανία)

Αυτή η έκδοση λειτουργεί σε οποιοδήποτε πρόγραμμα περιήγησης συμβατό με Java. Εικονική μηχανή Java πρέπει να εγκατασταθεί (JVM, περιλαμβάνεται σε ορισμένα λειτουργικά συστήματα ή διατίθεται στον ιστότοπο Java της Sun).
Περισσότερα μαθήματα για το DNA και τις πρωτεΐνες, στα αγγλικά, τα ισπανικά κ.λπ., καταχωρούνται στο molvisindex.org.

Εάν προτιμάτε να χρησιμοποιείτε το Chime για μοριακά μοντέλα, η σελίδα που το χρησιμοποιεί εξακολουθεί να είναι διαθέσιμη, με ισοδύναμο περιεχόμενο και λειτουργικότητα.

Αυτό το σεμινάριο έχει σχεδιαστεί για συμπλήρωμα βιβλία Βιολογίας ή Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας, επομένως δεν αποτελεί από μόνο του μια πλήρη εισαγωγή στη δομή του DNA. Ελέγξτε την αρχική πηγή για πιο πρόσφατες εκδόσεις. Μπορείτε επίσης να διαβάσετε το ιστορικό εκδόσεων.

    Πριν προχωρήσετε, ελέγξτε ότι το πρόγραμμα περιήγησής σας έχει εγκατεστημένη τη Java και ότι μπορεί να χρησιμοποιήσει το λογισμικό Jmol:

Μπορείτε να ζητήσετε ένα αντίγραφο αυτού του σεμιναρίου για χρήση εκτός σύνδεσης μόλις έχετε το δικό σας αντίγραφο στον σκληρό δίσκο του υπολογιστή σας, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε χωρίς σύνδεση στο Διαδίκτυο (και θα τρέξει γρηγορότερα).

Γνωρίζετε ότι υπάρχουν περισσότερα μαθήματα στο MolviZ.Org;
Σχόλια/Αιτήματα προς ή.

Η χρήση αυτού του έργου υπόκειται στους όρους που αναφέρονται στην άδεια Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.5 (λεπτομέρειες)

Αυτό το Σεμινάριο DNA χρησιμοποιείται στο Πρόγραμμα Βιοϊατρικών Επιστημών που αναπτύχθηκε από το Project Lead The Way, Inc., μια μη κερδοσκοπική εταιρεία που παρέχει πρόγραμμα σπουδών δωρεάν σε λύκεια και γυμνάσια που βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Αυτό το φροντιστήριο DNA (αγγλική και ισπανική έκδοση) έχει συμπεριληφθεί στον BioMolecular Explorer 3D, έκδοση 2, έναν ιστότοπο+CD-ROM που έχει σχεδιαστεί για να παρέχει στους καθηγητές βιολογίας γυμνασίου εύκολη πρόσβαση σε διαδραστικές τρισδιάστατες δομές βιολογικά σημαντικών μορίων.

Αυτό το DNA Tutorial (αγγλικές και ισπανικές εκδόσεις) έχει συμπεριληφθεί στο ζωντανό bootable DVD & ndash Xplora Knoppix, από την Xplora - The European Science Education Gateway.


Δομή και λειτουργία νευρώνων

Ο εγκέφαλος περιέχει πολλά δισεκατομμύρια νευρώνες που συνεργάζονται για να παράγουν αίσθηση, σκέψη, μάθηση, κίνηση, συναίσθημα και πολλές άλλες διαδικασίες. Ο συντονισμός αυτών των δραστηριοτήτων απαιτεί γρήγορη και εκτεταμένη επικοινωνία μεταξύ μεμονωμένων νευρώνων και ιστών (π.χ. μυών). Για να επιτευχθεί αυτό, οι νευρώνες χρησιμοποιούν ηλεκτρικά σήματα για τη μετάδοση πληροφοριών μέσα σε ένα κύτταρο και χημικά σήματα μεταξύ των κυττάρων. Αυτές οι μοναδικές λειτουργίες ανάγκασαν τον νευρώνα να υιοθετήσει μια κυτταρική δομή σε αντίθεση με αυτή άλλων κυττάρων.

