Informație

2017_SS1_Prelegere_09 - Biologie


Reacții independente de lumină și fixare a carbonului

O scurtă introducere

Principiul general al fixării carbonului este că unele celule, în anumite condiții, pot lua carbon anorganic, CO2 (denumit și carbon mineralizat) și reduceți-l la o formă celulară utilizabilă. Cei mai mulți dintre noi sunt conștienți de faptul că plantele verzi pot absorbi CO2 și produc O2 într-un proces cunoscut sub numele de fotosinteză. Am discutat deja despre fotofosforilare, capacitatea unei celule de a transfera energia luminii pe substanțe chimice și în cele din urmă de a produce purtătorii de energie ATP și NADPH într-un proces cunoscut sub numele de reacții luminoase. În fotosinteză, celulele plantelor folosesc ATP și NADPH formate în timpul fotofosforilării pentru a reduce CO2 la zahăr, (cum vom vedea, în special G3P) în ceea ce se numesc reacții întunecate. În timp ce apreciem că acest proces are loc la plantele verzi, fotosinteza și-a avut originile evolutive în lumea bacteriană. În acest modul vom trece peste reacțiile generale ale ciclului Calvin, o cale reductivă care încorporează CO2 în material celular.

În bacteriile fotosintetice, cum ar fi cianobacteriile și bacteriile violete fără sulf, precum și plantele, energia (ATP) și reducerea puterii (NADPH) - un termen folosit pentru a descrie purtătorii de electroni în starea lor redusă - obținut din fotofosforilare este cuplat la "Fixarea carbonului", încorporarea carbonului anorganic (CO2) în molecule organice; inițial sub formă de gliceraldehidă-3-fosfat (G3P) și în cele din urmă în glucoză. Organisme care pot obține tot carbonul necesar dintr-o sursă anorganică (CO2) sunt denumite autotrofi, în timp ce acele organisme care necesită forme organice de carbon, cum ar fi glucoza sau aminoacizii, sunt denumite heterotrofi. Calea biologică care duce la fixarea carbonului se numește Ciclul Calvin și este o cale reductivă (consumă energie/folosește electroni) care duce la reducerea CO2 la G3P.

Ciclul Calvin: reducerea CO2 la gliceraldehidă 3-fosfat

Figura 1. Reacțiile luminoase valorifică energia de la soare pentru a produce legături chimice, ATP și NADPH. Aceste molecule purtătoare de energie sunt fabricate în stromă, unde are loc fixarea carbonului.

În celulele vegetale, ciclul Calvin este localizat în cloroplaste. În timp ce procesul este similar în bacterii, nu există organele specifice care găzduiesc Ciclul Calvin, iar reacțiile au loc în citoplasmă în jurul unui sistem de membrană complex derivat din membrana plasmatică. Acest sistem membranar intracelular poate fi destul de complex și puternic reglementat. Există dovezi puternice care susțin ipoteza că originea cloroplaste dintr-o simbioză între cianobacterii și celulele vegetale timpurii.

Etapa 1: Fixarea carbonului

În stroma cloroplastelor vegetale, în plus față de CO2, alte două componente sunt prezente pentru a iniția reacțiile independente de lumină: o enzimă numită ribuloză-1,5-bisfosfat carboxilază/oxigenază (RuBisCO) și trei molecule de ribuloză bifosfat (RuBP), așa cum se arată în figura de mai jos. Ribuloza-1,5-bifosfat (RuBP) este compus din cinci atomi de carbon și include doi fosfați.

Figura 2. Ciclul Calvin are trei etape. În etapa 1, enzima RuBisCO încorporează dioxid de carbon într-o moleculă organică, 3-PGA. În etapa 2, molecula organică este redusă folosind electroni furnizați de NADPH. În etapa 3, RuBP, molecula care începe ciclul, este regenerată, astfel încât ciclul să poată continua. Doar o moleculă de dioxid de carbon este încorporată la un moment dat, așa că ciclul trebuie finalizat de trei ori pentru a produce o singură moleculă de GA3P cu trei atomi de carbon și de șase ori pentru a produce o moleculă de glucoză cu șase atomi de carbon.

RuBisCO catalizează o reacție între CO2 și RuBP. Pentru fiecare CO2 moleculă care reacționează cu o RuBP, se formează două molecule dintr-un alt compus (3-PGA). PGA are trei atomi de carbon și un fosfat. Fiecare tură a ciclului implică doar un RuBP și un dioxid de carbon și formează două molecule de 3-PGA. Numărul de atomi de carbon rămâne același, deoarece atomii se deplasează pentru a forma noi legături în timpul reacțiilor (3 atomi din 3CO2 + 15 atomi din 3RuBP = 18 atomi în 3 atomi de 3-PGA). Acest proces se numește carbon fixare, deoarece CO2 este „fixat” dintr-o formă anorganică într-o moleculă organică.

