ข้อมูล

S2019_Lecture_08_Reading - ชีววิทยา

S2019_Lecture_08_Reading - ชีววิทยา


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.

ATP

สารประกอบทางเคมีที่สำคัญคือ อะดีโนซีน ไตรฟอสเปต (ATP). บทบาทหลักของเซลล์ ATP คือเป็นอุปกรณ์ถ่ายเทพลังงาน "ระยะสั้น" สำหรับเซลล์ ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสที่ปลดปล่อยฟอสเฟตของ ATP หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจริง และโปรตีนในเซลล์จำนวนมากได้วิวัฒนาการเพื่อให้เกิดปฏิกิริยากับ ATP ในลักษณะที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนพลังงานจากการไฮโดรไลซิสไปยังหน้าที่อื่นๆ ของเซลล์อีกนับไม่ถ้วน เราจะเห็นตัวอย่างมากมายของ ATP "ที่ทำงาน" ในเซลล์ ดังนั้นจงมองหาพวกมัน อย่างที่คุณเห็น ลองคิดว่าพวกมันเป็นตัวอย่างเชิงหน้าที่ของการใช้ ATP ของ Nature ที่คุณคาดว่าจะเห็นในปฏิกิริยาหรือบริบทอื่น

โครงสร้างและหน้าที่ของเอทีพี

หัวใจของ ATP คือนิวคลีโอไทด์ที่เรียกว่าอะดีโนซีนโมโนฟอสเฟต (AMP) เช่นเดียวกับนิวคลีโอไทด์อื่นๆ AMP ประกอบด้วยฐานไนโตรเจน (โมเลกุลอะดีนีน) ที่จับกับโมเลกุลไรโบสและกลุ่มฟอสเฟตเดี่ยว การเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตที่สองลงในโมเลกุลแกนกลางนี้ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP); การเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตที่สามทำให้เกิดอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP)


รูปที่ 1. ATP (adenosine triphosphate) มีกลุ่มฟอสเฟตสามกลุ่มที่สามารถกำจัดออกได้โดยการไฮโดรไลซิสเพื่อสร้าง ADP (adenosine diphosphate) หรือ AMP (adenosine monophosphate)

NS ฟอสโฟรีเลชั่น (หรือการควบแน่นของหมู่ฟอสเฟตบน AMP) เป็นกระบวนการ endergonic ในทางตรงกันข้าม การไฮโดรไลซิสของกลุ่มฟอสเฟตหนึ่งหรือสองกลุ่มจาก ATP ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า dephosphorylation, มีความกระฉับกระเฉง ทำไม? ให้ระลึกว่าเงื่อนไข endergonic และ exergonic หมายถึงสัญญาณความแตกต่างของพลังงานอิสระของปฏิกิริยาระหว่างผลิตภัณฑ์กับสารตั้งต้น ΔG ในกรณีนี้ เรากำหนดทิศทางของปฏิกิริยาอย่างชัดเจน ไม่ว่าจะเป็นในทิศทางของฟอสโฟรีเลชันหรือดีฟอสโฟรีเลชันของนิวคลีโอไทด์ ในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันสารตั้งต้นคือนิวคลีโอไทด์และฟอสเฟตอนินทรีย์ในขณะที่ผลิตภัณฑ์คือนิวคลีโอไทด์ที่มีฟอสโฟรีเลตและน้ำ ในปฏิกิริยาดีฟอสโฟรีเลชัน/ไฮโดรไลซิส สารตั้งต้นคือนิวคลีโอไทด์ที่มีฟอสโฟรีเลตและน้ำ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์คือฟอสเฟตอนินทรีย์และนิวคลีโอไทด์ลบหนึ่งฟอสเฟต

เนื่องจากกิ๊บส์พลังงานอิสระเป็นหน้าที่ของรัฐ มันไม่สำคัญว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างไร คุณเพียงแค่พิจารณาสถานะเริ่มต้นและสิ้นสุด ตัวอย่างเช่น ลองตรวจสอบการไฮโดรไลซิสของ ATP สารตั้งต้น ATP และน้ำมีลักษณะเฉพาะโดยองค์ประกอบของอะตอมและชนิดของพันธะระหว่างอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ พลังงานอิสระบางอย่างสามารถเชื่อมโยงกับพันธะแต่ละอันและโครงร่างที่เป็นไปได้—เช่นเดียวกันสำหรับผลิตภัณฑ์ หากเราตรวจสอบปฏิกิริยาจากมุมมองของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น และถามว่า "เราจะรวมอะตอมและพันธะในสารตั้งต้นเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ใหม่ได้อย่างไร" เราพบว่าพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ระหว่างออกซิเจนกับฟอสฟอรัสต้องแตกใน ATP พันธะระหว่างออกซิเจนกับไฮโดรเจนจะต้องแตกสลายในน้ำ พันธะระหว่าง OH (ที่มาจากการแยกน้ำ) กับฟอสฟอรัส (จาก PO3-2 ที่ปลดปล่อย) จะต้องสร้างพันธะ เกิดขึ้นระหว่าง H (ที่ได้มาจากการแยกน้ำ) และออกซิเจนปลายทางบนนิวคลีโอไทด์ที่มีฟอสโฟรีเลต เป็นผลรวมของพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงพันธะใหม่ทั้งหมด (รวมถึงพลังงานที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับน้ำ) ที่ทำให้ปฏิกิริยานี้แสดงออกมา การวิเคราะห์ที่คล้ายกันสามารถทำได้ด้วยปฏิกิริยาย้อนกลับ

การออกกำลังกายที่เป็นไปได้

ใช้รูปของ ATP ด้านบนและความรู้ของคุณเกี่ยวกับรูปร่างของโมเลกุลของน้ำเพื่อวาดรูปของขั้นตอนปฏิกิริยาที่อธิบายไว้ข้างต้น: การแตกพันธะฟอสโฟซานไฮไดรด์ การแตกของน้ำ และการก่อตัวของพันธะใหม่เพื่อสร้าง ADP และฟอสเฟตอนินทรีย์ ติดตามอะตอมด้วยสีที่ต่างกันหากช่วยได้

มีบางอย่างที่พิเศษเกี่ยวกับพันธะเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลเหล่านี้หรือไม่? มีบทความมากมายเกี่ยวกับประเภทของพันธะระหว่างฟอสเฟตของเอทีพี แน่นอน คุณสมบัติของพันธะใน ATP ช่วยกำหนดพลังงานอิสระและการเกิดปฏิกิริยาของโมเลกุล อย่างไรก็ตาม ในขณะที่เป็นการเหมาะสมที่จะใช้แนวคิดอย่างเช่น ความหนาแน่นของประจุและความพร้อมใช้งานของโครงสร้างเรโซแนนซ์ในการอภิปรายนี้ การใช้คำศัพท์เหล่านี้เป็น "คำอธิบาย" โดยปราศจากความเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าปัจจัยเหล่านี้มีอิทธิพลต่อพลังงานอิสระของสารตั้งต้นเป็นชนิดพิเศษของ โบกมือที่เราไม่ควรมีส่วนร่วม นักเรียน BIS2A ส่วนใหญ่ไม่มีวิชาเคมีของวิทยาลัยและผู้ที่ไม่น่าจะพูดถึงเงื่อนไขเหล่านั้นในทางที่มีความหมาย ดังนั้น การอธิบายกระบวนการโดยใช้แนวคิดข้างต้นทำให้เกิดความเข้าใจที่ผิดพลาด กำหนดคุณสมบัติลึกลับบางอย่างให้กับ ATP และพันธะ "พิเศษ" ที่ไม่มีอยู่จริง และเบี่ยงเบนความสนใจจากจุดที่แท้จริง: ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสมีความรุนแรงเนื่องจาก คุณสมบัติของ ATP และ นอกจากนี้ เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีของน้ำและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา สำหรับคลาสนี้ ก็เพียงพอแล้วที่จะรู้ว่านักเคมีกายภาพโดยเฉพาะกำลังศึกษากระบวนการไฮโดรไลซิสของ ATP ในสารละลายและในบริบทของโปรตีน และยังคงพยายามพิจารณาองค์ประกอบเอนทาลปิกและเอนโทรปิกที่สำคัญของพลังงานที่ปราศจากส่วนประกอบ เราแค่ต้องยอมรับความไม่รู้ทางเคมีเชิงกลไกในระดับหนึ่ง และพอใจกับคำอธิบายคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ขั้นต้น อย่างหลังก็เพียงพอแล้วที่จะมีการอภิปรายอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับชีววิทยาที่เกี่ยวข้อง