Οι νευρώνες περιλαμβάνουν ένα κυτταρικό σώμα (ή σόμα), δενδρίτες και έναν άξονα που καταλήγει σε έναν τερματικό. Το κυτταρικό σώμα περιέχει τον πυρήνα και τον απαραίτητο μηχανισμό για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Το κυτταρικό σώμα είναι επίσης η περιοχή του νευρώνα στην οποία δημιουργείται ηλεκτρική ώθηση. Από το κυτταρικό σώμα εκτείνονται μικροί, διακλαδισμένοι δενδρίτες που λαμβάνουν χημικά σήματα από άλλους νευρώνες ή ερεθίσματα που εκκινούν ένα ηλεκτρικό σήμα. Αυτή η ηλεκτρική ώθηση (ή δυναμικό δράσης) διαδίδεται από το σώμα του κυττάρου, κατά μήκος του άξονα προς το άκρο του. Ο άξονας είναι μια επιμήκης ίνα που μεταδίδει την ώθηση μεταβάλλοντας τη ροή ιόντων νατρίου και καλίου κατά μήκος της νευρωνικής μεμβράνης. Πολλοί άξονες περιβάλλονται από ένα περίβλημα μυελίνης που αποτελείται από λιπίδια και πρωτεΐνες. Όπως η μόνωση που επικαλύπτει ένα ηλεκτρικό καλώδιο, αυτό το λιπαρό στρώμα αυξάνει σημαντικά την ταχύτητα των ηλεκτρικών παλμών κάτω από τον άξονα.

Αν και ο νευρικός ακροδέκτης ενός νευρώνα βρίσκεται πολύ κοντά στους δενδρίτες ενός παρακείμενου κυττάρου, τα κύτταρα χωρίζονται στην πραγματικότητα από ένα μικρό χώρο, αυτή η σύνδεση μεταξύ των δύο κυττάρων ονομάζεται σύναψη. Η σύναψη αντιπροσωπεύει ένα πραγματικό χάσμα μεταξύ των κυττάρων. Δεν υπάρχει κοινή χρήση κυτταροπλάσματος ή κυτταρικών δομών μεταξύ των προ-συναπτικών και των μετα-συναπτικών κυττάρων. Η επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων είναι μια χημική διαδικασία που χρησιμοποιεί νευροδιαβιβαστές σε μια διαδικασία που ονομάζεται συναπτική μετάδοση.

Ο νευρώνας αποτελείται από ένα κυτταρικό σώμα, δενδρίτες και έναν άξονα. Οι πληροφορίες ρέουν από τους δενδρίτες προς το κυτταρικό σώμα και στη συνέχεια προς τα κάτω από τον άξονα στο άκρο του.

Νευροδιαβίβαση

Όταν μια ηλεκτρική ώθηση ταξιδεύει κάτω από τον άξονα στους νευρικούς ακροδέκτες, ενεργοποιεί την κίνηση των κυστιδίων στον τερματικό για να απελευθερώσει το περιεχόμενό τους, χημικές ουσίες γνωστές ως νευροδιαβιβαστές. Μετά την απελευθέρωση, οι νευροδιαβιβαστές διαχέονται στον συναπτικό χώρο και συνδέονται με υποδοχείς στους δενδρίτες των μετα-συναπτικών κυττάρων. Η σύνδεση ενός νευροδιαβιβαστή στον υποδοχέα του είναι ειδική. Ακριβώς όπως ένα κλειδί ταιριάζει μόνο σε μια συγκεκριμένη κλειδαριά, ένας νευροδιαβιβαστής συνδέεται μόνο με έναν συγκεκριμένο τύπο υποδοχέα.

Υπάρχουν πολλοί τύποι νευροδιαβιβαστών στον εγκέφαλο, καθένας από τους οποίους έχει μια μοναδική λειτουργία. Η αλληλεπίδραση μεταξύ του υποδοχέα και του νευροδιαβιβαστή παράγει χημικές και/ή ηλεκτρικές αλλαγές στο μετασυναπτικό κύτταρο ανάλογα με τον ακριβή δεσμευμένο νευροδιαβιβαστή. Οι διεγερτικοί νευροδιαβιβαστές προάγουν τη διάδοση του ηλεκτρικού σήματος στο κύτταρο λήψης, ενώ οι ανασταλτικοί νευροδιαβιβαστές μειώνουν τη μετάδοση του ηλεκτρικού σήματος. Εάν ο νευροδιαβιβαστής ενεργοποιήσει ένα δυναμικό δράσης στον μετα-συναπτικό νευρώνα, η διαδικασία επικοινωνίας συνεχίζεται. Μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη σύνδεση με τους υποδοχείς τους, οι νευροδιαβιβαστές μπορεί να διασπαστούν από ένζυμα ή να ανακυκλωθούν ξανά στο προ-συναπτικό κύτταρο.