Etapa 2: Reducere

ATP și NADPH sunt folosite pentru a converti cele șase molecule de 3-PGA în șase molecule ale unei substanțe chimice numite gliceraldehidă 3-fosfat (G3P) - un compus de carbon care se găsește și în glicoliză. În acest proces sunt utilizate șase molecule atât de ATP, cât și de NADPH. Procesul exergonic de hidroliză a ATP conduce, de fapt, reacțiile redox endergonice, creând ADP și NADP.+. Ambele aceste molecule „cheltuite” (ADP și NADP+) revine la reacțiile dependente de lumină din apropiere pentru a fi reciclate înapoi în ATP și NADPH.

Etapa 3: Regenerare

Interesant este că în acest moment, doar una dintre moleculele G3P părăsește ciclul Calvin pentru a contribui la formarea altor compuși necesari organismului. În plante, deoarece G3P exportat din ciclul Calvin are trei atomi de carbon, este nevoie de trei „tururi” ale ciclului Calvin pentru a fixa suficient carbon net pentru a exporta un G3P. Dar fiecare tură face două G3P-uri, astfel trei ture fac șase G3P-uri. Una este exportată în timp ce celelalte cinci molecule G3P rămân în ciclu și sunt folosite pentru a regenera RuBP, ceea ce permite sistemului să se pregătească pentru mai mult CO2 a fi reparat. În aceste reacții de regenerare sunt folosite încă trei molecule de ATP.

Linkuri suplimentare de interes

Acizi nucleici

Există două tipuri de acizi nucleici în biologie: ADN și ARN. ADN-ul poartă informația genetică ereditară a celulei și este compus din două catene antiparalele de nucleotide dispuse într-o structură elicoidală. Fiecare subunitate de nucleotide este compusă dintr-un zahăr pentoză (dezoxiriboză), o bază azotată și o grupare fosfat. Cele două catene se asociază prin legături de hidrogen între baze azotate complementare chimic. Interacțiunile cunoscute sub numele de interacțiuni de „stivuire de bază” ajută, de asemenea, la stabilizarea dublei helix. Spre deosebire de ADN, ARN-ul poate fi fie monocatenar, fie dublu catenar. De asemenea, este compus dintr-un zahăr pentoză (riboză), o bază azotată și o grupare fosfat. ARN-ul este o moleculă de mai trucuri. Este implicat în sinteza proteinelor ca mesager, regulator și catalizator al procesului. ARN-ul este, de asemenea, implicat în diverse alte procese de reglare celulară și ajută la catalizarea unor reacții cheie (mai multe despre aceasta mai târziu). În ceea ce privește ARN, în acest curs ne interesează în primul rând (a) cunoașterea structurii moleculare de bază a ARN-ului și ceea ce îl deosebește de ADN, (b) înțelegerea chimiei de bază a sintezei ARN care are loc în timpul unui proces numit transcripție, (c ) aprecierea diferitelor roluri pe care le poate avea ARN-ul în celulă și (d) învățarea principalelor tipuri de ARN pe care le veți întâlni cel mai frecvent (adică ARNm, ARNr, ARNt, miARN etc.) și asociindu-le cu procesele în care sunt implicate cu. În acest modul ne concentrăm în primul rând asupra structurilor chimice ale ADN-ului și ARN-ului și asupra modului în care acestea pot fi distinse unele de altele.

Structura nucleotidelor

Cele două tipuri principale de acizi nucleici sunt acid dezoxiribonucleic (ADN) și acid ribonucleic (ARN). ADN-ul și ARN-ul sunt formați din monomeri cunoscuți ca nucleotide. Nucleotidele individuale se condensează între ele pentru a forma a acid nucleic polimer. Fiecare nucleotidă este alcătuită din trei componente: o bază azotată (pentru care există cinci tipuri diferite), un zahăr pentoză și o grupă fosfat. Acestea sunt ilustrate mai jos. Principala diferență dintre aceste două tipuri de acizi nucleici este prezența sau absența unei grupări hidroxil la nivelul C.2 poziție, numită și poziție 2’ (citește „doi prime”), a pentozei (a se vedea figura 1 legenda și secțiunea despre zahărul pentozei pentru mai multe despre numerotarea carbonului). ARN-ul are o grupare funcțională hidroxil în acea poziție 2’ a zahărului pentoză; zahărul se numește riboză, de unde și numele riboacid nucleic. Prin contrast, ADN-ului îi lipsește gruparea hidroxil în acea poziție, de unde și numele, „deoxi” riboacid nucleic. ADN-ul are un atom de hidrogen în poziția 2’.

