Informație

Cum s-ar determina dacă o substanță chimică va regla în sus o anumită clasă de proteine?


Încerc să stabilesc dacă anumite substanțe chimice organice vor regla în sus clase de proteine ​​care au activitate deacilază.

Cum aș face acest experiment? Presupun că aș folosi un fel de test, dar nu sunt exact sigur cum aș merge.


O modalitate de a examina acest lucru este examinarea transcriptomului ca întreg, înainte și după introducerea substanței chimice. Aș folosi microarray sau tehnologia ARN-seq de secvențiere a următoarei generații pentru a analiza nivelul de expresie al tuturor genelor după introducerea substanței chimice, un anumit control inert și fără control al tratamentului.

Apoi, puteți calcula modificarea relativă a pliurilor în expresia tuturor genelor, sub tratament vs. control. Apoi, puteți efectua o îmbogățire pe termen GO a genelor semnificativ reglate în sus și puteți vedea dacă termenul „deacilaze” arată o îmbogățire semnificativă în genele care sunt reglate în sus sub tratament vs.


Cum s-ar determina dacă o substanță chimică va regla în sus o anumită clasă de proteine? - Biologie

Proteine sunt una dintre cele mai abundente molecule organice din sistemele vii și au cea mai diversă gamă de funcții ale tuturor macromoleculelor. Proteinele pot fi structurale, de reglare, contractile sau de protecție pe care le pot servi în transport, depozitare sau membrane sau pot fi toxine sau enzime. Fiecare celulă dintr-un sistem viu poate conține mii de proteine, fiecare având o funcție unică. Structurile lor, ca și funcțiile lor, variază foarte mult. Cu toate acestea, toți sunt polimeri ai aminoacizi, dispuse într-o succesiune liniară.


Opțiuni de acces

Obțineți acces complet la jurnal timp de 1 an

Toate prețurile sunt prețuri NET.
TVA va fi adăugat mai târziu în casă.
Calculul impozitului va fi finalizat în timpul plății.

Obțineți acces limitat la timp sau la articol complet pe ReadCube.

Toate prețurile sunt prețuri NET.


Laboratorul 19: Utilizarea agenților chimici pentru controlul microorganismelor

Dezinfectare este eliminarea microorganismelor, dar nu neapărat endospori, din obiecte sau suprafețe neînsuflețite, în timp ce decontaminare este tratarea unui obiect sau a unei suprafețe neînsuflețite pentru a face manipularea în siguranță.

A. Termenul dezinfectant este utilizat pentru un agent folosit pentru dezinfectarea obiectelor sau suprafețelor neînsuflețite, dar este, în general, toxic pentru a fi utilizat pe țesuturile umane.

b. Termenul antiseptic se referă la un agent care ucide sau inhibă creșterea microbilor, dar este sigur de utilizat pe țesutul uman.

c. Termenul dezinfectant descrie un agent care reduce, dar poate să nu elimine, numărul microbian la un nivel sigur.

Deoarece dezinfectanții și antisepticele lucrează adesea încet asupra unor virusuri - cum ar fi virusurile hepatitei, bacteriile cu peretele celular acid-rapid precum Mycobacterium tuberculosis, și mai ales bacteriană endospori, produs de gen Bacil și genul Clostridium, sunt de obicei nesigur pentru sterilizare - distrugerea toate forme de viata.

Există o serie de factori care influențează acțiunea antimicrobiană a dezinfectanților și antisepticelor, inclusiv:

1. concentraţie a agentului chimic.

2. temperatura la care agentul este folosit. În general, cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât durează mai mult timp pentru dezinfectare sau decontaminare.

3. tipuri de microorganisme prezent. Producători de endospori precum Bacil specie, Clostridium specii și bacterii cu aciditate rapidă, cum ar fi Mycobacterium tuberculosis sunt mai greu de eliminat.

4. numărul de microorganisme prezent. Cu cât sunt mai prezenți microorganisme, cu atât este mai greu de dezinfectat sau decontaminat.

5. The natura materialului care poartă microorganismele. Materialele organice precum murdăria și excrementele interferează cu unii agenți.

Cele mai bune rezultate sunt, în general, obținute atunci când este inițială numerele microbiene sunt mici iar când suprafața de dezinfectat este curată și lipsit de posibile substanțe care interferează.

Există 2 antimicrobiene comune moduri de acțiune pentru dezinfectanți, antiseptice și igienizante:

1. Ei pot afectează lipidele și / sau proteinele membranei citoplasmatice semipermeabile de microorganisme rezultând scurgeri de materiale celulare necesare pentru a susține viața.

2. Ei pot enzime microbiene denaturate și alte proteine, de obicei prin perturbarea legăturilor de hidrogen și disulfură care dau proteinei forma funcțională tridimensională. Acest blochează metabolismul.

Un număr mare de astfel de agenți chimici sunt de uz comun. Unele dintre cele mai frecvente grupuri sunt enumerate mai jos:

1. Fenol și derivați fenolici

Fenol (5-10%) a fost primul dezinfectant utilizat în mod obișnuit. Cu toate acestea, datorită toxicității și mirosului său, derivați fenolici (fenolici) sunt acum utilizate în general. Cel mai frecvent fenolic este ortofenilfenolul, agentul găsit în O-syl & reg, Staphene & reg și Amphyl & reg. Bisfenoli conțin două grupări fenolice și de obicei au clor ca parte a structurii lor. Acestea includ hexaclorofen și triclosan. Hexaclorofenul într-o soluție de 3% este combinat cu detergent și se găsește în PhisoHex & reg. Triclosanul este un antiseptic foarte frecvent în săpunurile antimicrobiene și alte produse. Biguanide includ clorhexadina și alexidina. O soluție de 4% de clorhexidină în alcool izopropilic și combinată cu detergent (Hibiclens & reg și Hibitane & reg) este un agent obișnuit de spălare a mâinilor și de curățare a mâinilor chirurgicale. Acești agenți ucid majoritatea bacteriilor, majorității ciupercilor și a unor viruși, dar sunt de obicei ineficienți împotriva endosporilor. Cloroxilenol (4-clor-3,5-dimetilfenol) este un compus chimic antimicrobian cu spectru larg utilizat pentru combaterea bacteriilor, algelor, ciupercilor și virusului și este adesea utilizat în săpunurile și antisepticele antimicrobiene. Fenolul și fenolicii modifică permeabilitatea membranei și denaturează proteinele. Bisfenolii, biguanidele și cloroxilenolul modifică permeabilitatea membranei.

2. Săpunuri și detergenți

Săpunuri sunt doar ușor microbicide. Utilizarea lor ajută în îndepărtarea mecanică de microorganisme prin ruperea peliculei uleioase de pe piele (emulsificare) și reducerea tensiunii superficiale a apei, astfel încât să se răspândească și să pătrundă mai ușor. Unele săpunuri cosmetice conțin antiseptice adăugate pentru a crește activitatea antimicrobiană.

Detergenți poate fi anionic sau cationic. Anionic (încărcat negativ) detergenți, cum ar fi pulberile de rufe, îndepărtează mecanic microorganismele și alte materiale, dar nu sunt foarte microbicide. Cationic (incarcat pozitiv) detergenți modifică permeabilitatea membranei și denaturează proteinele. Sunt eficiente împotriva multor bacterii vegetative, a unor ciuperci și a unor viruși. Cu toate acestea, endosporii bacterieni și anumite bacterii, cum ar fi Mycobacterium tuberculosisși Pseudomonas speciile sunt de obicei rezistente. Săpunurile și materialele organice, cum ar fi excrementele, le inactivează, de asemenea. Detergenții cationici includ compuși cuaternari de amoniu cum ar fi clorura de benzalconiu, zephiran & reg, diaprene, roccal, ceepryn și phemerol. Household Lysol & reg conține clorură de alchil dimetil benzil amoniu și alcooli.