Εικόνα από Madprime μέσω Wikimedia Commons.

Μια πιο προσεκτική ματιά στη χημική δομή του DNA δείχνει τέσσερα κύρια δομικά στοιχεία. Ονομάζουμε αυτές τις αζωτούχες βάσεις: Αδενίνη (Α), Θυμίνη (Τ), Γουανίνη (G) και Κυτοσίνη (C). Το DNA περιλαμβάνει επίσης σάκχαρα και φωσφορικές ομάδες (φτιαγμένες από φώσφορο και οξυγόνο). Αυτά κάνουν τη ραχοκοκαλιά της φωσφορικής-δεοξυριβόζης.

Αν σκεφτείτε τη δομή του DNA ως σκάλα, τα σκαλοπάτια της σκάλας (όπου θα βάλατε τα χέρια σας) είναι κατασκευασμένα από αζωτούχες βάσεις. Αυτές οι βάσεις συνδυάζονται για να κάνουν κάθε βήμα της σκάλας. Επίσης, ζευγαρώνουν μόνο με συγκεκριμένο τρόπο. Το (Α) ζευγαρώνει πάντα με το (Τ) και το (Ζ) πάντα ζευγαρώνει με το (Γ). Αυτό είναι πολύ σημαντικό όταν έρθει η ώρα να αντιγράψετε ολόκληρο ή μέρος του DNA.


Δομή και λειτουργία

Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να εξηγούν και να εφαρμόζουν βασικές έννοιες της μακρομοριακής δομής και λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένης της φύσης των βιολογικών μακρομορίων, της αλληλεπίδρασής τους με το νερό, της σχέσης μεταξύ δομής και λειτουργίας και μηχανισμών που συναντώνται συχνά για τη ρύθμιση της λειτουργίας τους.

Οι παρακάτω μαθησιακοί στόχοι κατηγοριοποιούνται σε εισαγωγικό Α , ενδιάμεσο Β και ανώτερο Γ .

1. Τα βιολογικά μακρομόρια είναι μεγάλα και πολύπλοκα

Τα μακρομόρια αποτελούνται από βασικές μοριακές μονάδες. Περιλαμβάνουν τις πρωτεΐνες (πολυμερή αμινοξέων), νουκλεϊκά οξέα (πολυμερή νουκλεοτιδίων), υδατάνθρακες (πολυμερή σακχάρων) και λιπίδια (με ποικιλία σπονδυλωτών συστατικών). Η βιοσύνθεση και η αποικοδόμηση των βιολογικών μακρομορίων περιλαμβάνει γραμμικό πολυμερισμό, στάδια διάσπασης (πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα και λιπίδια) και μπορεί επίσης να περιλαμβάνει διακλάδωση/απομάκρυνση (υδατάνθρακες). Αυτές οι διαδικασίες μπορεί να περιλαμβάνουν σύμπλοκα πολλαπλών πρωτεϊνών (π.χ. ριβοσώματα, πρωτεάσωμα) με πολύπλοκη ρύθμιση.

Σχετικοί μαθησιακοί στόχοι

  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν την ποικιλομορφία και την πολυπλοκότητα διαφόρων βιολογικά σχετικών μακρομορίων και μακρομοριακών συνόλων όσον αφορά την εξελικτική ικανότητα. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να περιγράψουν τις βασικές μονάδες των μακρομορίων και τους τύπους των δεσμών μεταξύ τους. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συγκρίνουν και να αντιπαραβάλλουν τις διαδικασίες που εμπλέκονται στη βιοσύνθεση των κύριων τύπων μακρομορίων (πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα και υδατάνθρακες). σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συγκρίνουν και να αντιπαραβάλλουν τις διαδικασίες που εμπλέκονται στην αποδόμηση των κύριων τύπων μακρομορίων (πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα και υδατάνθρακες. Β
  • Οι μαθητές θα πρέπει να κατανοήσουν ότι οι πρωτεΐνες αποτελούνται από τομείς και να είναι σε θέση να συζητήσουν πώς οι οικογένειες πρωτεϊνών προκύπτουν από τον διπλασιασμό ενός αρχέγονου γονιδίου. ντο