figura 1. O nucleotidă este alcătuită din trei componente: o bază azotată, un zahăr pentoză și una sau mai multe grupări fosfat. Carbonii din pentoză sunt numerotați de la 1′ la 5′ (primul distinge aceste reziduuri de cele din bază, care sunt numerotate fără a folosi o notație primă). Baza este atașată la poziția 1′ a ribozei, iar fosfatul este atașat la poziția 5′. Când se formează o polinucleotidă, fosfatul 5′ al nucleotidei de intrare se atașează la gruparea hidroxil 3′ de la capătul lanțului în creștere. Două tipuri de pentoză se găsesc în nucleotide, deoxiriboză (găsită în ADN) și riboză (găsită în ARN). Deoxiriboza este similară ca structură cu riboza, dar are un -H în ​​loc de un -OH în poziția 2′. Bazele pot fi împărțite în două categorii: purine și pirimidine. Purinele au o structură de inel dublu, iar pirimidinele au un singur inel.
Atribuire: Marc T. Facciotti (opera originală)

Baza azotata

Bazele azotate ale nucleotidelor sunt molecule organice și sunt numite astfel deoarece conțin carbon și azot. Sunt baze deoarece conțin o grupare amino care are potențialul de a lega un hidrogen în plus și, astfel, acționează ca bază prin scăderea concentrației ionilor de hidrogen în mediul local. Fiecare nucleotidă din ADN conține una dintre cele patru baze azotate posibile: adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timină (T). În schimb, ARN-ul conține adenină (A), guanină (G) citozină (C) și uracil (U) în loc de timină (T).

Adenina și guanina sunt clasificate ca purine. Caracteristica structurală distinctivă principală a unei purine este inelul dublu carbon-azot. Citozina, timina și uracilul sunt clasificate ca pirimidinele. Acestea se disting structural printr-un singur inel carbon-azot. Veți fi de așteptat să recunoașteți că fiecare dintre aceste structuri inelare este decorată de grupuri funcționale care pot fi implicate într-o varietate de chimie și interacțiuni.

Notă: practică

Luați un moment pentru a revizui bazele azotate din Figura 1. Identificați grupurile funcționale așa cum este descris în clasă. Pentru fiecare grup funcțional identificat, descrieți în ce tip de chimie vă așteptați să fie implicat. Încercați să identificați dacă grupul funcțional poate acționa fie ca donor de legături de hidrogen, fie ca acceptor sau ambele?

Zahărul pentoză

Zahărul pentoză conține cinci atomi de carbon. Fiecare atom de carbon al moleculei de zahăr este numerotat ca 1′, 2′, 3′, 4′ și 5′ (1′ se citește ca „un prim”). Cele două grupuri funcționale principale care sunt atașate zahărului sunt adesea denumite în referire la carbonul de care sunt legate. De exemplu, reziduul de fosfat este atașat la carbonul 5′ al zahărului, iar gruparea hidroxil este atașată la carbonul 3′ al zahărului. Vom folosi adesea numărul de atomi de carbon pentru a ne referi la grupuri funcționale de pe nucleotide, așa că fiți foarte familiarizați cu structura zahărului pentoză.

Zahărul pentoză din ADN se numește deoxiriboză, iar în ARN, zahărul este riboză. Diferența dintre zaharuri este prezența grupării hidroxil pe carbonul 2’ al ribozei și absența acesteia pe carbonul 2’ al dezoxiribozei. Prin urmare, puteți determina dacă vă uitați la o nucleotidă ADN sau ARN prin prezența sau absența grupării hidroxil de pe atomul de carbon 2' - probabil vi se va cere să faceți acest lucru în numeroase ocazii, inclusiv examene.

Grupa fosfat

Pot exista oriunde între una și trei grupări fosfat legate de carbonul 5’ al zahărului. Când un fosfat este legat, nucleotida este denumită a Nucleotidă MonoPfosfat (NMP). Dacă doi fosfați sunt legați, nucleotida este denumită Nucleotidă DiPfosfat (NDP). Când trei fosfați sunt legați de nucleotidă, se numește a Nucleotidă TriPfosfat (NTP). Legăturile fosfoanhidride dintre care leagă grupările fosfat între ele au proprietăți chimice specifice care le fac bune pentru diferite funcții biologice. Hidroliza legăturilor dintre grupările fosfat este termodinamic exergonic în condiţii biologice; natura a dezvoltat numeroase mecanisme pentru a cupla această schimbare negativă a energiei libere pentru a ajuta la declanșarea multor reacții în celulă. Figura 2 prezintă structura nucleotidului trifosfat Adenozin Trifosfat, ATP, despre care vom discuta mai detaliat în alte capitole.