3. Alcooli

70% soluții de alcool etilic sau izopropilic sunt eficiente în uciderea bacteriilor vegetative, a virusurilor învelite și a ciupercilor. Cu toate acestea, acestea sunt de obicei ineficiente împotriva endosporilor și a virușilor neînveliți. Odată ce se evaporă, activitatea lor cidală va înceta. Alcoolii denaturează membranele și proteinele și sunt adesea combinate cu alți dezinfectanți, cum ar fi iod, mercuriali și detergenți cationici pentru o eficiență crescută.

4. Acizi și alcalii

Acizi și alcalii modifică permeabilitatea membranei și denaturează proteinele și alte molecule. Săruri de acizi organici, cum ar fi propionatul de calciu, sorbatul de potasiu și metilparaben, sunt frecvent utilizate ca conservanți alimentari. Acidul undecilenic (Desenex & reg) este utilizat pentru infecțiile dermatofite ale pielii. Un exemplu de alcalin este leșie (hidroxid de sodiu).

5. Metale grele

Metalele grele, precum mercurul, argintul și cuprul, denaturează proteinele. Compușii cu mercur (mercurocrom, metafen, mertiolat) sunt doar bacteriostatici și nu sunt eficienți împotriva endosporilor. Azotatul de argint (1%) este uneori pus în ochii nou-născuților pentru a preveni oftalmia gonococică. Sulfatul de cupru este utilizat pentru combaterea bolilor fungice ale plantelor și este, de asemenea, un algicid comun. Sulfura de seliniu ucide ciupercile și sporii lor.

6. Clor

Clorul gazos reacționează cu apa pentru a se forma ioni hipoclorit, care la rândul său denaturează enzimele microbiene. Clorul este utilizat în clorarea apei potabile, a piscinelor și a apelor uzate. Hipocloritul de sodiu este agentul activ în înălbitorul de uz casnic. Hipocloritul de calciu, hipocloritul de sodiu și cloraminele (clor plus amoniac) sunt utilizate pentru igienizarea obiectelor din sticlă, ustensilelor de mâncare, echipamentelor de prelucrare a produselor lactate și a alimentelor, a sistemelor de hemodializă și pentru tratarea alimentării cu apă.

7. Iod și iodofori

Iodul denaturează și proteinele microbiene. Tinctura de iod conține o soluție 2% de iod și iodură de sodiu în alcool 70%. Soluțiile apoase de iod care conțin 2% iod și 2,4% iodură de sodiu sunt utilizate în mod obișnuit ca antiseptic local. Iodoforii sunt o combinație de iod și un polimer inert, cum ar fi polivinilpirolidona, care reduce tensiunea superficială și eliberează încet iodul. Iodofori sunt mai puțin iritante decât iodul și nu se colorează. În general sunt eficiente împotriva bacteriilor vegetative, Mycobacterium tuberculosis, ciuperci, niște viruși și niște endospori. Exemplele includ Wescodyne & reg, Ioprep & reg, Ioclide & reg, Betadine & reg și Isodine & reg.

8. Aldehidele

Aldehidele, cum ar fi formaldehida și glutaraldehida, denaturează proteinele microbiene. Formalina (soluție apoasă 37% de gaz formaldehidic) este extrem de activă și ucide majoritatea formelor de viață microbiană. Este utilizat la îmbălsămare, la conservarea specimenelor biologice și la prepararea vaccinurilor. Glutaraldehida alcalină (Cidex & reg), glutaraldehida acidă (Sonacide & reg) și soluțiile de fenat de glutaraldehidă (Sporocidin & reg) ucid bacteriile vegetative în 10-30 minute și endosporii în aproximativ 4 ore. O expunere de 10 ore la a 2% glutaraldehidă soluția poate fi utilizată pentru sterilizarea la rece a materialelor. Orto-ftalaldehidă (OPA) este dialdehidă utilizată ca dezinfectant de nivel înalt pentru instrumentele medicale.

9. Peroxigenii

Peroxigenii sunt agenți oxidanți care includ peroxid de hidrogen și acid peracetic. Apă oxigenată este descompus în apă și oxigen de către enzima catalază din celulele umane și nu este atât de bun ca antiseptic pentru rănile deschise, dar este util pentru dezinfectarea obiectelor neînsuflețite. Concentrațiile mari de peroxid de hidrogen copleșesc catalaza găsită în microbi. Acid peracetic este un dezinfectant care ucide microorganismele prin oxidare și perturbarea ulterioară a membranei citoplasmatice a acestora. Este utilizat pe scară largă în sănătate, procesarea alimentelor și tratarea apei.

10. Gaz etilen oxid

Oxid de etilenă este una dintre puținele substanțe chimice pe care se poate baza sterilizare (după 4-12 ore de expunere). Deoarece este exploziv, este de obicei amestecat cu gaze inerte, cum ar fi freonul sau dioxidul de carbon. Chimiosterilizatoare gazoase, folosind oxid de etilenă, sunt utilizate în mod obișnuit pentru sterilizarea articolelor sensibile la căldură, cum ar fi seringile din plastic, plăcile Petri, materialele textile, suturile, supapele cardiace artificiale, aparatele inimă-plămâni și saltelele. Oxidul de etilenă are o putere de penetrare foarte mare și denaturează proteinele microbiene. Vaporii sunt toxici pentru piele, ochi și mucoase și sunt, de asemenea, cancerigeni. Un alt gaz care este utilizat ca sterilizant este dioxid de clor care denaturează proteinele din bacteriile vegetative, endospori bacterieni, viruși și ciuperci.

B. EVALUAREA DISINFECTANȚILOR, ANTISEPTICELOR, ȘI SANITIZANȚI

Este posibil să se evalueze dezinfectanți, antiseptice și dezinfectanți utilizând teste in vitro sau in vivo. Un in vitrotestul se face sub condiții artificiale, controlate de laborator. Un in vivotestul este unul făcut sub condiții reale de utilizare normală.

Un obisnuit in vitro testul este de a compara activitatea antimicrobiană a agentului testat cu cea a fenolului. Valoarea rezultată se numește coeficient de fenol și are o anumită valoare în compararea puterii dezinfectanților în condiții standard. Coeficienții fenolului pot fi însă înșelători, deoarece, așa cum am menționat anterior, rata de ucidere variază foarte mult în funcție de condițiile în care sunt utilizați agenții chimici. Concentrația agentului, temperatura la care este utilizat, durata de expunere la agent, numărul și tipurile de microorganisme prezente și natura materialului care poartă microorganismele influențează activitatea antimicrobiană a unui dezinfectant. Dacă un dezinfectant este evaluat pentru o posibilă utilizare într-o anumită perioadă in vivo situație, trebuie să fie evaluat în aceleași condiții în care va fi utilizat efectiv.

C. EFICACITATEA SPĂLĂRII MÂNILOR

Există 2 categorii de microorganisme sau flora, care se găsesc în mod normal pe mâini. Flora rezidentă sunt flora normală a pielii. Flora tranzitorie sunt microorganismele pe care le ridici din ceea ce ai manipulat. Este o practică de rutină să spălați mâinile înainte și după examinarea unui pacient și să faceți un exfoliant chirurgical complet regimentat înainte de a intra în sala de operație. Acest lucru se face pentru a elimina flora tranzitorie potențial dăunătoare, pentru a reduce numărul de flore rezidente și pentru a dezinfecta pielea.

Sterilizarea efectivă a mâinilor nu este posibilă, deoarece microorganismele trăiesc nu numai pe suprafața pielii, ci și în straturi mai profunde ale pielii, în conductele glandelor sudoripare și în jurul foliculilor de păr. Aceste flore normale sunt în principal stafilococi nepatogeni (Laboratorul 15) și bacili difteroidici.

D. AGENTI CHIMIOTERAPEUTICI ANTIMICROBIENI

Chimioterapie antimicrobiană este utilizarea substanțelor chimice pentru a inhiba sau distruge microorganismele din sau pe gazdă. Chimioterapia se bazează pe toxicitate selectivă. Aceasta înseamnă că agentul utilizat trebuie inhibă sau ucide microorganismul în cauză fără a face rău serios gazdei.