พันธบัตร "พลังงานสูง"

แล้วคำว่า "พันธะพลังงานสูง" ที่เรามักได้ยินเกี่ยวกับ ATP ล่ะ? ถ้าไม่มีอะไร "พิเศษ" เกี่ยวกับพันธะใน ATP เหตุใดเราจึงมักได้ยินคำว่า "พันธะพลังงานสูง" ที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลอยู่เสมอ คำตอบนั้นง่ายอย่างหลอกลวง ในทางชีววิทยา คำว่า "พันธะพลังงานสูง" ใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยา exergonic ที่เกี่ยวข้องกับการไฮโดรไลซิสของพันธะที่เป็นปัญหาซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงลบ "ขนาดใหญ่" ในพลังงานอิสระ โปรดจำไว้ว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระนี้ไม่เพียงเกี่ยวข้องกับพันธะที่เป็นปัญหาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลรวมของการจัดเรียงใหม่ของพันธะทั้งหมดในปฏิกิริยาด้วย อะไรทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่? เป็นการมอบหมายงานโดยพลการซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับปริมาณพลังงานที่เกี่ยวข้องกับประเภทของปฏิกิริยาอะนาโบลิกที่เรามักสังเกตเห็นในชีววิทยา หากมีบางสิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับพันธะใน ATP ก็จะไม่ผูกมัดกับพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสอย่างเฉพาะเจาะจง เนื่องจากมีพันธะอื่นๆ มากมายที่ไฮโดรไลซิสส่งผลให้เกิดความแตกต่างด้านลบมากขึ้นในพลังงานอิสระ


รูปที่ 2 พลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสของพันธะประเภทต่างๆ สามารถเปรียบเทียบได้กับพลังงานของการไฮโดรไลซิสของ ATP แหล่งที่มา: http://bio.libretexts.org/Core/Biochemistry/Oxidation_and_Phosphorylation/ATP_and_Oxidative_Phosphorylation/Properties_of_ATP


ตารางที่ 1. ตารางแสดงโมเลกุลฟอสโฟรีเลตในเซลล์ทั่วไปและพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสตามลำดับ

การปั่นจักรยานของสระเอทีพี

ค่าประมาณสำหรับจำนวนโมเลกุล ATP ในช่วงเซลล์ของมนุษย์ทั่วไปตั้งแต่ ~3x107 (~5x10-17 โมล ATP/เซลล์) ในเซลล์เม็ดเลือดขาวถึง 5x109 (~9x10-15 โมล ATP/เซลล์) ในเซลล์มะเร็งที่ออกฤทธิ์ แม้ว่าตัวเลขเหล่านี้อาจดูใหญ่และน่าทึ่งอยู่แล้ว แต่ให้พิจารณาว่าคาดว่ากลุ่มของ ATP นี้จะเปลี่ยนไป (กลายเป็น ADP แล้วจึงกลับไปเป็น ATP) 1.5 x ต่อนาที การขยายผลการวิเคราะห์นี้ทำให้ได้ประมาณการว่ามูลค่าการซื้อขายรายวันนี้เทียบเท่ากับน้ำหนักตัวของ ATP หนึ่งตัวที่ได้รับการพลิกกลับต่อวัน นั่นคือ ถ้าไม่มีการหมุนเวียน/รีไซเคิลของ ATP เกิดขึ้น มันจะต้องใช้น้ำหนักตัวของ ATP หนึ่งค่าสำหรับร่างกายมนุษย์ในการทำงาน ดังนั้น การกำหนดลักษณะก่อนหน้าของเราของ ATP เป็นอุปกรณ์ถ่ายเทพลังงาน "ระยะสั้น" สำหรับเซลล์

ในขณะที่แหล่งรวมของ ATP/ADP อาจถูกนำกลับมาใช้ใหม่ พลังงานบางส่วนที่ถูกถ่ายโอนในการแปลงจำนวนมากระหว่าง ATP, ADP และชีวโมเลกุลอื่นๆ ก็จะถูกถ่ายโอนไปยังสิ่งแวดล้อมเช่นกัน เพื่อที่จะรักษาแหล่งรวมพลังงานของเซลล์ พลังงานต้องถ่ายเทมาจากสิ่งแวดล้อมเช่นกัน พลังงานนี้มาจากไหน? คำตอบขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่มีอยู่มากมาย และกลไกใดที่ธรรมชาติได้พัฒนาขึ้นเพื่อถ่ายโอนพลังงานจากสิ่งแวดล้อมไปยังตัวพาระดับโมเลกุล เช่น ATP อย่างไรก็ตาม ในเกือบทุกกรณี กลไกของการถ่ายโอนได้พัฒนาขึ้นเพื่อรวมรูปแบบของเคมีรีดอกซ์บางรูปแบบ

ในส่วนนี้และส่วนต่อจากนี้ เราเกี่ยวข้องกับการเรียนรู้ตัวอย่างที่สำคัญของการถ่ายโอนพลังงานจากสิ่งแวดล้อม ประเภทสำคัญของเคมีและปฏิกิริยาทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้ และปฏิกิริยาทางชีวภาพที่สำคัญและส่วนประกอบของเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการไหลของพลังงานระหว่างส่วนต่างๆ ของ ระบบการดำรงชีวิต อันดับแรก เรามุ่งเน้นที่ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง (อีกครั้ง) ของ ATP ในเซลล์ (ไม่ใช่ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการสร้างนิวคลีโอไทด์ต่อ se แต่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนฟอสเฟตไปยัง AMP และ ADP)

ลิงค์วิดีโอ

สำหรับมุมมองอื่น - รวมถึงสถานที่ที่คุณจะเห็น ATP ใน Bis2a ดูวิดีโอนี้ (10 นาที) โดยคลิกที่นี่

เซลล์สร้าง ATP ได้อย่างไร

กลไกต่างๆ เกิดขึ้นในช่วง 3.25 พันล้านปีของวิวัฒนาการเพื่อสร้าง ATP จาก ADP และ AMP กลไกเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นการปรับเปลี่ยนในสองรูปแบบ: การสังเคราะห์โดยตรงของ ATP หรือการสังเคราะห์ทางอ้อมของ ATP ด้วยกลไกพื้นฐานสองแบบที่รู้จักกันตามลำดับ NSฟอสโฟรีเลชั่นระดับพื้นผิว (SLP) และ ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น. กลไกทั้งสองอาศัยปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่ถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งพลังงานบางส่วนไปยัง ADP หรือ AMP เพื่อสังเคราะห์ ATP หัวข้อเหล่านี้มีความสำคัญ ดังนั้นจะมีการหารือในรายละเอียดในสองสามโมดูลถัดไป

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับความหลากหลายของแบคทีเรียและแหล่งโบราณคดี