Notă: legături „de înaltă energie”.

Termenul „legătură de înaltă energie” este folosit MULT în biologie. Acest termen este, totuși, o scurtătură verbală care poate provoca o oarecare confuzie. Termenul se referă la cantitatea de energie liberă negativă asociată cu hidroliza legăturii în cauză. Apa (sau alt partener de reacție echivalent) este o contribuție importantă la calculul energetic. În ATP, de exemplu, pur și simplu „ruperea” unei legături fosfoanhidride - să zicem cu pensete moleculare imaginare - prin scoaterea unui fosfat nu ar fi favorabilă din punct de vedere energetic. Trebuie, așadar, să fim atenți să nu spunem că ruperea legăturilor din ATP este favorabilă energetic sau că „eliberează energie”. Mai degrabă, ar trebui să fim mai specifici, observând că hidroliza legăturii este favorabilă din punct de vedere energetic. O parte din această concepție greșită comună este legată, în opinia noastră, de utilizarea termenului „legături de înaltă energie”. În timp ce în Bis2a am încercat să minimizăm utilizarea vernaculară „energie înaltă” atunci când ne referim la legături, încercând în schimb să descriem reacțiile biochimice folosind termeni mai specifici, în calitate de studenți la biologie, fără îndoială, veți întâlni potențialul înșelător – deși este util. - scurtătură „legatură de înaltă energie” pe măsură ce vă continuați studiile. Așadar, țineți cont de cele de mai sus atunci când citiți sau ascultați diverse discuții în biologie. La naiba, folosește singur termenul. Doar asigurați-vă că înțelegeți cu adevărat la ce se referă.

Figura 2. ATP (adenozin trifosfat) are trei grupări fosfat care pot fi îndepărtate prin hidroliză pentru a forma ADP (adenozin difosfat) sau AMP (adenozin monofosfat).
Atribuire: Marc T. Facciotti (opera originală)

Structura cu dublu helix a ADN-ului

ADN-ul are o structură de dublă helix (prezentată mai jos) creată de două catene de subunități de nucleotide legate covalent. Grupele de zahăr și fosfat ale fiecărei catene de nucleotide sunt poziționate în exteriorul helixului, formând coloana vertebrală a ADN-ului (evidențiată de panglicile portocalii din Figura 3). Cele două fire ale helixului se desfășoară în direcții opuse, ceea ce înseamnă că capătul de carbon 5′ al unui fir se va confrunta cu capătul de carbon de 3′ al firului său de potrivire (A se vedea figurile 4 și 5). Ne-am referit la această orientare a celor două fire ca antiparalel. De asemenea, rețineți că grupurile de fosfat sunt descrise în Figura 3 ca „bețișoare” portocalii și roșii care ies din panglică. Fosfații sunt încărcați negativ la pH-uri fiziologice și, prin urmare, conferă coloanei vertebrale a ADN-ului un caracter puternic încărcat negativ local. Prin contrast, bazele azotate sunt stivuite în interiorul helixului (acestea sunt reprezentate ca bețișoare verzi, albastre, roșii și albe în Figura 3). Perechile de nucleotide interacționează între ele prin legături specifice de hidrogen (prezentate în Figura 5). Fiecare pereche este separată de următoarea pereche de baze din scară cu 0,34 nm și această stivuire apropiată și orientare plană dă naștere la interacțiuni favorabile energetic de stivuire de bază. Chimia specifică asociată cu aceste interacțiuni depășește conținutul Bis2a, dar este descrisă mai detaliat aici pentru studenții curioși sau mai avansați. Ne așteptăm, totuși, ca studenții să fie conștienți de faptul că stivuirea bazelor azotate contribuie la stabilitatea dublei helix și să ne amânăm instructorilor de genetică din divizia superioară și chimie organică pentru a completa detaliile chimice.

Figura 3. ADN-ul nativ este un dublu helix antiparalel. Coloana vertebrală de fosfat (indicată de liniile curbe) este în exterior, iar bazele sunt în interior. Fiecare bază dintr-o catenă interacționează prin legături de hidrogen cu o bază din catena opusă.
Atribuire: Marc T. Facciotti (opera originală)

Într-o dublă helix, anumite combinații de împerechere de baze sunt mai favorizate din punct de vedere chimic decât altele, pe baza tipurilor și a locațiilor grupurilor funcționale de pe bazele azotate ale fiecărei nucleotide. În biologie găsim că:

Adenina (A) este complementară chimic cu timidina (T) (A se asociază cu T)

și

Guanina (G) este complementară chimic cu citozina (C) (G perechi cu C).