Pentru a fi selectiv toxic, un agent chimioterapeutic trebuie să interacționeze cu o funcție microbiană sau o structură microbiană care fie nu este prezentă, fie este substanțial diferită de cea a gazdei. De exemplu, în tratarea infecțiilor cauzate de bacterii procariote, agentul poate inhiba sinteza peptidoglicanului sau poate modifica ribozomii bacterieni (procarioti). Celulele umane nu conțin peptidoglican și posedă ribozomi eucarioti. Prin urmare, medicamentul prezintă un efect redus sau deloc asupra gazdei (toxicitate selectivă). Microorganismele eucariote, pe de altă parte, au structuri și funcții mai strâns legate de cele ale gazdei. Ca rezultat, varietatea agenților eficienți selectiv împotriva microorganismelor eucariote, cum ar fi ciupercile și protozoarii, este mică în comparație cu numărul disponibil împotriva procariotelor. De asemenea, rețineți că virușii nu sunt celule și, prin urmare, nu au structurile și funcțiile modificate de antibiotice, astfel încât antibioticele nu sunt eficiente împotriva virusurilor.

Pe baza originii lor, există 2 clase generale de agenți chimioterapeutici antimicrobieni:

1. antibiotice: substanțe produse ca produse metabolice ale unui microorganism care inhibă sau distrug alte microorganisme.

2. substanțe chimice chimioterapeutice antimicrobiene: substanțe chimice sintetizate în laborator care pot fi utilizate terapeutic pe microorganisme.

Astăzi, distincția dintre cele 2 clase nu este la fel de clară, deoarece multe antibiotice sunt modificate extensiv în laborator (semisintetice) sau chiar sintetizate fără ajutorul microorganismelor.

Majoritatea grupurilor majore de antibiotice au fost descoperite înainte de 1955, iar cele mai multe progrese antibiotice de atunci au avut loc prin modificarea formelor mai vechi. De fapt, doar 3 grupuri majore de microorganisme au produs antibiotice utile: actinomicetele (bacterii filamentoase, ramificate din sol, cum ar fi Streptomyces), bacterii din gen Bacil, și matrițele saprofite Peniciliu și Cefalosporiul.

Pentru a produce antibiotice, producătorii inoculează cantități mari de mediu cu tulpini atent selectate din speciile adecvate de microorganisme producătoare de antibiotice. După incubare, medicamentul este extras din mediu și purificat. Activitatea sa este standardizată și este pusă într-o formă adecvată pentru administrare.

Unii agenți antimicrobieni sunt cidal în acțiune: ei ucide microorganismele (de exemplu, peniciline, cefalosporine, streptomicină, neomicină). Alții sunt static în acțiune: inhibă creșterea microbiană suficient de lung pentru ca propriile apărări ale corpului să îndepărteze organismele (de exemplu, tetracicline, eritromicină, sulfonamide).

Agenții antimicrobieni variază, de asemenea, în spectrul lor. Droguri care sunt eficace împotriva unei varietăți atât de bacterii Gram-pozitive, cât și de Gram-negative se spune că sunt spectru larg (de exemplu, tetraciclină, streptomicină, cefalosporine, ampicilină, sulfonamide). Cei eficienți împotriva doar bacteriilor Gram-pozitive, doar bacteriilor Gram negative sau doar câteva specii sunt denumite cu spectru îngust (de exemplu, penicilina G, eritromicina, clindamicina, gentamicina).

Dacă este disponibilă o alegere, este preferabil un spectru îngust, deoarece va provoca o distrugere mai mică a florei normale a corpului. De fapt, utilizarea nediscriminatorie de antibiotice cu spectru larg poate duce la suprainfectarea de către microorganisme oportuniste, precum Candida (infecții cu drojdie) și Clostridium difficile (colită ulcerativă asociată cu antibiotice), când flora normală a corpului este distrusă. Alte pericole cauzate de utilizarea indiscriminată a agenților chimioterapeutici antimicrobieni includ toxicitate medicamentoasă, reacții alergice la medicament, și selecție pentru tulpini rezistente de microorganisme.

Mai jos sunt exemple de agenți chimioterapeutici antimicrobieni utilizați în mod obișnuit, aranjați în funcție de aceștia modul de acțiune:

1. Agenți antimicrobieni care inhibă sinteza peptidoglicanului. Inhibarea sintezei peptidoglicanului în bacteriile care se divizează activ duce la liza osmotică. (O listă a agenților chimioterapeutici antimicrobieni obișnuiți, enumerați atât pe numele lor generic, cât și pe numele de marcă și aranjați în funcție de modul lor de acțiune, se găsește în Tabelul 1.)

A. Peniciline (produs de matriță Peniciliu)

Există mai multe clase de peniciline:

1. Peniciline naturale sunt extrem de eficiente împotriva bacteriilor Gram-pozitive (și a câtorva bacterii Gram-negative), dar sunt inactivate de enzima bacteriană penicilinază. Exemplele includ penicilina G, F, X, K, O și V.

2. Peniciline semisintetice sunt eficiente împotriva bacteriilor Gram-pozitive, dar nu sunt inactivate de penicilinază. Exemplele includ meticilină, dicloxacilină și nafcilină.

3. Peniciline semisintetice cu spectru larg sunt eficiente împotriva unei varietăți de bacterii Gram-pozitive și Gram-negative, dar sunt inactivate de penicilinază. Exemplele includ ampicilină, carbenicilină, oxacilină, azlocilină, mezlocilină și piperacilină.

4. Peniciline semisintetice cu spectru larg combinate cu inhibitori de beta lactamază, cum ar fi acidul clavulanic și sulbactamul. Deși acidul clavulanic și sulbactamul nu au acțiune antimicrobiană proprie, acestea inhibă penicilinaza, protejând astfel penicilina de degradare. Exemplele includ amoxicilină plus acid clavulanic, ticarcilină plus acid clavulanic și ampicilină plus sulbactam.

b. Cefalosporine (produs de matriță Cefalosporiul)

Cefalosporinele sunt eficiente împotriva unei varietăți de bacterii Gram-pozitive și Gram-negative și sunt rezistente la penicilinază (deși unele pot fi inactivate de alte enzime beta-lactamazice similare penicilinazei). Patru „generații” de cefalosporine au fost dezvoltate de-a lungul anilor, în încercarea de a contracara rezistența bacteriană.

1. Cefalosporinele din prima generație includ cefalotină, cefapirină și cefalexină.

2. Cefalosporinele din a doua generație includ cefamandol, cefaclor, cefazolin, cefuroximă și cefoxitină.

3. Cefalosporinele din a treia generație includ cefotaximă, cefsulodină, cefetamet, cefiximă, ceftriaxonă, cefoperazonă, ceftazidină și moxalactam.

4. Cefalosporinele din a patra generație includ cefepimă și cefpiromă.

c. Carbapeneme: Carbapenemele constau dintr-un antibiotic beta-lactamic cu spectru larg pentru a inhiba sinteza peptidoglicanului combinat cu cilastatin sodic, un agent care previne degradarea antibioticului în rinichi. Exemplele includ: imipenem, metropenem, ertapenem și doripenem.

d. Monobacteme: Monobactemele sunt antibiotice beta-lactamice cu spectru larg rezistente la beta-lactamază. Un exemplu este aztreonam.

e. Carbacephem: O cefalosporine sintetice. Un exemplu este loracarbef.

e. Glicopeptide (produs de bacterie Streptomyces): Vancomicina și teichoplanina sunt glicopeptide care sunt eficiente împotriva bacteriilor Gram-pozitive.

f. Bacitracină (produs de bacterie Bacil): Bacitracina este utilizată local împotriva bacteriilor Gram-pozitive.

h. Fosfomicină (Monurol)

2. Câțiva agenți chimioterapeutici antimicrobieni inhibă sinteza normală a peretelui celular acid-rapid a genului Mycobacterium.