บางทีแบคทีเรียอาจถือได้ว่าเป็นการทดลองทางชีวเคมีอย่างไม่แน่นอน เนื่องจากมีขนาดค่อนข้างเล็กและเติบโตอย่างรวดเร็ว ความผันแปรต้องเกิดขึ้นบ่อยกว่ารูปแบบชีวิตที่แตกต่างกัน และยังสามารถครองตำแหน่งที่ล่อแหลมในเศรษฐกิจธรรมชาติได้ดีกว่าสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ที่มีข้อกำหนดที่เข้มงวดกว่า - Marjory Stephenson ในการเผาผลาญของแบคทีเรีย (1930)

โปรคาริโอต เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่ไม่มีนิวเคลียสที่จับกับเมมเบรนหรือออร์แกเนลล์ที่จับกับเยื่อลิพิด ประกอบด้วยสิ่งมีชีวิตสองกลุ่มที่แตกต่างกันทางสายวิวัฒนาการ: NSนักแสดง และ อาร์เคีย. ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา คำว่าโปรคาริโอตไม่เป็นที่นิยมสำหรับนักจุลชีววิทยาหลายคน เหตุผลก็คือแม้ว่าแบคทีเรียและอาร์เคียจะมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาหลายอย่าง แต่พวกมันยังคงเป็นตัวแทนของโดเมนที่แตกต่างกันของวิวัฒนาการ รูปด้านล่างแสดงต้นไม้สายวิวัฒนาการอย่างง่ายที่มีสามโดเมนหลักของชีวิต: แบคทีเรีย อาร์เคีย และยูคาริยา ซึ่งหมายความว่าไม่ควรใช้คำว่าโปรคาริโอตโดยมีจุดประสงค์เพื่อจัดกลุ่มแบคทีเรียและอาร์เคียบนพื้นฐานของประวัติศาสตร์วิวัฒนาการร่วมกัน อย่างไรก็ตาม สะดวกในการใช้คำว่า "โพรคาริโอต" เมื่ออธิบายกลุ่มของสิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะทางสัณฐานวิทยาร่วมกัน (เช่น ไม่มีนิวเคลียส) และอาจารย์ผู้สอนบางคนก็มีแนวโน้มจะทำเช่นนั้น เมื่อคุณได้ยินหรือใช้คำว่า "โปรคาริโอต" ดังนั้น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่ได้ใช้หรือบอกเป็นนัยว่าแบคทีเรียและอาร์เคียเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มวิวัฒนาการเดียวกัน แต่ให้แน่ใจว่าการใช้คำว่า "โปรคาริโอต" นั้นจำกัดเพียงการอธิบายลักษณะทางกายภาพทั่วไปของจุลินทรีย์ทั้งสองกลุ่มนี้

รูปที่ 1. แม้ว่าแบคทีเรียและอาร์เคียจะอธิบายว่าเป็นโปรคาริโอต แต่ก็ถูกจัดให้อยู่ในขอบเขตของชีวิตที่แยกจากกัน บรรพบุรุษของอาร์เคียสมัยใหม่เชื่อว่าได้ก่อให้เกิดยูคาริยาซึ่งเป็นโดเมนที่สามของชีวิต มีการแสดงไฟลาอาร์เคียลและแบคทีเรีย ความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการที่แน่นอนระหว่างไฟลาเหล่านี้ยังคงเปิดให้อภิปราย

แม้ว่าแบคทีเรียและอาร์เคียจะมีลักษณะทางสัณฐานวิทยา โครงสร้าง และเมตาบอลิซึมเหมือนกัน แต่มีความแตกต่างมากมายระหว่างสิ่งมีชีวิตในทั้งสองกลุ่มนี้ ความแตกต่างที่น่าสังเกตมากที่สุดคือโครงสร้างทางเคมีและองค์ประกอบของไขมันของเมมเบรน องค์ประกอบทางเคมีของผนังเซลล์ และองค์ประกอบของเครื่องจักรประมวลผลข้อมูล (เช่น การจำลองแบบ การซ่อมแซมดีเอ็นเอ และการถอดรหัส)

ความหลากหลายของแบคทีเรียและแหล่งโบราณคดี

แบคทีเรียและอาร์เคียอยู่บนโลกนานก่อนที่สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์จะปรากฏขึ้น มีอยู่ทั่วไปและมีกิจกรรมการเผาผลาญที่หลากหลาย ความหลากหลายนี้ช่วยให้สปีชีส์ต่างๆ ภายใน clade สามารถอาศัยอยู่ได้ในทุกพื้นผิวที่มีความชื้นเพียงพอ ตัวอย่างเช่น การประมาณการบางอย่างชี้ให้เห็นว่าในร่างกายมนุษย์โดยทั่วไป เซลล์แบคทีเรียมีจำนวนมากกว่าเซลล์ในร่างกายมนุษย์ประมาณสิบถึงหนึ่งเซลล์ แท้จริงแล้วแบคทีเรียและอาร์เคียประกอบด้วยสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ในทุกระบบนิเวศ แบคทีเรียและสัตว์ดึกดำบรรพ์บางชนิดสามารถเจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ แบคทีเรียและอาร์เคียพร้อมกับจุลินทรีย์ยูคาริโอตก็มีความสำคัญต่อการรีไซเคิลเช่นกัน สารอาหาร จำเป็นสำหรับการสร้างชีวโมเลกุลใหม่ พวกเขายังขับเคลื่อนวิวัฒนาการของระบบนิเวศใหม่ (ธรรมชาติหรือที่มนุษย์สร้างขึ้น)

ผู้อาศัยคนแรกของโลก

คาดว่าโลกและดวงจันทร์ของมันมีอายุประมาณ 4.54 พันล้านปี การประมาณนี้อิงตามหลักฐานจากการวัดเรดิโอเมตริกของวัสดุอุกกาบาต ร่วมกับวัสดุตั้งต้นอื่นๆ จากโลกและดวงจันทร์ โลกยุคแรกมีบรรยากาศที่แตกต่างกันมาก (มีโมเลกุลออกซิเจนน้อยกว่า) กว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันและอยู่ภายใต้การแผ่รังสีที่รุนแรง ดังนั้น สิ่งมีชีวิตแรก ๆ จะเจริญรุ่งเรืองในพื้นที่ที่ได้รับการคุ้มครองมากขึ้น เช่น ในระดับความลึกของมหาสมุทรหรือใต้พื้นผิวโลก ในช่วงเวลานี้ การเกิดภูเขาไฟที่รุนแรงเป็นเรื่องปกติบนโลก ดังนั้นจึงมีแนวโน้มว่าสิ่งมีชีวิตแรกเริ่มเหล่านี้จะถูกปรับให้เข้ากับอุณหภูมิที่สูงมาก โลกยุคแรกยังถูกทิ้งระเบิดด้วยรังสีที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์จากดวงอาทิตย์ สิ่งมีชีวิตชนิดแรกจึงจำเป็นต้องสามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ได้

แล้วชีวิตเริ่มต้นเมื่อไหร่และที่ไหน? อะไรคือเงื่อนไขบนโลกเมื่อชีวิตเริ่มต้นขึ้น? อะไรนะ LUCA (บรรพบุรุษร่วมสากลองค์สุดท้าย) บรรพบุรุษของแบคทีเรียและอาร์เคียมีลักษณะอย่างไร? แม้ว่าเราจะไม่ทราบแน่ชัดว่าชีวิตเกิดขึ้นเมื่อใดและอย่างไร และดูเหมือนว่าเกิดขึ้นเมื่อใด เรามีสมมติฐานจำนวนหนึ่งโดยอิงจากข้อมูลทางชีววิทยาและธรณีวิทยาต่างๆ ที่เราอธิบายสั้นๆ ด้านล่าง