Adesea ne referim la acest model ca „complementaritate de bază” și spunem că firele antiparalele sunt complementar unul altuia. De exemplu, dacă secvența unei catene este de ADN este 5'-AATTGGCC-3', catena complementară ar avea secvența 5'-GGCCAATT-3'.

Uneori alegem să reprezentăm structuri complementare dublu-helicol în text prin stivuirea toroanelor complementare peste altele, după cum urmează:

5' - GGCCAATTCCATACTAGGT - 3'

3' - CCGGTTAAGGTATGATCCA - 5'

Rețineți că fiecare șuviță are capetele sale 5’ și 3’ etichetate și că dacă unul ar merge de-a lungul fiecărei șuvi pornind de la capătul 5’ până la capătul 3’, direcția de deplasare ar fi opusă celeilalte pentru fiecare șuviță; firele sunt antiparalele. Spunem în mod obișnuit lucruri precum „rularea 5-prim la 3-prim” sau „sintetizat 5-prim la 3-prim” pentru a ne referi la direcția în care citim o secvență sau direcția de sinteză. Începeți să vă obișnuiți cu această nomenclatură.

Figura 4. Panoul A. Într-o moleculă de ADN dublu catenar, cele două catene sunt antiparalele una cu cealaltă, astfel încât o catenă se desfășoară între 5′ și 3′, iar cealaltă 3′ până la 5′. Aici firele sunt descrise ca linii albastre și verzi îndreptate în orientarea de la 5’ la 3’. Împerecherea bazelor complementare este reprezentată cu o linie orizontală între bazele complementare. Panoul B. Cele două fire antiparalele sunt reprezentate în formă dublu-helicol. Rețineți că orientarea șuvițelor este încă reprezentată. Mai mult, rețineți că helix-ul este dreptaci - „ondula” helixului, reprezentată în violet, se înfășoară în direcția degetelor mâinii dacă este folosită mâna dreaptă, iar direcția helixului este îndreptată spre degetul mare. Panoul C. Această reprezentare prezintă două trăsături structurale care decurg din asamblarea celor două toroane numite caneluri majore și minore. Aceste caneluri pot fi văzute și în Figura 3.
Atribuire: Marc T. Facciotti (opera originală)

Figura 5. O vedere mărită la nivel molecular a catenelor antiparalele din ADN. Într-o moleculă de ADN dublu catenar, cele două catene sunt antiparalele una cu cealaltă, astfel încât o catenă se desfășoară între 5′ și 3′, iar cealaltă 3′ până la 5′. Coloana vertebrală de fosfat este situată în exterior, iar bazele sunt în mijloc. Adenina formează legături de hidrogen (sau perechi de baze) cu timina, iar perechi de baze guanine cu citozina.
Atribuire: Marc T. Facciotti (opera originală)

Funcțiile și rolurile nucleotidelor și acizilor nucleici de urmărit în Bis2a

Pe lângă rolurile lor structurale în ADN și ARN, nucleotidele precum ATP și GTP servesc și ca purtători de energie mobili pentru celulă. Unii elevi sunt surprinși când învață să aprecieze că moleculele de ATP și GTP pe care le discutăm în contextul bioenergeticii sunt aceleași cu cele implicate în formarea acizilor nucleici. Vom acoperi acest lucru mai detaliat când vom discuta despre reacțiile de sinteză a ADN-ului și a ARN-ului. Nucleotidele joacă, de asemenea, roluri importante ca co-factori în multe reacții catalizate enzimatic.

Acizii nucleici, în special ARN, joacă o varietate de roluri în procesele celulare, pe lângă faptul că sunt molecule de stocare a informațiilor. Unele dintre rolurile la care ar trebui să fii atent pe măsură ce progresăm prin curs includ: (a) Riboproteină complexe - complexe ARN-proteine ​​în care ARN-ul servește atât rol catalitic, cât și structural. Exemple de astfel de complexe includ ribozomi (ARNr), RNaze, complecși splicezozomi și telomeraza. (b) Roluri de stocare și transfer de informații. Aceste roluri includ molecule precum ADN, ARN mesager (ARNm), ARN de transfer (ARNt). (c) Roluri de reglementare. Exemple dintre acestea includ diverse non-coding (ncARN). Wikipedia are un rezumat cuprinzător al diferitelor tipuri de molecule de ARN cunoscute pe care vă recomandăm să le parcurgeți pentru a obține o mai bună înțelegere a diversității funcționale mari a acestor molecule.