A. INH(izoniazidă) pare să blocheze sinteza acidului micolic, o componentă cheie a peretelui celular acid-rapid al micobacteriilor.

b. Etambutolul interferează cu sinteza membranei exterioare a pereților celulari cu aciditate rapidă.

3. Agenți antimicrobieni care modifică membrana citoplasmatică. Alterarea membranei citoplasmatice a microorganismelor are ca rezultat scurgerea materialelor celulare. (O listă a agenților chimioterapeutici antimicrobieni obișnuiți, enumerați atât pe numele lor generic, cât și pe numele de marcă și aranjați în funcție de modul lor de acțiune, se găsește în Tabelul 1.)

A. Polimixinele și colistinele acționează ca detergenți și modifică permeabilitatea membranei la bacteriile Gram-negative. Nu se pot difuza în mod eficient prin stratul gros de peptidoglican în Gram-pozitive.

b. Daptomicină perturbă membrana citoplasmatică bacteriană funcționează prin legarea aparentă de membrană și provocarea depolarizării rapide. Acest lucru duce la pierderea potențialului membranei și duce la inhibarea sintezei de proteine, ADN și ARN, rezultând moartea celulelor bacteriene.

c. Pirazinamida inhibă sinteza acizilor grași în membranele Mycobacterium tuberculosis.

d. Amfotericina B, produsă de bacterie Streptomyces, este utilizat pentru infecții fungice sistemice. Interferă cu permeabilitatea membranei prin interacțiunea cu steroli de membrană numiți ergosteroli și formând pori în membrană provocând scurgeri celulare.

e. Nistatina, produs de bacterie Streptomyces, este utilizat în principal pentru Candida infecții cu drojdie. Interferă cu permeabilitatea membranei prin interacțiunea cu steroli de membrană numiți ergosteroli și formând pori în membrană provocând scurgeri celulare.

f. Imidazoli, produs de bacterie Streptomyces, sunt antibiotice antifungice utilizate pentru infecțiile cu drojdie, infecțiile dermatofitice și infecțiile fungice sistemice. ei interfera cu sinteza ergosterolului, sterolul din membranele citoplasmatice fungice, provocând scurgeri celulare. Exemplele includ clotrimazol, miconazol, ketoconazol, itraconazol și fluconazol.

4 . Agenți antimicrobieni care inhibă sinteza proteinelor. (O listă a agenților chimioterapeutici antimicrobieni obișnuiți, enumerați atât pe numele lor generic, cât și pe numele de marcă și aranjați în funcție de modul lor de acțiune, se găsește în Tabelul 1.)

Acești agenți împiedică bacteriile să sintetizeze proteine ​​structurale și enzime.

A. Agenți care transcriere bloc (preveni sinteza mARN-ului din ADN).

Rifampic sau Rifampicin: rifadin, rifater combinat cu izoniazid și pirazinamidă, rimactan (produs de bacterie Streptomyces). Rifaximine sunt eficiente împotriva unor bacterii Gram-pozitive și Gram-negative și Mycobacterium tuberculosis.

b. Agenți care traducere bloc (modifică ribozomii bacterieni pentru a preveni traducerea ARNm în proteine).

1. aminoglicozide (streptomicină, neomicină, netilmicină, tobramicină, gentamicină, amikacină etc.) se leagă ireversibil de ARNr 16S în subunitatea 30S a ribozomilor bacterieni care interferează cu stadiul de traducere a sintezelor proteice. Deși mecanismul exact de acțiune este încă incert, există dovezi că unele împiedică transferul ARNt peptidil de la site-ul A la site-ul P, prevenind astfel alungirea lanțului polipeptidic. Unele aminoglicozide par, de asemenea, să interfereze cu procesul de corectură care ajută la asigurarea acurateții traducerii. Eventual, antibioticele reduc rata de respingere a ARNt-urilor care se apropie de meciuri pentru codon. Acest lucru duce la citirea greșită a codonilor sau la încetarea prematură a sintezei proteinelor. Aminoglicozidele pot interfera direct sau indirect cu funcția membranei citoplasmatice bacteriene. Datorită toxicității lor, aminoglicozidele sunt utilizate în general numai atunci când alte antibiotice de primă linie nu sunt eficiente.

2. tetracicline (tetraciclină, doxiciclină, demeclociclină, minociclină etc.) se leagă reversibil la ARNr 16S în subunitatea ribozomală 30S interferând cu stadiul de traducere a proteinelor sinteze. Ei distorsionează ribozomul în așa fel încât anticodoni ai ARNt încărcați (def) nu se poate alinia corect cu codonii ARNm Exemplele includ tetraciclina, minociclina și doxiciclina, produs de bacterie Streptomyces. Sunt eficiente împotriva unei varietăți de bacterii Gram-pozitive și Gram-negative.

3. Lincomicină și clindamicină, produs de bacterie Streptomyces, se leagă reversibil la ARNr 23S în subunitatea ribozomală din anii 50 și blochează formarea legăturii peptidice în timpul etapei de traducere a sintezei proteinelor. Majoritatea sunt utilizate împotriva bacteriilor Gram-pozitive.

4. macrolidele (eritromicină, azitromicină, claritromicină, diritromicină, troleandomicină etc.) se leagă reversibil la ARNr 23S în subunitatea 50S a ribozomilor bacterieni interferând cu etapa de traducere a sintezelor proteice. Se pare că euinhibă alungirea proteinei prin împiedicarea enzimei peptidiltransferază să formeze legături peptidice între aminoacizi. De asemenea, pot preveni transferul ARNt peptidil de la site-ul A la site-ul P, deoarece lanțul peptidic inițial de pe ARNt peptidil aderă la ribozom, creează frecare și blochează tunelul de ieșire al subunității ribozomale 50S. Macrolidele sunt utilizate împotriva bacteriilor Gram-pozitive și a unor bacterii Gram-negative.

5. The oxazolidinonele (linezolid), după primul ciclu de sinteză a proteinelor, interferează cu traducerea cu ceva timp înainte de faza de inițiere. Se pare că se leagă de subunitatea ribozomală 50S și interfera cu legarea sa la complexul de inițiere.

6. streptoGramins (sinercid, o combinație de quinupristin și dalfopristin) se leagă de două locații diferite pe ARNr 23S în subunitatea ribozomală 50S și lucrează sinergic pentru a bloca etapa de traducere a sintezei proteinelor. Există rapoarte că streptoGraminele pot inhiba atașarea ARNt încărcat la locul A sau pot bloca tunelul de ieșire a peptidei subunității ribozomale 50S.

5 . Agenți antimicrobieni care interferează cu sinteza ADN-ului. (O listă a agenților chimioterapeutici antimicrobieni obișnuiți, enumerați atât pe numele lor generic, cât și pe numele de marcă și aranjați în funcție de modul lor de acțiune, se găsește în Tabelul 1.)

a.The fluorochinolone (norfloxacină, lomefloxacină, fleroxacină, ciprofloxacină, enoxacină, trovafloxacină, gatifloxacină etc.) funcționează inhibând unul sau mai multe dintr-un grup de enzime numite topoizomerază (def), enzime necesare pentru supraînfășurare, replicare și separare a ADN-ului bacterian circular. De exemplu, ADN girază (topoizomeraza II) catalizează supraîncărcarea negativă a ADN-ului circular găsite în bacterii. Este esențial în replicarea ADN bacterian, repararea ADN-ului, transcrierea ADN-ului în ARN și recombinarea genetică. Topoisomeraza IV, pe de altă parte, este implicat în relaxarea ADN-ului circular supraînfășurat, activând separarea cromozomilor fiici interconectați la sfârșitul replicării ADN-ului bacterian.

b. Sulfonamide și trimetoprim (substanțe chimice sintetice): Co-trimoxazolul este o combinație de sulfametoxazol și trimetoprim. Ambele medicamente blochează enzimele din calea bacteriilor necesare pentru sinteza acidului tetrahidrofolic, un cofactor necesar pentru ca bacteriile să producă bazele nucleotidice timină, guanină, uracil și adenină.

c. Metronidazol este un medicament care este activat de proteinele microbiene flavodoxina și feredoxina găsite în bacteriile microaerofile și anaerobe și în anumiți protozoari. Odată activat, metronidazolul pune șanțuri în firele de ADN microbian.