บรรยากาศแบบโบราณ

หลักฐานบ่งชี้ว่าในช่วงสองพันล้านปีแรกของการดำรงอยู่ของโลก ชั้นบรรยากาศ พิษหมายความว่าไม่มีอ็อกซิเจนในระดับโมเลกุล ดังนั้น เฉพาะสิ่งมีชีวิตที่สามารถเติบโตได้โดยไม่มีออกซิเจน—ไม่ใช้ออกซิเจน สิ่งมีชีวิต—สามารถมีชีวิตอยู่ได้ สิ่งมีชีวิต autotrophic ที่แปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมีเรียกว่า phototrophsและปรากฏขึ้นภายในหนึ่งพันล้านปีของการก่อตัวของโลก แล้ว, ไซยาโนแบคทีเรียหรือที่เรียกว่าสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน วิวัฒนาการมาจากโฟโตโทรฟธรรมดาเหล่านี้ในอีกหนึ่งพันล้านปีต่อมา ไซยาโนแบคทีเรียเริ่มสร้างออกซิเจนในบรรยากาศ การเพิ่มออกซิเจนในบรรยากาศช่วยให้สามารถพัฒนา O . ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น2- การใช้เส้นทาง catabolic นอกจากนี้ยังเปิดดินแดนเพื่อเพิ่มการล่าอาณานิคมเพราะ O . บางส่วน2 ถูกแปลงเป็น O3 (โอโซน) และโอโซนดูดซับแสงอัลตราไวโอเลตได้อย่างมีประสิทธิภาพซึ่งอาจทำให้เกิดการกลายพันธุ์ที่ร้ายแรงใน DNA ในที่สุด การเพิ่มขึ้นของ O2 ความเข้มข้นทำให้เกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตรูปแบบอื่น

หมายเหตุ: วิวัฒนาการของแบคทีเรียและอาร์เคีย

นักวิทยาศาสตร์ตอบคำถามเกี่ยวกับวิวัฒนาการของแบคทีเรียและอาร์เคียอย่างไร? สิ่งประดิษฐ์ในบันทึกซากดึกดำบรรพ์ของแบคทีเรียและอาร์เคียต่างจากสัตว์อื่นๆ ให้ข้อมูลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ฟอสซิลของแบคทีเรียโบราณและอาร์เคียดูเหมือนฟองอากาศเล็กๆ ในหิน นักวิทยาศาสตร์บางคนหันไปใช้พันธุศาสตร์เปรียบเทียบ ซึ่งเป็นโดเมนของชีววิทยาที่ทำการเปรียบเทียบข้อมูลทางพันธุกรรมในเชิงปริมาณระหว่างสองสายพันธุ์หรือมากกว่านั้น ตามชื่อของมัน สมมติฐานหลักในด้านพันธุศาสตร์เปรียบเทียบคือยิ่งสองสปีชีส์แยกจากกันมากเท่าไร ข้อมูลทางพันธุกรรมของพวกมันก็จะยิ่งคล้ายคลึงกันมากขึ้นเท่านั้น ในทางกลับกัน สายพันธุ์ที่แยกจากกันเมื่อนานมาแล้วจะมียีนที่ไม่เหมือนกันมากกว่า ดังนั้นโดยการเปรียบเทียบลำดับทางพันธุกรรมระหว่างสิ่งมีชีวิตสามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการของพวกมันและช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแบบจำลองว่าองค์ประกอบทางพันธุกรรมของบรรพบุรุษของสิ่งมีชีวิตที่ถูกเปรียบเทียบนั้นอาจมีหน้าตาเป็นอย่างไร

นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน NASA Astrobiology Institute และ European Molecular Biology Laboratory ร่วมกันวิเคราะห์วิวัฒนาการระดับโมเลกุลของโปรตีน 32 ชนิดที่จำเพาะต่อแบคทีเรีย 72 ชนิด แบบจำลองที่ได้มาจากข้อมูลบ่งชี้ว่าแบคทีเรียที่สำคัญสามกลุ่ม ได้แก่ แอคติโนแบคทีเรีย ไดโนคอคคัสและไซยาโนแบคทีเรีย (ซึ่งผู้เขียนเรียกว่า เทอราแบคทีเรีย)—น่าจะเป็นคนแรกที่ตั้งรกรากในดินแดน สิ่งมีชีวิตในสกุล ไดโนคอคคัส คือแบคทีเรียที่มีแนวโน้มที่จะทนต่อรังสีไอออไนซ์ได้สูง ไซยาโนแบคทีเรียเป็นสารสังเคราะห์แสง ในขณะที่แอคติโนแบคทีเรียเป็นกลุ่มของแบคทีเรียทั่วไปที่มีสปีชีส์ที่สำคัญในการย่อยสลายของเสียอินทรีย์

เส้นเวลาของความแตกต่างของสปีชีส์แนะนำว่าแบคทีเรีย (สมาชิกของโดเมนแบคทีเรีย) แตกต่างจากสายพันธุ์บรรพบุรุษทั่วไประหว่าง 2.5 ถึง 3.2 พันล้านปีก่อนในขณะที่อาร์เคียแตกต่างก่อนหน้านี้: ระหว่าง 3.1 ถึง 4.1 พันล้านปีก่อน ยูคาริยาแยกตัวออกจากสายอาร์เคียนในภายหลัง นอกจากนี้ยังมีแบคทีเรียที่สามารถเติบโตในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นพิษที่มีอยู่ก่อนการถือกำเนิดของไซยาโนแบคทีเรีย (ประมาณ 2.6 พันล้านปีก่อน) แบคทีเรียเหล่านี้จำเป็นต้องมีความต้านทานต่อการทำให้แห้งและมีสารประกอบที่ปกป้องสิ่งมีชีวิตจากรังสี มีการเสนอว่าการเกิดขึ้นของไซยาโนแบคทีเรียที่มีความสามารถในการสังเคราะห์แสงและผลิตออกซิเจนเป็นเหตุการณ์สำคัญในวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลก

เสื่อจุลินทรีย์

เสื่อจุลินทรีย์ (แผ่นชีวะขนาดใหญ่) อาจเป็นตัวแทนของโครงสร้างที่มองเห็นได้เร็วที่สุดซึ่งเกิดจากสิ่งมีชีวิตบนโลก มีหลักฐานฟอสซิลของการปรากฏตัวของพวกมันเมื่อประมาณ 3.5 พันล้านปีก่อน NS เสื่อจุลินทรีย์ เป็นแผ่นจุลินทรีย์หลายชั้นที่ประกอบด้วยแบคทีเรียเป็นส่วนใหญ่ แต่อาจรวมถึงอาร์เคียด้วย เสื่อจุลินทรีย์มีความหนาไม่กี่เซนติเมตร และโดยทั่วไปแล้วพวกมันจะเติบโตที่ส่วนติดต่อระหว่างวัสดุสองชนิด ส่วนใหญ่อยู่บนพื้นผิวที่ชื้น สิ่งมีชีวิตในเสื่อจุลินทรีย์จะถูกจับไว้ด้วยกันโดยสารเหนียวคล้ายกาวที่พวกมันหลั่งออกมา ก่อตัวเป็นเมทริกซ์นอกเซลล์ สปีชีส์ภายในเสื่อทำกิจกรรมการเผาผลาญที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม ผลที่ได้คือ เสื่อจุลินทรีย์ได้รับการระบุที่มีพื้นผิวและสีต่างกันซึ่งสะท้อนถึงองค์ประกอบของเสื่อและกิจกรรมการเผาผลาญที่ดำเนินการโดยจุลินทรีย์ที่ประกอบเป็นเสื่อ