2. Η δομή καθορίζεται από διάφορους παράγοντες

Ο ομοιοπολικός και μη ομοιοπολικός δεσμός διέπουν τις τρισδιάστατες δομές των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων που επηρεάζουν τη λειτουργία. Οι αλληλουχίες αμινοξέων που παρατηρούνται στη φύση είναι πολύ επιλεγμένες για βιολογική λειτουργία αλλά δεν υιοθετούν απαραίτητα μια μοναδική διπλωμένη δομή. Η δομή (και επομένως η λειτουργία) των μακρομορίων διέπεται από θεμελιώδεις αρχές της χημείας όπως: ομοιοπολικοί δεσμοί και πολικότητα, περιστροφές και δονήσεις δεσμών, μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις, το υδρόφοβο αποτέλεσμα και δυναμικές πτυχές της μοριακής δομής. Η αλληλουχία (και επομένως η δομή και η λειτουργία) των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων μπορεί να μεταβληθεί με εναλλακτική συγκόλληση, μετάλλαξη ή χημική τροποποίηση. Οι αλληλουχίες (και επομένως η δομή και η λειτουργία) των μακρομορίων μπορούν να εξελιχθούν για να δημιουργήσουν αλλοιωμένες ή νέες βιολογικές δραστηριότητες.

Σχετικοί μαθησιακοί στόχοι

  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να αναγνωρίζουν τις επαναλαμβανόμενες μονάδες στα βιολογικά μακρομόρια και να μπορούν να συζητούν τις δομικές επιπτώσεις των εμπλεκόμενων ομοιοπολικών και μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν τη σύνθεση, την εξελικτική αλλαγή και ως εκ τούτου τη δομική ποικιλομορφία των διαφόρων τύπων βιολογικών μακρομορίων που βρίσκονται στους οργανισμούς. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν τις χημικές και φυσικές σχέσεις μεταξύ της σύνθεσης και της δομής των μακρομορίων. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συγκρίνουν και να αντιπαραβάλλουν τις πρωτογενείς, δευτεροταγείς, τριτοταγείς και τεταρτοταγείς δομές πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να χρησιμοποιούν διάφορες βιοπληροφορικές προσεγγίσεις για την ανάλυση της μακρομοριακής πρωτογενούς αλληλουχίας και δομής. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συγκρίνουν και να αντιπαραβάλλουν τα αποτελέσματα της χημικής τροποποίησης συγκεκριμένων αμινοξέων σε μια τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συγκρίνουν και να αντιπαραβάλλουν τους τρόπους με τους οποίους ένα συγκεκριμένο μακρομόριο μπορεί να αναλάβει νέες λειτουργίες μέσω εξελικτικών αλλαγών. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να χρησιμοποιούν διάφορες βιοπληροφορικές και υπολογιστικές προσεγγίσεις για να συγκρίνουν πρωτογενείς ακολουθίες και να εντοπίσουν τον αντίκτυπο της διατήρησης και/ή της εξελικτικής αλλαγής στη δομή και τη λειτουργία των μακρομορίων. ντο
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να προβλέψουν τις επιδράσεις των μεταλλάξεων στη δραστηριότητα, τη δομή ή τη σταθερότητα μιας πρωτεΐνης και να σχεδιάσουν κατάλληλα πειράματα για να εκτιμήσουν τις επιδράσεις των μεταλλάξεων. ντο
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να προτείνουν κατάλληλες χημικές ή χημικές βιολογικές προσεγγίσεις για να διερευνήσουν τον εντοπισμό και τις αλληλεπιδράσεις των βιολογικών μακρομορίων. ντο
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν πώς οι μεταλλάξεις ενός διπλού γονιδίου δημιουργούν λειτουργική ποικιλομορφία. ντο
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να αξιολογήσουν τη χημική και ενεργειακή συμβολή στα κατάλληλα επίπεδα δομής του μακρομορίου και να προβλέψουν τις επιδράσεις συγκεκριμένων μεταβολών της δομής στις δυναμικές ιδιότητες του μορίου. ντο