Pentru mai multe informații despre antibiotice și modul lor de funcționare, consultați următoarele obiecte de învățare din Ghidul dvs. de curs:

E. REZISTENȚA MICROBIANĂ LA AGENȚI CHIMIOTERAPEUTICI ANTIMICROBIENI

O problemă obișnuită în chimioterapia antimicrobiană este dezvoltarea tulpinilor rezistente de bacterii. Majoritatea bacteriilor devin rezistente la agenții antimicrobieni prin unul sau mai multe dintre următoarele mecanisme:

1. Producând enzime care inactivează antibioticul, de exemplu, penicilinaza și alte beta-lactamaze.

2. Modificarea situsului țintă din bacterie pentru a reduce sau bloca legarea antibioticului, de exemplu, producerea unei subunități ribozomale ușor modificate care funcționează în continuare, dar de care medicamentul nu se poate lega.

3. Modificarea membranelor și a sistemelor de transport pentru a preveni intrarea antibioticului în bacterie și / sau utilizarea unei pompe de eflux (def) pentru a transporta antibioticul din bacterie.

4. Dezvoltarea unei căi metabolice alternative pentru ocolirea etapei metabolice fiind blocată de agentul antimicrobian, de exemplu, depășirea medicamentelor care seamănă cu substraturile și enzimele bacteriene legate.

5. Creșterea producției unei anumite enzime bacteriene, de exemplu, depășirea medicamentelor care seamănă cu substraturile și enzimele bacteriene legate.

Aceste modificări ale bacteriei care îi permit să reziste agentului antimicrobian apar în mod natural ca urmare a mutației sau recombinării genetice a ADN-ului în nucleoid sau ca urmare a obținerii plasmidelor de la alte bacterii. Expunerea la agentul antimicrobian atunci selectează pentru aceste tulpini rezistente de organism.

Răspândirea rezistenței la antibiotice în bacteriile patogene se datorează atât selecției directe, cât și selecției indirecte. Selecție directă se referă la selecția agenților patogeni rezistenți la antibiotice la locul infecției. Selecție indirectă este selectarea florelor normale rezistente la antibiotice în cadrul unui individ oricând se administrează un antibiotic. La o dată ulterioară, aceste flori normale rezistente pot transfera gene de rezistență către agenții patogeni care intră în organism. În plus, aceste flori normale rezistente pot fi transmise de la persoană la persoană prin mijloace precum calea fecal-orală sau prin secreții respiratorii.

De exemplu, multe bacterii gram-negative posedă Plasmide R (rezistență) care au gene care codifică rezistență multiplă la antibiotice prin mecanismele menționate mai sus, precum și prin gene de transfer care codifică pentru a sex pilus. Un astfel de organism se poate conjuga cu alte bacterii și le poate transfera o plasmidă R. Escherichia coli, Proteus, Serratia, Salmonella, Shigella, și Pseudomonas sunt exemple de bacterii care au frecvent plasmide R. Din cauza problemei rezistenței la antibiotice, testarea sensibilității la antibiotice se face de obicei în laboratorul clinic pentru a determina ce agenți chimioterapeutici antimicrobieni vor fi cel mai probabil eficienți pe o anumită tulpină de microorganism. Acest lucru este discutat în secțiunea următoare.

Pentru a ilustra modul în care plasmidele care poartă gene care codifică rezistența la antibiotice pot fi preluate de bacteriile sensibile la antibiotice, în laboratorul de astăzi vom folosi ADN-ul plasmidic pentru a transforma un Escherichia coli sensibil la antibioticul ampicilină într-unul rezistent la medicament.

The E coli va deveni mai „competent” pentru a prelua ADN plasmidic (pAMP), care conține o genă care codifică rezistența la ampicilină, prin tratarea acestora cu o soluție de clorură de calciu, incubare la rece și un scurt șoc termic. Acestea vor fi apoi placate pe 2 tipuri de medii: agar Lauria-Bertani (LB) și agar Lauria-Bertani cu ampicilină (LB / amp). Numai E coli care au preluat o plasmidă care codifică rezistența la ampicilină vor putea forma colonii pe agar LB / amp.

Pentru mai multe informații despre rezistența microbiană la antibiotice, consultați următoarele obiecte de învățare din Ghidul dvs. de curs:

F. ÎNCERCAREA SUSCEPTIBILITĂȚII ANTIBIOTICE

Pentru unele microorganisme, susceptibilitatea la agenții chimioterapeutici este predictibilă. Cu toate acestea, pentru multe microorganisme (Pseudomonas, Staphylococcus aureus, și bacili enterici Gram negativi precum Escherichia coli, Serratia, Proteus, etc.) nu există un mod fiabil de a prezice care agent antimicrobian va fi eficient într-un caz dat. Acest lucru este valabil mai ales cu apariția multor tulpini de bacterii rezistente la antibiotice. Din această cauză, testarea susceptibilității la antibiotice este adesea esențială pentru a determina ce agent antimicrobian să se utilizeze împotriva unei tulpini specifice de bacterii.

Mai multe teste pot fi utilizate pentru a spune unui medic care agent antimicrobian este cel mai probabil să combată un agent patogen specific:

1. Teste de diluare a tubului

În acest test, sunt pregătite o serie de tuburi de cultură, fiecare conținând un mediu lichid și o concentrație diferită de agent chimioterapeutic. Tuburile sunt apoi inoculate cu organismul testat și incubate timp de 16-20 ore la 35 ° C. După incubare, tuburile sunt examinate pentru a observa turbiditatea (creșterea). Cea mai mică concentrație de agent chimioterapeutic capabil să prevină creșterea organismului testat este concentrația minimă inhibitoare (MIC).

Subcultivarea tuburilor care nu prezintă turbiditate în tuburile care conțin mediu, dar niciun agent chimioterapeutic nu poate determina concentrația bactericidă minimă (MBC). MBC este cea mai scăzută concentrație de agent chimioterapeutic care nu are ca rezultat creșterea (turbiditatea) subculturilor. Cu toate acestea, aceste teste sunt destul de consumatoare de timp și costisitoare de efectuat.

2. Testul de difuzie a agarului (testul Bauer-Kirby)

O procedură frecvent utilizată în laboratoarele clinice pentru a determina susceptibilitatea antimicrobiană este metoda de difuzare a discului Bauer-Kirby. În acest test, răspunsul in vitro al bacteriilor la un disc standard care conține antibiotice a fost corelat cu răspunsul clinic al pacienților cărora li s-a administrat acel medicament.

În dezvoltarea acestei metode, a fost utilizat un singur disc de mare potență al fiecărui agent chimioterapeutic ales. Zonele de inhibare a creșterii (vezi Fig. 1) care înconjoară fiecare tip de disc au fost corelate cu concentrațiile minime inhibitoare ale fiecărui agent antimicrobian (determinate de testul de diluare a tubului). MIC pentru fiecare agent a fost apoi comparat cu nivelul sanguin obținut de obicei la pacient cu o doză adecvată. Au fost stabilite apoi categoriile de & quot; Rezistent & quot & quotIntermediar & quot și & quot;

Pașii de bază pentru metoda Bauer-Kirby de testare a sensibilității antimicrobiene sunt prezentați mai jos. Această schiță a procedurii este destinată a fi utilizată ca adjuvant la instrucțiunile clinice de laborator. Procedura este extrem de reglementată și controlată de Institutul de standarde clinice și de laborator (CLSI) și trebuie să fie însoțită de un program riguros de asigurare a calității, inclusiv performanța de către personalul certificat și / sau autorizat atunci când rezultatele vor fi raportate în mediile clinice.