เสื่อจุลินทรีย์แรกน่าจะเก็บเกี่ยวพลังงานจากปฏิกิริยารีดอกซ์ (ที่กล่าวถึงที่อื่น) จากสารเคมีที่พบใกล้ปล่องไฮโดรเทอร์มอล NS ปล่องไฮโดรเทอร์มอล เป็นการแตกหรือรอยแยกบนพื้นผิวโลกที่ปล่อยน้ำร้อนจากความร้อนใต้พิภพ ด้วยวิวัฒนาการของการสังเคราะห์แสงเมื่อประมาณ 3 พันล้านปีก่อน สิ่งมีชีวิตบางชนิดในเสื่อจุลินทรีย์ได้ใช้แหล่งพลังงานที่มีอยู่อย่างแพร่หลายมากขึ้น นั่นคือแสงแดด ในขณะที่สิ่งมีชีวิตอื่นๆ อาศัยสารเคมีจากปล่องไฮโดรเทอร์มอลเพื่อเป็นพลังงานและอาหาร

รูปที่ 2 (ก) แผ่นจุลินทรีย์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณหนึ่งเมตรเติบโตเหนือปล่องไฮโดรเทอร์มอลในมหาสมุทรแปซิฟิกในภูมิภาคที่เรียกว่า "วงแหวนแห่งไฟ" ปล่องไฟ เช่น ลูกศรชี้ ปล่อยให้ก๊าซหนีออกมา (b) ในไมโครกราฟนี้ แบคทีเรียภายในเสื่อจะมองเห็นได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์เรืองแสง (เครดิต a: การปรับเปลี่ยนงานโดย Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, หัวหน้านักวิทยาศาสตร์; เครดิต b: การปรับเปลี่ยนงานโดย Ricardo Murga, Rodney Donlan, CDC; ข้อมูลมาตราส่วนจาก Matt Russell)

สโตรมาโตไลต์

NS สโตรมาโตไลต์ เป็นโครงสร้างตะกอนที่เกิดขึ้นเมื่อแร่ธาตุตกตะกอนจากน้ำเนื่องจากกิจกรรมการเผาผลาญของสิ่งมีชีวิตในเสื่อจุลินทรีย์ สโตรมาโตไลต์สร้างชั้นหินที่ทำจากคาร์บอเนตหรือซิลิเกต แม้ว่าสโตรมาโทไลต์ส่วนใหญ่เป็นสิ่งประดิษฐ์จากอดีต แต่ก็มีสถานที่บนโลกที่สโตรมาโทไลต์ยังคงก่อตัวอยู่ ตัวอย่างเช่น พบสโตรมาโทไลต์ที่กำลังเติบโตในอุทยานแห่งรัฐ Anza-Borrego Desert ในซานดิเอโกเคาน์ตี้ รัฐแคลิฟอร์เนีย

รูปที่ 3 (a) stromatolites ที่มีชีวิตเหล่านี้ตั้งอยู่ใน Shark Bay ประเทศออสเตรเลีย (b) ฟอสซิลสโตรมาโทไลต์ที่พบในอุทยานแห่งชาติกลาเซียร์ รัฐมอนแทนา มีอายุเกือบ 1.5 พันล้านปี (เครดิต a: Robert Young; เครดิต b: P. Carrara, NPS)

แบคทีเรียและอาร์เคียปรับตัวได้: ชีวิตในสภาพแวดล้อมปานกลางและรุนแรง

สิ่งมีชีวิตบางชนิดได้พัฒนากลยุทธ์ที่ช่วยให้พวกมันสามารถอยู่รอดได้ในสภาวะที่รุนแรง แบคทีเรียและอาร์เคียเจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย: บางชนิดเติบโตในสภาพที่ดูเหมือนปกติมากสำหรับเรา ในขณะที่บางชนิดสามารถเจริญเติบโตและเติบโตได้ภายใต้สภาวะที่อาจทำลายพืชหรือสัตว์ แบคทีเรียและอาร์เคียเกือบทั้งหมดมีรูปแบบหนึ่งของผนังเซลล์ ซึ่งเป็นโครงสร้างป้องกันที่ช่วยให้พวกมันอยู่รอดได้ในสภาวะไฮเปอร์และไฮโปออสโมติก แบคทีเรียในดินบางชนิดสามารถสร้างเอนโดสปอร์ที่ทนต่อความร้อนและความแห้งแล้งได้ จึงทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถอยู่รอดได้จนกว่าสภาวะที่เอื้ออำนวยจะเกิดขึ้นอีก การปรับตัวเหล่านี้ร่วมกับสิ่งอื่นๆ ทำให้แบคทีเรียเป็นรูปแบบชีวิตที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในระบบนิเวศทั้งบนบกและในน้ำ

แบคทีเรียและอาร์เคียบางชนิดถูกดัดแปลงให้เติบโตภายใต้สภาวะที่รุนแรงและเรียกว่า extremophilesความหมาย "ผู้ชื่นชอบความสุดโต่ง" พบ Extremophiles ในสภาพแวดล้อมทุกประเภทเช่นในส่วนลึกของมหาสมุทรและโลก ในบ่อน้ำพุร้อน อาร์ติค และแอนตาร์กติก ในที่แห้งมาก ในสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรง และในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีสูง สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ช่วยให้เราเข้าใจถึงความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตได้ดีขึ้น และเปิดโอกาสในการค้นหาชนิดของจุลินทรีย์ที่อาจนำไปสู่การค้นพบยารักษาโรคชนิดใหม่หรือใช้ในอุตสาหกรรม เนื่องจากพวกมันมีการปรับตัวเฉพาะทางที่ทำให้พวกมันสามารถอยู่ในสภาวะที่รุนแรง extremophiles จำนวนมากจึงไม่สามารถอยู่รอดได้ในสภาพแวดล้อมปานกลาง extremophiles มีหลายกลุ่ม พวกมันถูกจัดหมวดหมู่ตามเงื่อนไขที่พวกมันเติบโตได้ดีที่สุด และแหล่งที่อยู่อาศัยหลายแห่งนั้นสุดโต่งในหลาย ๆ ด้าน ตัวอย่างเช่น ทะเลสาบโซดามีทั้งความเค็มและเป็นด่าง ดังนั้น สิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในทะเลสาบโซดาจึงต้องมีทั้ง ด่าง และ halophiles. extremophiles อื่น ๆ เช่น ทนต่อรังสี สิ่งมีชีวิตไม่ชอบสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (ในกรณีนี้คือสภาพแวดล้อมที่มีระดับรังสีสูง) แต่ได้ปรับตัวเพื่อความอยู่รอด

ตารางที่ 1. ตารางนี้แสดงรายการ extremophiles บางตัวและเงื่อนไขที่ต้องการ
ประเภท Extremophileเงื่อนไขสำหรับการเติบโตที่เหมาะสม
สารที่เป็นกรดpH 3 หรือต่ำกว่า
AlkaliphilespH 9 หรือสูงกว่า
เทอร์โมฟิลส์อุณหภูมิ 60–80 °C (140–176 °F)
Hyperthermophilesอุณหภูมิ 80–122 °C (176–250 °F)
โรคจิตอุณหภูมิ -15 °C (5 °F) หรือต่ำกว่า
ฮาโลฟีลความเข้มข้นของเกลืออย่างน้อย 0.2 M
ออสโมฟีลความเข้มข้นของน้ำตาลสูง

รูปที่ 4 Deinococcus radiodurans ที่แสดงภาพในไมโครกราฟอิเล็กตรอนแบบส่งผ่านสีปลอมนี้เป็นแบคทีเรียที่สามารถทนต่อรังสีไอออไนซ์ในปริมาณที่สูงมาก ได้พัฒนากลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่ช่วยให้สามารถสร้างโครโมโซมขึ้นใหม่ได้ แม้ว่าจะถูกทำลายเป็นหลายร้อยชิ้นด้วยรังสีหรือความร้อนก็ตาม (เครดิต: การปรับเปลี่ยนงานโดย Michael Daly ข้อมูลแถบมาตราส่วนจาก Matt Russell)