Genoamele ca modele ale organismelor

Un genom, care nu trebuie confundat cu un gnom, este colecția completă a unui organism de informații ereditare stocate în ADN. Diferențele în conținutul informațiilor ajută la explicarea diversității vieții pe care o vedem peste tot în jurul nostru. Modificările la informațiile codificate în genom sunt factorii principali ai diversității fenotipice pe care le vedem (și unele nu le putem) în jurul nostru, care sunt filtrate de selecția naturală și, prin urmare, sunt motoarele evoluției. Acest lucru duce la întrebări. Dacă fiecare celulă dintr-un organism multicelular conține aceeași secvență de ADN, cum pot exista tipuri diferite de celule (de exemplu, cum poate o celulă dintr-un ficat să fie atât de diferită de o celulă din creier dacă ambele poartă același ADN)? Cum citim informațiile? Cum interpretăm ceea ce citim? Cum înțelegem cum se interacționează funcțional toate „părțile” pe care le identificăm în genom? Cum sunt toate acestea legate de exprimarea trăsăturilor? Cum schimbările în genom conduc la modificări ale trăsăturilor?

Determinarea unei secvențe genomului

Informațiile codificate în genomi oferă date importante pentru înțelegerea vieții, funcțiile sale, diversitatea și evoluția ei. Prin urmare, este de la sine înțeles că un loc rezonabil pentru a începe studii în biologie ar fi citirea conținutului de informații codificat în genomul (genomul) în cauză. Un bun punct de plecare este determinarea secvenței de nucleotide (A, G, C, T) și organizarea lor într-una sau mai multe unități de ADN care se replic independent (de exemplu, cromozomi și/sau plasmide). Timp de peste 30 de ani după descoperirea că ADN-ul este materialul ereditar, aceasta a fost o propunere descurajantă. La sfârșitul anilor 1980, totuși, apariția instrumentelor semi-automatizate pentru secvențierea ADN-ului a fost pionierat, iar aceasta a început o revoluție care a schimbat dramatic modul în care abordăm studiul vieții. Douăzeci de ani mai târziu, la mijlocul anilor 2000, am intrat într-o perioadă de progres tehnologic accelerat în care progrese în știința materialelor (în special, progrese în capacitatea noastră de a face lucruri la scară foarte mică), optică, inginerie electrică și informatică, bioinginerie, și științele informatice au convergit pentru a ne aduce creșteri dramatice ale capacității noastre de a secvenționa ADN-ul și, în consecință, scăderi dramatice ale costului numeroaselor progrese în capacitatea noastră de a secvenționa ADN-ul. Un exemplu faimos pentru a ilustra acest punct este compararea modificărilor costului secvenței genomului uman. Prima schiță a genomului uman a durat aproape 15 ani și 3 miliarde de dolari pentru a fi finalizată. Astăzi, 10 de genomi umani pot fi secvențiați într-o singură zi pe un singur instrument la un cost de mai puțin de 1000 USD fiecare (costul și timpul continuă să scadă). Astăzi, companii precum Illumina, Pacific Biosciences, Oxford Nanopore și altele oferă tehnologii concurente care reduc costurile și cresc volumul, calitatea, viteza și portabilitatea secvențierii ADN.

Unul dintre elementele foarte interesante ale revoluției de secvențiere a ADN-ului este că a necesitat și continuă să necesite contribuții din partea biologilor, chimiștilor, specialiștilor în materie de materiale, inginerilor electrici, inginerilor mecanici, informaticienilor și programatorilor, matematicienilor și statisticienilor, dezvoltatorilor de produse și multor alții. experți tehnici. Aplicațiile și implicațiile potențiale ale deblocării barierelor în calea secvențierii ADN-ului au implicat, de asemenea, investitori, oameni de afaceri, dezvoltatori de produse, antreprenori, eticieni, factori de decizie și mulți alții să caute noi oportunități și să se gândească la cum să folosească cel mai bine și cel mai responsabil această tehnologie în creștere. .

Progresele tehnologice în secvențierea genomului au dus la un val virtual de secvențe complete de genom care sunt determinate și depozitate în baze de date disponibile public. Multe dintre ele le găsiți la Centrul Național de Informare în Biotehnologie. Numărul de genomi disponibile, complet secvențial, se numără la zeci de mii - peste 2.000 de genomi eucarioți, peste 600 de genomi arheali și aproape 12.000 de genomi bacterieni la momentul scrierii acestui articol. Zeci de mii de alte proiecte de secvențiere a genomului sunt în derulare. Cu atâtea secvențe de genom disponibile - sau care vor fi în curând disponibile - putem începe să punem multe întrebări despre ceea ce vedem în acești genomi. Ce tipare sunt comune tuturor genomilor? Câte gene sunt codificate în genomi? Cum sunt organizate acestea? Câte tipuri diferite de caracteristici putem găsi? Ce fac caracteristicile pe care le găsim? Cât de diferiți sunt genomii unul de celălalt? Există dovezi care ne pot spune cum evoluează genomul? Să examinăm pe scurt câteva dintre aceste întrebări.