A. Pregătește un inocul de turbiditate standard a bacteriei testate astfel încât o anumită densitate de bacterii să fie pusă pe placă.

  • Selectați 3-5 colonii izolate ale bacteriei care este testată.
  • Dacă organismul este un Stafilococ sau este fastidios și crește imprevizibil în bulion, cum ar fi streptococii, suspenda coloniile este salină, bulion Mueller Hinton sau bulion de soia trypticase. Dacă organismul crește rapid în bulion, așezați coloniile în bulion Mueller Hinton sau bulion de soia tripticază și incubați 2-8 ore.
  • Potriviți turbiditatea suspensiei de testare sau a culturii cu un standard de 0,5 McFarland. (Standardele McFarland sunt tuburi care conțin fie particule de latex, fie sulfat de bariu și ajustate la o turbitate standard.)
    • Dacă suspensia bacteriană este prea tulbure, adăugați mai multă soluție salină sau bulion.
    • Dacă suspensia bacteriană este prea ușoară, alegeți mai multe colonii și suspendați-le în bulion sau incubați mai mult.

    b. Inoculați o placă de agar Mueller-Hinton de 150 mm cu inoculul standardizat astfel încât să acopere întreaga suprafață a agarului cu bacterii.

    • Scufundați un tampon steril în tubul standardizat anterior al bacteriei testate. Strângeți tamponul pe peretele interior al tubului pentru a elimina excesul de lichid.
    • Tamponează întreaga placă de sus în jos, de la margine la margine, fără a lăsa goluri.
    • Rotiți placa cu aproximativ 60 de grade și utilizând același tampon, tamponați din nou întreaga placă de sus în jos.
    • Rotiți placa cu aproximativ 60 de grade și utilizând același tampon și tamponați întreaga placă de sus în jos a treia oară.

    c. Loc discuri standardizate care conțin antibiotice pe farfurie.

    d. Incubează placa agar cu fața în sus. Pentru bacteriile care nu sunt rezistente, incubați la 35 ° C timp de 16-18 ore. Pentru bacteriile fastidioase, urmați standardele CLSI.

    e. Măsurați diametru a oricăror rezultate zone de inhibiție în milimetri (mm) așa cum se arată în Fig. 2.

    f. Determinați dacă bacteria este susceptibilă, moderat susceptibil, intermediar sau rezistent la fiecare agent antimicrobian folosind un tabel standardizat (vedea masa 2). (Cele mai recente tabele de interpretare pot fi găsite în documentul CLSI M100 care este actualizat în fiecare ianuarie.)

    • Dacă există o zonă dublă de inhibare, măsurați diametrul zonei celei mai interioare.
    • Dacă există o zonă care conține colonii, măsurați diametrul zonei libere a coloniilor.
    • Dacă există o zonă cu pene, măsurați diametrul punctului în care există o delimitare evidentă între creștere și lipsa creșterii.
    • Când testați roiul Proteus mirabilis, ignorați swaming-ul.
    • La testare Staphylococcus aureus, ceața din jurul oxacilinei nu trebuie ignorată. Măsurați diametrul zonei fără creștere sau ceață.

    Termenul intermediar înseamnă, în general, că rezultatul este neconcludent pentru acea combinație medicament-organism. Termenul moderat susceptibil este de obicei aplicat acelor situații în care un medicament poate fi utilizat pentru infecții într-un anumit loc al corpului, de exemplu, cistită, deoarece medicamentul devine foarte concentrat în urină.

    3. Teste automate

    Au fost dezvoltate teste automatizate computerizate pentru testarea susceptibilității antimicrobiene. Aceste teste măsoară efectul inhibitor al agenților antimicrobieni într-un mediu lichid utilizând împrăștierea luminii pentru a determina creșterea organismului testat. Rezultatele pot fi obținute în câteva ore. Laboratoarele care efectuează un număr foarte mare de teste de susceptibilitate folosesc frecvent metodele automate, dar echipamentul este destul de scump.

    PROCEDURA DE REZISTENȚĂ MICROBIANĂ LA AGENȚI CHIMIOTERAPEUTICI ANTIMICROBIENI

    ADN plasmidic (pAMP) pe gheață, soluție de clorură de calciu pe gheață, 2 tuburi de cultură sterile, 1 tub de bulion LB, 2 plăci de agar LB, 2 plăci de agar LB cu ampicilină (LB / amp), pipete sterile de transfer de 1 ml, bucle sterile de inoculare din plastic, tijă de sticlă îndoită, platan rotativ, alcool, pahar de gheață, baie de apă la 42 ° C.

    LB cultura agar a Escherichia coli

    PROCEDURA DE REZISTENȚĂ MICROBIANĂ: demonstrație

    1. Etichetați o placă de agar LB "Bacterii transformate, control pozitiv" și cealaltă placă de agar LB "Bacterii de tip sălbatic, control pozitiv."

    Etichetați o placă de agar LB / amp & quot; Bacterii transformate, experiment & quot și cealaltă placă de agar LB / amp & quot; Bacterii de tip sălbatic, control negativ. & Quot

    2. Etichetați un tub de cultură steril & quot (+) AMP & quot și celălalt & quot (-) AMP. & Quot Folosind o pipetă de transfer sterilă de 1 ml, adăugați 250 microli de clorură de calciu rece cu gheață la fiecare tub. Așezați ambele tuburi pe gheață.

    Folosind o buclă de inoculare plastică sterilă, transferați 1-2 mari colonii de E coli în (+) tubul AMP și atingeți puternic de peretele tubului pentru a disloca toate bacteriile. Suspendați imediat celulele prin pipetarea repetată în interiorul și afară cu o pipetă de transfer sterilă până când nu rămân aglomerări vizibile de bacterii. Întoarceți tubul pe gheață.

    3. Repetați pasul 3 de această dată folosind tubul (-) AMP și reveniți la gheață.

    4. Folosind o buclă de inoculare din plastic sterilă, adăugați o buclă de soluție pADN (ADN plasmidic) la tubul (+) AMP și bucla swish pentru a amesteca ADN-ul. Reveniți la gheață.

    5. Incubați ambele tuburi pe gheață timp de 15 minute.

    6. După 15 minute, & Quotheat-shock & quot ambele tuburi de bacterii prin scufundarea lor într-o baie de apă la 42 ° C pentru 90 de secunde. Întoarceți ambele tuburi la gheață timp de 1 minut sau mai mult.

    7. Folosind o pipetă de transfer sterilă de 1 ml, adăugați 250 & microl de bulion LB la fiecare tub. Atingeți tuburile cu degetele pentru a amesteca. Puneți tuburile într-un raft pentru eprubete la temperatura camerei.

    8. Folosind o pipetă de transfer sterilă de 1 ml, adăugați 100 & microl de E coli suspensie din tubul (-) AMP pe LB / amp placă de agar etichetată "Bacterii de tip sălbatic, control negativ." Adăugați încă 100 l E coli de la (-) AMP la LIVRE placă de agar etichetată "Bacterii de tip sălbatic, control pozitiv."

    9. Folosind o tijă de sticlă îndoită înmuiată în alcool și flăcată, răspândiți bine bacteriile peste ambele plăci de agar. Asigurați-vă că reporniți tija de sticlă între plăci.

    10. Folosind o pipetă sterilă de transfer de 1 ml, adăugați 100 & microl de E coli suspensie din tubul (+) AMP pe LB / amp placă de agar etichetată "Bacterii transformate, experiment." Adăugați încă 100 l E coli de la (+) AMP la LIVRE placă de agar etichetată "Bacterii transformate, control pozitiv."

    11. Răspândiți imediat ca la pasul 10.

    12. Incubați toate plăcile la cu susul în jos și stivuite în suportul plăcii Petri de pe raftul incubatorului 37 & degC corespunzător secțiunii de laborator până la următoarea perioadă de laborator.

    Procedura este rezumată în Fig. 3.