เชิงอรรถ

1. Battistuzzi, FU, Feijao, A และ Hedges, SB ช่วงเวลาจีโนมของวิวัฒนาการโปรคาริโอต: ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับต้นกำเนิดของการสร้างเมทาโนเจเนซิส การฉายแสง และการตั้งรกรากของแผ่นดิน BioMed Central: ชีววิทยาวิวัฒนาการ 4 (2004): 44, ดอย:10.1186/1471-2148-4-44

โครงสร้างเซลล์ของแบคทีเรียและอาร์เคีย

ในส่วนนี้ เราจะพูดถึงคุณสมบัติโครงสร้างพื้นฐานของทั้งแบคทีเรียและอาร์เคีย มีความคล้ายคลึงกันทางโครงสร้าง สัณฐานวิทยา และสรีรวิทยาระหว่างแบคทีเรียและอาร์เคีย ดังที่กล่าวไว้ในส่วนก่อนหน้า จุลินทรีย์เหล่านี้อาศัยอยู่ในซอกทางนิเวศวิทยาจำนวนมาก และดำเนินการกระบวนการทางชีวเคมีและเมแทบอลิซึมที่หลากหลาย ทั้งแบคทีเรียและอาร์เคียไม่มีนิวเคลียสที่จับกับเมมเบรนและออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรน ซึ่งเป็นจุดเด่นของยูคาริโอต

แม้ว่าแบคทีเรียและอาร์เคียเป็นโดเมนที่แยกจากกัน แต่ลักษณะทางสัณฐานวิทยาก็มีลักษณะทางโครงสร้างร่วมกันหลายอย่าง เป็นผลให้พวกเขาประสบปัญหาที่คล้ายกัน เช่น การขนส่งสารอาหารเข้าสู่เซลล์ การกำจัดของเสียออกจากเซลล์ และความจำเป็นในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมในท้องถิ่นอย่างรวดเร็ว ในส่วนนี้ เราจะเน้นว่าโครงสร้างเซลล์ทั่วไปช่วยให้เจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้อย่างไร และสร้างข้อจำกัดในเวลาเดียวกัน ข้อจำกัดที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับขนาดเซลล์

แม้ว่าแบคทีเรียและอาร์เคียจะมีหลายรูปแบบ แต่รูปร่างที่พบบ่อยที่สุดมีสามรูปแบบดังนี้: cocci (ทรงกลม), bacilli (รูปแท่ง) และ spirilli (รูปเกลียว) (รูปด้านล่าง) ทั้งแบคทีเรียและอาร์เคียมักมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับยูคาริโอตทั่วไป ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียส่วนใหญ่มักจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2 ถึง 1.0 µm (ไมโครเมตร) และมีความยาว 1-10 µm อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้น Epulopiscium fishelsoni เป็นแบคทีเรียรูปบาซิลลัสที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 80 µm และยาว 200-600 µm ไธโอมาร์การิตา นามิเบียนซิส เป็นแบคทีเรียทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 100 ถึง 750 µm และมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า สำหรับการเปรียบเทียบ นิวโทรฟิลของมนุษย์โดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 50 µm

รูปที่ 1. รูปนี้แสดงแบคทีเรียและอาร์เคียสามรูปร่างที่พบบ่อยที่สุด: (a) cocci (ทรงกลม), (b) bacilli (รูปแท่ง) และ (c) spirilli (รูปเกลียว)

คำถามเกี่ยวกับความคิด:

คำถามหนึ่งที่อยู่ในใจคือทำไมแบคทีเรียและอาร์เคียถึงมีขนาดเล็กมาก? อะไรคือข้อ จำกัด ที่ทำให้พวกมันเป็นจุลภาค? แบคทีเรียเช่น .ได้อย่างไร Epulopiscium fishelsoni และ ไธโอมาร์การิตา นามิเบียนซิส เอาชนะข้อ จำกัด เหล่านี้หรือไม่? ลองนึกถึงคำอธิบายหรือสมมติฐานที่เป็นไปได้ที่อาจตอบคำถามเหล่านี้ เราจะสำรวจและพัฒนาความเข้าใจในคำถามเหล่านี้โดยละเอียดด้านล่างและในชั้นเรียน

แบคทีเรียและเซลล์ต้นกำเนิด: โครงสร้างทั่วไป

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานของเซลล์

แบคทีเรียและอาร์เคียเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียว ซึ่งไม่มีโครงสร้างที่จับกับเมมเบรนภายในซึ่งแยกออกจากพลาสมาเมมเบรน ซึ่งเป็นเมมเบรนฟอสโฟลิปิดที่กำหนดขอบเขตระหว่างภายในและภายนอกเซลล์ ในแบคทีเรียและอาร์เคีย เยื่อหุ้มไซโตพลาสซึมยังมีปฏิกิริยาที่จับกับเมมเบรนทั้งหมด รวมถึงปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน การสังเคราะห์ ATP และการสังเคราะห์ด้วยแสง ตามคำจำกัดความ เซลล์เหล่านี้ไม่มีนิวเคลียส สารพันธุกรรมของพวกมันกลับอยู่ในพื้นที่ที่กำหนดโดยตนเองของเซลล์ที่เรียกว่านิวคลีออยด์ โครโมโซมของแบคทีเรียและอาร์คีลมักเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอที่มีเกลียวคู่แบบปิดแบบโควาเลนต์ อย่างไรก็ตาม แบคทีเรียบางชนิดมีโครโมโซมเชิงเส้น และแบคทีเรียและอาร์เคียบางชนิดมีโครโมโซมมากกว่าหนึ่งหรือองค์ประกอบจำลองแบบวงกลมที่ไม่จำเป็นขนาดเล็กของ DNA ที่เรียกว่าพลาสมิด นอกจากนิวคลีออยด์แล้ว ลักษณะทั่วไปต่อไปคือไซโตพลาสซึม (หรือไซโตซอล) ซึ่งเป็นบริเวณที่มีลักษณะคล้ายเยลลี่ "ที่มีน้ำ" ซึ่งครอบคลุมส่วนภายในของเซลล์ ไซโตพลาสซึมเป็นที่ที่เกิดปฏิกิริยาที่ละลายได้ (ไม่เกี่ยวข้องกับเมมเบรน) และมีไรโบโซม ซึ่งเป็นคอมเพล็กซ์โปรตีน-RNA ที่มีการสังเคราะห์โปรตีน ในที่สุด แบคทีเรียและอาร์เคียจำนวนมากก็มีผนังเซลล์ ซึ่งเป็นลักษณะโครงสร้างที่แข็งแรงรอบเยื่อหุ้มพลาสมาซึ่งช่วยป้องกันและจำกัดรูปร่างของเซลล์ คุณควรเรียนรู้การสร้างภาพร่างง่ายๆ ของเซลล์แบคทีเรียหรือเซลล์ต้นกำเนิดจากหน่วยความจำ

รูปที่ 2 แสดงคุณสมบัติของเซลล์โปรคาริโอตทั่วไป

ข้อจำกัดของแบคทีเรียและเซลล์อาร์คีล

ลักษณะทั่วไปอย่างหนึ่งที่เกือบจะเป็นสากลของแบคทีเรียและอาร์เคียคือพวกมันมีขนาดเล็กและมีขนาดเล็กมาก แม้แต่สองตัวอย่างที่ให้ไว้เป็นข้อยกเว้น Epulopiscium fishelsoni และ ไธโอมาร์การิตา นามิเบียนซิส, ยังคงเผชิญกับข้อ จำกัด พื้นฐานทั้งหมด แบคทีเรียและใบหน้าอาร์เคีย; พวกเขาพบกลยุทธ์เฉพาะเกี่ยวกับปัญหา อะไรคือข้อจำกัดที่ใหญ่ที่สุดเมื่อพูดถึงขนาดของแบคทีเรียและอาร์เคีย? ลองนึกถึงสิ่งที่เซลล์ต้องทำเพื่อความอยู่รอด