Diversitatea genomurilor

Diversitate de dimensiuni, număr de gene și cromozomi

Să începem prin a examina gama de dimensiuni ale genomului. În tabelul de mai jos, vedem o eșantionare de genom din baza de date. Putem vedea că genomurile organismelor vii libere variază enorm în mărime. Cel mai mic genom cunoscut este codificat în 580.000 de perechi de baze, în timp ce cel mai mare este de 150 de miliarde de perechi de baze - pentru referință, amintiți-vă că genomul uman are 3,2 miliarde de perechi de baze. Aceasta este o gamă uriașă de dimensiuni. De asemenea, există diferențe similare în ceea ce privește numărul de gene.

Tabelul 1. Acest tabel prezintă câteva date despre genom pentru diferite organisme. 2n = număr diploid. Atribuire: Marc T. Facciotti (opera propriereprodus de pe http://book.bionumbers.org/how-big-are-genomes/)

Examinarea tabelului 1 relevă, de asemenea, că unele organisme poartă cu ele mai mult de un cromozom. Unele genomi sunt, de asemenea poliploid, ceea ce înseamnă că păstrează mai multe copii ale similare, dar nu identice (omolog) copii ale fiecărui cromozom. Un organism diploid poartă în genomul său două copii omoloage (de obicei una de la mama și una de la tata) ale fiecărui cromozom. Oamenii sunt diploizi. Celulele noastre somatice poartă 2 copii omoloage a 23 de cromozomi. Am primit 23 de exemplare de cromozomi individuali de la mama noastră și 23 de copii de la tatăl nostru, pentru un total de 46. Unele plante au ploidie mai mare. De exemplu, o plantă cu patru copii omoloage ale fiecărui cromozom este numită tetraploid. Un organism cu o singură copie a fiecărui cromozom este denumit haploid.

Structura genomului

Tabelul 1 oferă, de asemenea, indicii pentru alte puncte de interes. De exemplu, dacă comparăm genomul peștelui-puffer cu genomul cimpanzeului, observăm că ele codifică aproximativ același număr de gene (19.000), dar fac acest lucru pe genomi de dimensiuni dramatic diferite - 400 de milioane de perechi de baze față de 3,3 miliarde de perechi de baze, respectiv . Acest lucru implică faptul că genomul peștelui-puffer trebuie să aibă mult mai puțin spațiu între genele sale decât ceea ce s-ar putea aștepta să fie găsit în genomul cimpanzeului. Într-adevăr, acesta este cazul, iar diferența în densitatea genelor nu este unică pentru aceste două genomi. Dacă ne uităm la Figura 1, care încearcă să reprezinte o parte de 50 kb a genomului uman, observăm că, pe lângă regiunile care codifică proteine ​​(indicate în roșu și roz), pot fi multe alte așa-numite „trăsături”. citit din genom. Multe dintre aceste elemente conțin secvențe foarte repetitive.

Figura 1. Această figură prezintă un segment de 50 kb al locusului receptorului celulei T umane β pe cromozomul 7. Această figură ilustrează o regiune mică a genomului uman și tipurile de „trăsături” care pot fi citite și decodificate în genom, inclusiv: dar și în plus față de secvențele care codifică proteine. Roșu și roz corespund regiunilor care codifică proteine. Alte culori reprezintă diferite tipuri de elemente genomice. Facciotti (opera propriereprodus de pe www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Dacă ne uităm acum la ce fracție din întregul genom uman alcătuiește fiecare dintre aceste tipuri de elemente (vezi Figura 2), vedem că genele care codifică proteine ​​reprezintă doar 48 de milioane din cele 3,2 miliarde de baze ale genomului haploid.

Figura 2. Acest grafic ilustrează modul în care multe perechi de baze de ADN din genomul haploid uman sunt distribuite între diferite caracteristici identificabile. Rețineți că doar o mică parte a genomului este asociată direct cu regiunile care codifică proteine. Facciotti (opera propriereprodus din sursele menționate în figură)

Când examinăm frecvența regiunilor repetate față de regiunile care codifică proteine ​​din diferite specii, observăm diferențe mari în regiunile care codifică proteine ​​​​față de regiunile necodificatoare.