    PROCEDURA PENTRU ÎNCERCAREA SUSCEPTIBILITĂȚII ANTIBIOTICE

    Plăci de agar Mueller-Hinton de 150 mm (3)
    Tampoane sterile (3)
    Un distribuitor de discuri cu antibiotice care conține discuri de antibiotice de obicei eficiente împotriva bacteriilor Gram-pozitive și unul care conține discuri de antibiotice de obicei eficiente împotriva bacteriilor Gram-negative

    Culturi de bulion de soia de tripticază Staphylococcus aureus (Gram-pozitiv), Enterococcus faecalis (Gram-pozitiv) și Pseudomonas aeruginosa (Gram negativ)

    PROCEDURA DE TESTARE A SUSCEPTIBILITĂȚII ANTIBIOTICE: de făcut în grupuri de 3

    Pașii de bază pentru metoda Bauer-Kirby de testare a sensibilității antimicrobiene sunt prezentați mai jos. Această schiță a procedurii este destinată a fi utilizată ca adjuvant la instrucțiunile generale de laborator de microbiologie. Procedura este extrem de reglementată și controlată de Institutul de Standarde Clinice și de Laborator (CLSI) și trebuie să fie însoțită de un program riguros de asigurare a calității, inclusiv performanță de către personal certificat și / sau autorizat atunci când rezultatele vor fi raportate în medii clinice.

    1. Ia 3 plăci de agar Mueller-Hinton. Etichetați unul S. aureus, unu E. faecalis, și unul P. aeruginosa.

    2. Folosind markerul de ceară, împărțiți fiecare placă în treimi pentru a vă ghida streaking-ul.

    3. Scufundați o tampon steril în tubul standardizat anterior al S. aureus. Strângeți tamponul de peretele interior al tubului pentru a elimina excesul de lichid.

    4. Striați tamponul perpendicular pe fiecare dintre cele 3 linii desenate pe farfurie suprapunând dungile pentru a asigura acoperire completă a întregii suprafețe agar cu inocul.

    5. Repetați pașii 3 și 4 pentru E. faecalis și P. aeruginosa farfurii.

    6. Folosiți distribuitorul adecvat de discuri cu antibiotice, plasați Discuri gram-pozitive care conțin antibiotice pe plăcile de S. aureus și E. faecalis Discuri gram-negative care conțin antibiotice pe placa de P. aeruginosa.

    7. Incubați cele 3 plăci cu susul în jos și stivuite pe raftul incubatorului 35 & degC corespunzător secțiunii de laborator până la următoarea perioadă de laborator.

    8. Cu ajutorul unei rigle metrice, măsurați diametrul zonei de inhibiție din jurul fiecărui disc de pe fiecare placă în mm prin plasarea riglei pe fundul plăcii (Fig. 2).

    • Dacă există o zonă dublă de inhibare, măsurați diametrul zonei celei mai interioare (vezi Fig. 4).
    • Dacă există o zonă care conține colonii, măsurați diametrul zonei libere a coloniei (vezi Fig. 5).
    • Dacă există o zonă cu pene, măsurați diametrul punctului în care există o delimitare evidentă între creștere și lipsa creșterii (vezi Fig. 6).
    • La testare Staphylococcus aureus, ceața din jurul oxacilinei nu trebuie ignorată. Măsurați diametrul zonei fără creștere sau ceață.

    9. Determinați dacă fiecare organism este susceptibil, moderat susceptibil, intermediar sau rezistent la fiecare agent chimioterapeutic folosind tabelul standardizat (masa 2) și înregistrați rezultatele.


    Pentru mai multe informații despre epigenom:

    National Institutes of Health (NIH) oferă NIH Roadmap Epigenomics Project, care oferă hărți epigenomice ale unei varietăți de celule pentru a începe să evalueze relația dintre epigenomică și boala umană.

    Setul de instrumente pentru epigenom uman de la Colegiul de Medicină Baylor permite compararea epigenomilor multor specii și tipuri de celule.

    Cercetările în curs se desfășoară cu Consorțiul Internațional pentru Epigenomul Uman.

    Universitatea din Utah oferă un tutorial de epigenetică interactiv.

    Institutul Național de Cercetare a Genomului Uman oferă o fișă informativă despre Epigenomică.

    Multe instrumente pentru înțelegerea epigenomicii sunt disponibile prin NIH Common Fund Epigenomics Project.


    Mulțumiri

    Mulțumim și mulțumim pacienților care au furnizat probele primare pentru această cercetare. Laboratorul Q. Wang, Institutul de Genomică din Beijing, Academia Chineză de Științe a donat cu amabilitate linii celulare MV-4-11, OCI-AML2, OCI-AML3 și Kasumi-1. Celulele MOLT-4 au fost furnizate de Banca de celule stem, Academia Chineză de Științe. Celulele NB4 au fost furnizate de L. Wu, Universitatea din California de Sud. Le recunoaștem pentru sprijinul acordat acestei lucrări. Recunoaștem Q. Tao, Z. Yang, H. Yang, W. Lv, S. Zhu, C. Yang, X. Yang, Y. Su, J. Wang, Y. Zhang și C. Qian pentru ajutorul lor. Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională pentru Științe Naturale din China (nr. 81573277, 81622042 și 81773567), Proiectul Național Științific și Tehnologic Special pentru „Dezvoltarea semnificativă a medicamentelor noi” (nr. SQ2017ZX095003 și 2018ZX09711001) și „Programul național de cercetare și dezvoltare a AMD al China '(nr. 2020YFE0202200).


    Adresa actuală: Departamentul de descoperire timpurie, Ksilink, Strasbourg, Franța

    Adresa actuală: Departamentul de Genetică, Școala de Medicină Yale, New Haven, CT, SUA

    Afilieri

    Departamentul de biologie celulară și de dezvoltare, Institutul Max Planck pentru Biomedicină Moleculară, Münster, Germania

    Kee-Pyo Kim, Juyong Yoon, Jan M. Bruder, Borami Shin, Dong Han, Guangming Wu și amperul Hans R. Schöler

    Departamentul de Biologie Moleculară, Institutul Max Planck pentru Chimie Biofizică, Göttingen, Germania

    Jinmi Choi și Patrick Cramer

    Departamentul de biologie a celulelor stem, Facultatea de Medicină, Universitatea Konkuk, Seul, Republica Coreea

    Grupul de Biologie Computațională și Biomedicină a Sistemelor, Institutul de Cercetări în Sănătate Biodonostia, San Sebastian, Spania

    IKERBASQUE, Fundația Bască pentru Știință, Bilbao, Spania

    Laboratorul de medicină și sănătate regenerativă din Guangzhou Guangdong, Guangzhou, China

    Școala de biotehnologie și asistență medicală, Universitatea Wuyi, Jiangmen, China

    Departamentul de Dezvoltare și Remodelare Cardiacă, Institutul Max-Planck pentru Cercetarea Inimii și Plămânilor, Bad Nauheim, Germania

    Facultatea de Medicină, Universitatea din Münster, Münster, Germania

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

    Contribuții

    K.K. a conceput studiul, a efectuat experimentele, a interpretat datele și a scris manuscrisul. J.Y. și B.S. a contribuit la construcția plasmidei și Western blot. J.B. a contribuit la screeningul chimic. Jonghun K. și D.W.H. a contribuit la cariotipare. M.J.A. a contribuit la microarray. Johnny K. a interpretat datele și a scris manuscrisul. G.W. și D.H. au contribuit la testele de teratom și himeră. J.C. și P.C. a contribuit la ChIP-seq. H.R.S. a supravegheat acest studiu, a interpretat datele și a scris manuscrisul.

    Autorul corespunzator


    6.2 Energie potențială, cinetică, liberă și de activare

    În această secțiune, veți explora următoarele întrebări:

    • Ce este „energia”?
    • Care este diferența dintre energia cinetică și energia potențială?
    • Ce este energia liberă și cum se leagă energia liberă de energia de activare?
    • Care este diferența dintre reacțiile endergonice și exergonice?