ข้อกำหนดพื้นฐานบางประการ

แล้วเซลล์ต้องทำอย่างไรถึงจะอยู่รอด? พวกเขาจำเป็นต้องเปลี่ยนพลังงานให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้ สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการสร้าง ATP การบำรุงรักษาเมมเบรนที่มีพลังงาน และการรักษา NAD . ที่มีประสิทธิผล+/NADH2 อัตราส่วน เซลล์ยังต้องสามารถสังเคราะห์โมเลกุลขนาดใหญ่ที่เหมาะสม (โปรตีน ลิปิด พอลิแซ็กคาไรด์ ฯลฯ) และส่วนประกอบโครงสร้างเซลล์อื่นๆ ในการทำเช่นนี้ พวกเขาจำเป็นต้องสามารถสร้างแกนกลาง ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญสำหรับโมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้น หรือดึงมาจากสิ่งแวดล้อม

การแพร่กระจายและความสำคัญต่อแบคทีเรียและอาร์เคีย

การเคลื่อนไหวโดยการแพร่กระจายเป็นแบบพาสซีฟและดำเนินการไล่ระดับความเข้มข้นลง เพื่อให้สารประกอบเคลื่อนจากภายนอกสู่ภายในเซลล์ สารประกอบจะต้องสามารถข้ามฟอสโฟลิปิดไบเลเยอร์ได้ หากความเข้มข้นของสารภายในเซลล์ต่ำกว่าภายนอก และมีคุณสมบัติทางเคมีที่เคลื่อนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ สารประกอบนั้นก็จะมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนเข้าสู่เซลล์อย่างกระฉับกระเฉง แม้ว่าเรื่องราว "ของจริง" จะซับซ้อนกว่าเล็กน้อย และจะกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในภายหลัง การแพร่กระจายเป็นหนึ่งในกลไกที่แบคทีเรียและอาร์เคียใช้เพื่อช่วยในการขนส่งเมตาบอลิซึม

การแพร่กระจายยังสามารถใช้เพื่อกำจัดของเสียบางชนิด เมื่อของเสียสะสมอยู่ภายในเซลล์ ความเข้มข้นของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมภายนอก และของเสียก็สามารถออกจากเซลล์ได้ การเคลื่อนที่ภายในเซลล์ทำงานในลักษณะเดียวกัน: สารประกอบจะเคลื่อนตัวไล่ระดับความเข้มข้นลง จากตำแหน่งที่สังเคราะห์ไปยังสถานที่ที่มีความเข้มข้นต่ำ ดังนั้นจึงอาจจำเป็น การแพร่กระจายเป็นกระบวนการสุ่ม—ความสามารถของสารประกอบหรือสารตั้งต้นสองชนิดที่แตกต่างกันสำหรับปฏิกิริยาเคมีในการโต้ตอบกลายเป็นการพบกันของโอกาส ดังนั้น ในพื้นที่ขนาดเล็กและจำกัด การโต้ตอบหรือการชนกันแบบสุ่มสามารถเกิดขึ้นได้บ่อยกว่าในพื้นที่ขนาดใหญ่

ความสามารถของสารประกอบในการแพร่กระจายขึ้นอยู่กับความหนืดของตัวทำละลาย ตัวอย่างเช่น คุณสามารถเคลื่อนที่ไปมาในอากาศได้ง่ายกว่าในน้ำมาก (ลองนึกถึงการเคลื่อนที่ไปรอบๆ ใต้น้ำในสระน้ำ) ในทำนองเดียวกัน การว่ายน้ำในแอ่งน้ำนั้นง่ายกว่าการว่ายน้ำในสระที่เติมเนยถั่ว หากคุณใส่สีผสมอาหารลงในแก้วน้ำ สีจะกระจายตัวอย่างรวดเร็วจนแก้วทั้งใบเปลี่ยนสี ตอนนี้คุณคิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณใส่สีผสมอาหารลงไปในแก้วน้ำเชื่อมข้าวโพด (หนืดและเหนียวมาก) แก้วน้ำเชื่อมข้าวโพดจะใช้เวลานานกว่ามากในการเปลี่ยนสี

ความเกี่ยวข้องของตัวอย่างเหล่านี้คือการสังเกตว่าไซโตพลาสซึมมีแนวโน้มที่จะหนืดมาก ประกอบด้วยโปรตีน สารเมแทบอไลต์ โมเลกุลขนาดเล็ก ฯลฯ จำนวนมาก และมีความหนืดเหมือนน้ำเชื่อมข้าวโพดมากกว่าน้ำ ดังนั้น การแพร่กระจายในเซลล์จึงช้ากว่าและจำกัดมากกว่าที่คุณคาดไว้ในตอนแรก Therefore, if cells rely solely on diffusion to move compounds around, what do you think happens to the efficiency of these processes as cells increase in size and their internal volumes get bigger? Is there a potential problem to getting big that is related to the process of diffusion?

So how do cells get bigger?

As you've likely concluded from the discussion above, with cells that rely on diffusion to move things around the cell—like bacteria and archaea—size does matter. So how do you suppose Epulopiscium fishelsoni และ Thiomargarita namibiensis got so big? Take a look at these links, and see what these bacteria look like morphologically and structurally: Epulopiscium fishelsoni และ Thiomargarita namibiensis.

Based on what we have just discussed, in order for cells to get bigger, that is, for their volume to increase, intracellular transport must somehow become independent of diffusion. One of the great evolutionary leaps was the ability of cells (eukaryotic cells) to transport compounds and materials intracellularly, independent of diffusion. Compartmentalization also provided a way to localize processes to smaller organelles, which overcame another problem caused by the large size. Compartmentalization and the complex intracellular transport systems have allowed eukaryotic cells to become very large in comparison to the diffusion-limited bacterial and archaeal cells. We'll discuss specific solutions to these challenges in the following sections.