Figura 3. Această figură arată Segmente de 50 kb ale diferitelor genomi, ilustrând frecvența foarte variabilă a elementelor repetate față de codificarea proteinelor la diferite specii.
Atribuire: Marc T. Facciotti (opera proprie
reprodus de pe www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Discuție sugerată

Propuneți o ipoteză pentru ce credeți că unii genomi ar putea avea mai multe sau mai puține secvențe necodificante.

Dinamica structurii genomului

Genomul se schimbă în timp și numeroase tipuri diferite de evenimente își pot schimba secvența.

1. Mutații sunt fie acumulate în timpul replicării ADN-ului, fie prin expunerea mediului la mutageni chimici sau radiații. Aceste modificări apar de obicei la nivelul nucleotidelor individuale.
2. Rearanjamente ale genomului descriu o clasă de modificări la scară mare care pot apărea și includ următoarele: (a) ștergeri – unde se pierd segmente ale cromozomului; (b) duplicare - unde regiunile cromozomului sunt duplicate din greșeală; (c) inserții – inserția de material genetic (rețineți că, uneori, acesta este dobândit de la viruși sau din mediu, iar perechile de ștergere/inserție pot avea loc peste cromozomi); (d) inversiuni - unde regiunile genomului sunt inversate în același cromozom; și (e) translocații - unde segmentele cromozomului sunt translocate (deplasate în altă parte a cromozomului).

Aceste modificări au loc cu viteze diferite, iar unele sunt facilitate de activitatea catalizatorilor enzimatici (de exemplu, transpozaze).

Studiul genomului

Genomica comparativă

Unul dintre cele mai obișnuite lucruri de făcut cu o colecție de secvențe de genom este de a compara secvențele mai multor genom între ele. În termeni generali, aceste tipuri de activități se încadrează sub umbrela unui domeniu numit genomica comparativă.

Compararea genomului persoanelor care suferă de o boală ereditară cu genomul persoanelor care nu sunt afectate ne poate ajuta să descoperim baza genetică a bolii. Compararea conținutului de gene, ordinea și secvența microbilor înrudiți ne poate ajuta să găsim baza genetică a motivului pentru care unii microbi provoacă boli, în timp ce verii lor apropiați sunt practic inofensivi. Putem compara genomurile pentru a înțelege cum a evoluat o nouă specie. Sunt multe analize posibile! Baza acestor analize este similară: căutați diferențe între mai multe genomuri și încercați să asociați aceste diferențe cu trăsături sau comportamente diferite în acele organisme.

În cele din urmă, unii oameni compară secvențele genomului pentru a încerca să înțeleagă istoria evolutivă a organismelor. De obicei, aceste tipuri de comparații au ca rezultat un grafic cunoscut sub numele de arbore filogenetic, care este un model grafic al relației evolutive dintre diferitele specii comparate. Acest domeniu, nu este surprinzător, se numește filogenomica.

Metagenomica: cine trăiește undeva și ce fac?

Pe lângă studierea genomului speciilor individuale, tehnologiile din ce în ce mai puternice de secvențiere a ADN-ului fac posibilă secvențarea simultană a genomurilor probelor de mediu care sunt locuite de multe specii diferite. Acest câmp se numește metagenomica. Aceste studii sunt de obicei concentrate pe încercarea de a înțelege ce specii microbiene locuiesc în diferite medii. Există un mare interes în utilizarea secvențierii ADN pentru a studia populațiile de microbi din intestin și pentru a urmări cum se schimbă populația ca răspuns la diferite diete, pentru a vedea dacă există vreo asociere între abundența diferiților microbi și diferite boli sau pentru a căuta pentru prezența agenților patogeni. Oamenii folosesc secvențierea ADN a probelor metagenomice de mediu pentru a explora ce microbi locuiesc în diferite medii de pe Pământ (de la adâncimea mării, la sol, la aer, la iazuri hipersaline, la fecale de pisică, la unele dintre suprafețele comune pe care le atingem în fiecare zi).

Pe lângă descoperirea „cine trăiește unde”, secvențierea populațiilor microbiene din diferite medii poate dezvălui, de asemenea, ce gene care codifică proteine ​​sunt prezente într-un mediu. Acest lucru poate oferi investigatorilor indicii despre activitățile metabolice care ar putea avea loc în acel mediu. Pe lângă faptul că oferă informații importante despre ce fel de chimie s-ar putea întâmpla într-un mediu specific, catalogul de gene care este acumulat poate servi și ca o resursă importantă pentru descoperirea de noi enzime pentru aplicații în biotehnologie.