3. Η δομή και η λειτουργία σχετίζονται

Τα μακρομόρια αλληλεπιδρούν με άλλα μόρια χρησιμοποιώντας μια ποικιλία μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. Η ιδιαιτερότητα και η συγγένεια αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι ζωτικής σημασίας για τη βιολογική λειτουργία. Ορισμένα μακρομόρια καταλύουν χημικές αντιδράσεις ή διευκολύνουν φυσικές διεργασίες (π.χ. μοριακή μεταφορά), επιτρέποντάς τους να προχωρήσουν σε συνθήκες περιβάλλοντος. Αυτές οι διαδικασίες μπορούν να περιγραφούν ποσοτικά με νόμους ταχύτητας και θερμοδυναμικές αρχές, (π.χ. θεωρία σύγκρουσης, θεωρία κατάστασης μετάβασης, νόμους και ισορροπίες ταχύτητας, επιδράσεις θερμοκρασίας και δομής και χημικής αντιδραστικότητας, νόμος Coulomb & rsquos, νόμοι κίνησης Newton & rsquos, ενέργεια και σταθερότητα, τριβή , διάχυση, θερμοδυναμική και η έννοια της τυχαιότητας και της πιθανότητας).

Σχετικοί μαθησιακοί στόχοι

  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να χρησιμοποιούν μηχανιστικό συλλογισμό για να εξηγήσουν πώς ένα ένζυμο ή ριβοένζυμο καταλύει μια συγκεκριμένη αντίδραση. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν τη βάση για διάφορους τύπους μηχανισμών ενζύμων. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να υπολογίζουν τους ενζυμικούς ρυθμούς και να συγκρίνουν αυτούς τους ρυθμούς και να συσχετίζουν αυτούς τους ρυθμούς με την κυτταρική ή οργανική ομοιόσταση. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν διάφορες μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της συγγένειας και της στοιχειομετρίας ενός συμπλόκου συνδέτη-μακρομορίου και να συσχετίσουν τα αποτελέσματα τόσο με θερμοδυναμικά όσο και με κινητικά δεδομένα. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να αξιολογούν κριτικά τις συνεισφορές στην εξειδίκευση σε ένα σύμπλεγμα συνδέτη-μακρομορίου και να σχεδιάζουν πειράματα τόσο για να αξιολογούν τη συμβολή στην εξειδίκευση όσο και να ελέγχουν υποθέσεις σχετικά με την ειδικότητα συνδέτη σε ένα σύμπλεγμα. ντο
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να προβλέψουν τις βιολογικές και χημικές επιδράσεις είτε της μετάλλαξης είτε της δομικής αλλαγής συνδετήρα στη συγγένεια της σύνδεσης και να σχεδιάσουν κατάλληλα πειράματα για να δοκιμάσουν τις προβλέψεις τους. ντο

4. Μακρομοριακές αλληλεπιδράσεις

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μακρομορίων και άλλων μορίων βασίζονται στις ίδιες ασθενείς, μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις που παίζουν τον κύριο ρόλο στη σταθεροποίηση των τρισδιάστατων δομών των ίδιων των μακρομορίων. Η υδρόφοβη επίδραση, οι ιοντικές αλληλεπιδράσεις και οι αλληλεπιδράσεις δεσμών υδρογόνου είναι εμφανείς. Η δομική οργάνωση των αλληλεπιδρώντων χημικών ομάδων σε μια θέση σύνδεσης ή σε μια ενεργή θέση προσδίδει υψηλό βαθμό εξειδίκευσης σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Η ειδικότητα και η συγγένεια αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι κρίσιμες για τη βιολογική λειτουργία.

Σχετικοί μαθησιακοί στόχοι

  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν τον αντίκτυπο των αλλαγών της ιδιαιτερότητας ή της συγγένειας στη βιολογική λειτουργία και τυχόν πιθανές εξελικτικές επιπτώσεις. ΕΝΑ
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν τις διάφορες μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της συγγένειας και της στοιχειομετρίας για ένα σύμπλεγμα συνδέτη-μακρομορίου και να συσχετίσουν τα αποτελέσματα τόσο με θερμοδυναμικά όσο και με κινητικά δεδομένα. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ μιας ποικιλίας βιολογικών μορίων (συμπεριλαμβανομένων των πρωτεϊνών, των νουκλεϊκών οξέων, των λιπιδίων, των υδατανθράκων και των μικρών οργανικών κ.λπ.) και να περιγράψουν πώς αυτές οι αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν την ιδιαιτερότητα ή τη συγγένεια οδηγώντας σε αλλαγές στη βιολογική λειτουργία. σι
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να προβλέψουν τα αποτελέσματα είτε της μετάλλαξης είτε της δομικής αλλαγής του συνδέτη στη συγγένεια της δέσμευσης και να σχεδιάσουν κατάλληλα πειράματα για να ελέγξουν τις προβλέψεις τους. ντο
  • Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να συζητήσουν τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας που απαιτείται για τη μετουσίωση (Tm) και της μακρομοριακής δομής. ντο