The Discovery: Evidence for a Genetic Origin of Cancer

00:00:0109 When I began my career in cancer research,
00:00:0427 really nothing was known about how the disease arises.
00:00:1015 And now we know exactly why cancer occurs.
00:00:1419 We don't know all the causes, which is a problem.
00:00:1717 But we do know that once those causes have done their job,
00:00:2315 all cancer arises from the malfunction of genes.
00:00:3107 When I arrived to take up my position
00:00:3411 at the University of California, San Francisco,
00:00:3710 I met Warren Levinson,
00:00:4002 who was another newly recruited young scientist,
00:00:4324 who had been trained to study Rous sarcoma virus.
00:00:4922 Now, Rous sarcoma virus
00:00:5313 was discovered by Peyton Rous at the turn of the 20th century.
00:00:5716 And it was the first tumor virus ever described to any credible level.
00:01:0421 It was a historic discovery.
00:01:0713 And it was utterly neglected for over 50 years.
00:01:1112 This was a chicken virus.
00:01:1301 This virus was discovered in chickens originally.
00:01:1500 And did it bother me that it was a chicken virus?
00:01:1626 Not at all.
00:01:1718 I was a great believer in what we call the universality of nature,
00:01:2017 and if I could find out anything about cancer in a chicken,
00:01:2414 I knew it would apply to humans,
00:01:2618 and boy was I right.
00:01:3016 The biological effects were dramatic.
00:01:3204 You could take normal chick.
00:01:3424 chicken fibroblasts in a petri dish,
00:01:3622 put Rous sarcoma virus on them, on those cells,
00:01:3920 and within 24 hours they.
00:01:4300 their whole phenotype changed.
00:01:4512 Their appearance changed.
00:01:4627 Their replicative behavior changed to be more aggressive.
00:01:5003 They started crawling over each other in a.
00:01:5421 in a chaotic manner, like cancer cells can do.
00:01:5724 And of course, if you put the virus into a chicken
00:01:5926 you would also get a tumor.
00:02:0214 That's what Rous had originally done.
00:02:0421 That's how he discovered the virus.
00:02:0802 He took a tumor, lysed the cells,
00:02:1202 put it through a filter to take out any living cells,
00:02:1605 put that lysate, or filtrate as we called it,
00:02:1928 into. into chickens,
00:02:2401 and they would get the same tumor.
00:02:2601 And then he could make extracts from that tumor, filter it,
00:02:3103 put it in another chicken, and get a tumor again.
00:02:3407 Hence, Rous sarcoma virus.
00:02:3610 Another very important discovery was made that
00:02:4008 was overshadowed to an unfortunate extent
00:02:4225 by the discovery of reverse transcriptase.
00:02:4511 And that was a discovery made by Steven Morton,
00:02:4815 at the University of California, Berkeley,
00:02:5106 that Rous sarcoma virus had at least one gene
00:02:5602 -- and it turned out to be only one gene --
00:02:5818 that was responsible for the tumorigenic capacity
00:03:0200 of the virus.
00:03:0326 And that brings me to Harold Varmus,
00:03:0606 who joined me as a colleague in 1970,
00:03:0920 the year that reverse transcriptase was discovered,
00:03:1215 and two years after I started my work at UCSF.
00:03:1617 Harold joined me in an extremely informal process.
00:03:2319 He had been a postdoctoral fellow
00:03:2716 at National Institutes of Health,
00:03:3028 and had taken a course in tumor viruses.
00:03:3604 He was. he was working at the time with phage and bacteria.
00:03:3924 And I think about five minutes into the conversation,
00:03:4218 I decided. we gotta this guy in the lab,
00:03:4513 because he was obviously very smart.
00:03:4720 And we were on the same wavelength scientifically:
00:03:4929 we wanted to do molecular biology of the virus.
00:03:5229 And we shared other interests, cultural interests,
00:03:5600 particularly literary interests.
00:03:5920 We decided that we ought to look for src in normal cells.
00:04:0327 Now, this was well before recombinant DNA.
00:04:0529 If we'd had recombinant DNA,
00:04:0719 we could have done the subsequent experiments in a few months.
00:04:1017 As it was, it took four years.
00:04:1314 And here we were helped, again, by genetics.
00:04:1626 Peter Vogt, a long-standing collaborator of ours.
00:04:2114 Peter Vogt was a master of the biology of these viruses
00:04:2501 and the genetics,
00:04:2706 and he had isolated mutants in Rous sarcoma virus
00:04:3119 that were deletions of src.
00:04:3602 So, we had available to us the deletion mutant,
00:04:4001 which had no src, or a very little piece of src in it.
00:04:4526 And of course we have the full Rous sarcoma virus genome
00:04:4924 with src in it.
00:04:5125 So, the idea was that we would copy.
00:04:5419 use reverse transcriptase to copy the genome of Rous sarcoma virus
00:04:5801 into radioactive DNA.
00:05:0013 And then we would use the deletion mutant to fish.
00:05:0329 to pull out, by molecular hybridization.
00:05:0927 we would use the deletion mutant to pull out all of the nucleotide sequences
00:05:1320 of the replicative genes
00:05:1705 and leave the src nucleotides in the.
00:05:2112 in the residue, if you will.
00:05:2408 It worked like a charm.
00:05:2623 It was hard work.
00:05:2904 The first hints that it would work came from
00:05:3314 a postdoctoral fellow named Ramareddy Guntaka,
00:05:3618 but he had a full-blown project well underway.
00:05:3909 And once he had shown that we could probably make a probe this way,
00:05:4300 we recruited another postdoctoral fellow, Dominique Stehelin,
00:05:4700 to run with it.
00:05:4918 And he did, in spades.
00:05:5207 We began to make this src-specific probe.
00:05:5521 We were. we were able to demonstrate its specificity
00:05:5826 in a variety of ways.
00:06:0027 He was able to make this probe consistently,
00:06:0505 and to use it,
00:06:0819 and soon found that the probe
00:06:1302 would react with normal chicken DNA.
00:06:1426 If you want to use the probe to
00:06:1917 assess the presence of the sequences in the probe in DNA,
00:06:2410 you first have to take the DNA apart,
00:06:2622 denature it as they say.
00:06:2908 The strands separate.
00:06:3026 And then you put the radioactive probe in there,
00:06:3315 and you allow the seq.
00:06:3602 the strands to reassociate.
00:06:3814 And the radioactive probe gets taken up in the mix.
00:06:4202 And so, although the bulk of the DNA
00:06:4504 will reassociate with its unlabeled original complement,
00:06:5007 some of it will reanneal with the radioactive probe.
00:06:5315 There was something in the DNA of normal avian cells
00:06:5704 that was homologous to the oncogene,
00:07:0003 the cancer gene,
00:07:0129 of Rous sarcoma virus.
00:07:0314 And we called it "cell src",
00:07:0502 for the sake of the argument.
00:07:0621 If you fiddled with the reaction conditions,
00:07:0820 the probe would react with DNA from any avian species we tested,
00:07:1117 including the most primitive species,
00:07:1412 such as ostrich or the ratite.
00:07:1702 the so-called ratites: the ostrich, the emu, the rhea.
00:07:2026 Incidentally, it was not easy to come by the DNA for these creatures,
00:07:2405 but we managed one way or another.
00:07:2714 I vividly remember the morning that Dominique
00:07:3117 brought us the first positive results.
00:07:3410 They'd come in late Saturday evening,
00:07:3814 when Harold and I,
00:07:4021 who were in a partnership at the time,
00:07:4302 that lasted for 15 years,
00:07:4513 first saw the data.
00:07:4813 I. I was dumbfounded.
00:07:5322 I recognized that this was a heretical discovery,
00:07:5825 and that we were gonna have to.
00:08:0027 we were gonna have to construct an airtight argument.
00:08:0407 So, I think I was a little less enthusiastic
00:08:0708 than Dominique would have liked,
00:08:0826 because he was beside himself with excitement.
00:08:1208 But Harold and I both understood from the get-go
00:08:1529 that if this was real we were looking.
00:08:2102 we were looking at a possible entree
00:08:2503 to the very fundamental underpinning of cancer.
00:08:3417 By the time I gave my Nobel lecture,
00:08:3901 I had a slide with something like 30 retroviral oncogenes,
00:08:4414 each of which had a demonstrable proto-oncogene progenitor,
00:08:5007 if you will, in normal cells.
00:08:5227 And as they. as the number mounted,
00:08:5424 it became clear that here was.
00:08:5710 here was the makings of a fun.
00:09:0023 of a. a unifying theory of cancer.
00:09:0601 And we were cautious about how we stated that publicly, at first.
00:09:1222 But by the early '80s,
00:09:1510 I was using that term,
00:09:1714 a unifying theory of how all cancers come about.
00:09:2201 It was a gradually building thrill
00:09:2612 to realize that we had the cancer cell by the neck,
00:09:3015 in terms of understanding it.
00:09:3213 Not in terms of throttling it,
00:09:3505 but in terms of understanding it.

  • Educators of H. School / Intro Undergrad
  • นักเรียน
  • Educators of Adv. Undergrad / Grad
  • Researcher
  • Educators