5. Η μακρομοριακή δομή είναι δυναμική

Η μακρομοριακή δομή είναι δυναμική σε ένα ευρύ φάσμα χρονικών κλιμάκων και οι δυναμικές δομικές αλλαγές, μικρές και μεγάλες, είναι συχνά κρίσιμες για τη βιολογική λειτουργία. Μικρές αλλαγές μπορούν να έρθουν με τη μορφή εντοπισμένων μοριακών δονήσεων που μπορούν να διευκολύνουν την πρόσβαση των μικρών μορίων στα εσωτερικά τμήματα του μακρομορίου. Μεγάλες διαμορφωτικές αλλαγές μπορούν να προκύψουν με τη μορφή κινήσεων διαφορετικών μακρομοριακών τομέων μεταξύ τους για διευκόλυνση της κατάλυσης ή άλλων μορφών εργασίας. Proteins can contain intrinsically unstructured domains. The lack of structure in solution may facilitate a function in which interactions must occur promiscuously with several other molecules. The dynamic structure of macromolecules enables rapid changes that impact the homeostasis of biochemical and molecular biological processes.

Associated learning goals

  • Students should be able discuss the time scales of various conformational effects in biological macromolecules A and design appropriate experiments to investigate ligand induced changes in conformation and dynamics. ντο
  • Students should be able to discuss the structural basis for the dynamic properties of macromolecules and predict the effects of changes in dynamic properties A that might result from alteration of primary sequence. ντο
  • Students should be able to predict whether a sequence is ordered or disordered C and discuss potential roles for disordered regions of proteins. σι
  • Students should be able to critically discuss the evidence for and against the roles of dynamics in macromolecular function. ντο

6. The biological activity of macromolecules is often regulated

The biological activity of macromolecules is often regulated in one or more of a variety of hierarchical ways (e.g. inhibitors, activators, modifiers, synthesis, degradation and compartmentalization).

Associated learning goals

  • Students should be able to compare and contrast various mechanisms for regulating the function of a macromolecule or an enzymatic reaction or pathway. ΕΝΑ
  • Students should be able to discuss the advantages and disadvantages of regulating a reaction allosterically. σι
  • Students should be able to discuss examples of allosteric regulation, covalent regulation and gene level alterations of macromolecular structure-function. σι
  • Students should be to use experimental data to assess the type of regulation in response to either homotropic or heterotropic ligands on a macromolecule. ντο
  • Students should be able to design a model to explain the regulation of macromolecule structure-function. ντο
  • Students should be able to describe how evolution has shaped the regulation of macromolecules and processes. ντο
  • Students should be able to describe how changes in cellular homeostasis affect signaling and regulatory molecules and metabolic intermediates. ντο

7. The structure (and hence function) of macromolecules is governed by foundational principles of chemistry and physics

The structure (and hence function) of macromolecules is governed by the foundational principles of chemistry (including covalent bonds and polarity bond rotations and vibrations hydrogen bonds and non-covalent interactions the hydrophobic effect dynamic aspects of molecular structure collision theory transition state theory rate laws and equilibria the effects of temperature and structure and chemical reactivity) and physics (including Coulomb&rsquos Law Newton&rsquos laws of motion energy and stability friction diffusion thermodynamics and the concept of randomness and probability).

Associated learning goals

  • Students should be able to relate basic principles of rate laws and equilibria to reactions and interactions and calculate appropriate thermodynamic parameters for reactions and interactions. ΕΝΑ
  • Students should be able to explain how a ligand, when introduced to a solution containing a macromolecule to which it can bind, interacts with the macromolecule. ΕΝΑ
  • Students should be able to explain, using basic principles, the effects of temperature on an enzyme catalyzed reaction. σι
  • Students should be able to discuss the dynamic properties of a macromolecule using foundational principles of physics. σι

8. A variety of experimental and computational approaches can be used to observe and quantitatively measure the structure, dynamics and function of biological macromolecules

A variety of experimental and computational approaches can be used to observe and quantitatively measure the structure, dynamics and function of biological macromolecules. Equations can be derived from models and used to predict outcomes or analyze data. Data can be analyzed statistically to assess the correctness of the model and the reliability of the data.


Δες το βίντεο: Βιολογία #1: Τι είναι το DNA και πως λειτουργεί; (Φεβρουάριος 2023).