    Conexiune pentru cursuri AP ®

    Deși celulele și organismele necesită energie liberă pentru a supraviețui, ele nu pot crea spontan energie, așa cum se afirmă în Legea conservării energiei. Energia este disponibilă în diferite forme. De exemplu, obiectele în mișcare posedă energie cinetică, în timp ce obiectele care nu sunt în mișcare posedă energie potențială. Energia chimică din molecule, cum ar fi glucoza, este energie potențială, deoarece atunci când legăturile se rup în reacții chimice, se eliberează energie liberă. Energia gratuită este o măsură de energie disponibilă pentru a face muncă. Energia liberă a unui sistem se schimbă în timpul transferurilor de energie, cum ar fi reacțiile chimice, iar această schimbare este denumită energie liberă ΔG sau Gibbs. ΔG al unei reacții poate fi negativ sau pozitiv, în funcție de faptul că reacția eliberează energie (exergonică) sau necesită aport de energie (endergonic). Toate reacțiile necesită o intrare de energie numită energie de activare pentru a ajunge la starea de tranziție în care vor evolua. (Într-o altă secțiune, vom explora modul în care enzimele accelerează reacțiile chimice prin scăderea barierelor energetice de activare.)

    Informațiile prezentate și exemplele evidențiate în secțiunea susțin concepte și obiective de învățare prezentate în Big Idea 2 din AP ® Biology Curriculum Framework. Obiectivele de învățare enumerate în cadrul curricular oferă o bază transparentă pentru cursul AP ® Biology, o experiență de laborator bazată pe anchetă, activități de instruire și întrebări de examen AP ®. Un obiectiv de învățare îmbină conținutul necesar cu una sau mai multe dintre cele șapte practici științifice.

    Marea idee 2 Sistemele biologice utilizează energie liberă și blocuri moleculare pentru a crește, a se reproduce și a menține homeostazia dinamică.
    Înțelegere durabilă 2.A Creșterea, reproducerea și întreținerea sistemelor vii necesită energie și materie liberă.
    Cunoștințe esențiale 2.A.1 Toate sistemele vii necesită aport constant de energie liberă.
    Practica științifică 6.2 Elevul poate construi explicații ale fenomenelor pe baza dovezilor produse prin practici științifice.
    Obiectiv de învățare 2.1 Elevul este capabil să explice modul în care sistemele biologice folosesc energia liberă pe baza datelor empirice pe care toate organismele necesită aport constant de energie pentru a menține organizarea, a crește și a se reproduce.
    Cunoștințe esențiale 2.A.1 Toate sistemele vii necesită aport constant de energie liberă.
    Practica științifică 6.2 Elevul poate justifica afirmațiile cu dovezi.
    Obiectiv de învățare 2.2 Elevul este capabil să justifice o afirmație științifică că energia gratuită este necesară pentru ca sistemele vii să mențină organizarea, să crească sau să se reproducă, dar că există mai multe strategii în diferite sisteme vii.

    Întrebările cu privire la provocarea științifică conțin întrebări suplimentare de testare pentru această secțiune care vă vor ajuta să vă pregătiți pentru examenul AP. Aceste întrebări se referă la următoarele standarde:
    [APLO 2.5]

    Energia este definită ca abilitatea de a lucra. După cum ați învățat, energia există sub diferite forme. De exemplu, energia electrică, energia luminii și energia termică sunt toate tipuri diferite de energie. În timp ce acestea sunt toate tipuri familiare de energie pe care o puteți vedea sau simți, există un alt tip de energie mult mai puțin tangibilă. Această energie este asociată cu ceva la fel de simplu ca un obiect ținut deasupra solului. Pentru a aprecia modul în care energia curge în și din sistemele biologice, este important să înțelegem mai multe despre diferitele tipuri de energie care există în lumea fizică.

    Tipuri de energie

    Când un obiect este în mișcare, există energie asociată cu acel obiect. În exemplul unui avion în zbor, există o mare cantitate de energie asociată cu mișcarea avionului. Acest lucru se datorează faptului că obiectele în mișcare sunt capabile să efectueze o schimbare sau să lucreze. Gândește-te la o minge de distrugere. Chiar și o minge de distrugere cu mișcare lentă poate face multe daune altor obiecte. Cu toate acestea, o minge naufragiată care nu este în mișcare este incapabilă să efectueze munca. Energia asociată cu obiectele în mișcare se numește energie cinetică. Un glonț accelerat, o persoană care merge, mișcarea rapidă a moleculelor în aer (care produce căldură) și radiația electromagnetică ca lumina au toate energie cinetică.

    Ce se întâmplă dacă aceeași minge nemișcată de demolare este ridicată cu două etaje deasupra unei mașini cu macaraua? În cazul în care mingea de demolare suspendată nu se mișcă, există energie asociată cu aceasta? Raspunsul este da. Mingea de demolare suspendată are o energie asociată cu ea, care este fundamental diferită de energia cinetică a obiectelor în mișcare. Această formă de energie rezultă din faptul că există potenţial pentru ca mingea naufragiată să facă treabă. Dacă este eliberat, într-adevăr ar funcționa. Deoarece acest tip de energie se referă la potențialul de a lucra, se numește energie potențială. Obiectele își transferă energia între cinetică și potențial în felul următor: Pe măsură ce mingea naufragiată atârnă nemișcată, are 0 energie cinetică și 100% potențială. Odată ce este eliberată, energia sa cinetică începe să crească, deoarece crește viteza datorită gravitației. În același timp, pe măsură ce se apropie de sol, își pierde energia potențială. Undeva la mijlocul toamnei are 50% energie cinetică și 50% energie potențială. Chiar înainte de a lovi pământul, mingea aproape și-a pierdut energia potențială și are energie cinetică aproape maximă. Alte exemple de energie potențială includ energia apei ținută în spatele unui baraj (Figura 6.6) sau o persoană care urmează să facă parapantă dintr-un avion.

    Energia potențială nu este asociată doar cu localizarea materiei (cum ar fi un copil așezat pe o ramură de copac), ci și cu structura materiei. Un arc de pe sol are energie potențială dacă este comprimat, la fel și o bandă de cauciuc care este trasă. Însăși existența celulelor vii se bazează în mare măsură pe energia potențială structurală. La nivel chimic, legăturile care țin atomii moleculelor împreună au energie potențială. Amintiți-vă că căile celulare anabolice necesită energie pentru a sintetiza molecule complexe din cele mai simple, iar căile catabolice eliberează energie atunci când moleculele complexe sunt defalcate. Faptul că energia poate fi eliberată prin descompunerea anumitor legături chimice implică faptul că aceste legături au energie potențială. De fapt, există energie potențială stocată în legăturile tuturor moleculelor alimentare pe care le consumăm, care este în cele din urmă valorificată pentru utilizare. Acest lucru se datorează faptului că aceste legături pot elibera energie atunci când sunt rupte. Tipul de energie potențială care există în legăturile chimice și care este eliberată atunci când aceste legături se rup, se numește energie chimică (Figura 6.7). Energia chimică este responsabilă pentru furnizarea celulelor vii cu energie din alimente. Eliberarea de energie este cauzată de ruperea legăturilor moleculare din moleculele de combustibil.

    Suport pentru profesori

    Desenați exemple din clasa potențialului față de energia cinetică.Pregătiți-vă mai multe înainte. Dacă sunt date doar câteva exemple, întrebați elevii în ce categorie se încadrează exemplele dvs. Includeți exemple de energie chimică, cum ar fi încălzitoarele pentru mâini care depind de eliberarea chimică de căldură, benzină și praf de pușcă. Încheiați cu energia chimică din ATP, subliniind că este un tip de energie potențială și rolul său în metabolism.

    Link către învățare

    Vizitați acest site și selectați „Un pendul simplu” din meniu (sub „Mișcare armonică”) pentru a vedea energia cinetică (K) și energia potențială (U) a unui pendul în mișcare.

    1. Energia cinetică crește atunci când copilul leagănă în jos energia potențială crește atunci când copilul se leagănă în sus.
    2. Energia cinetică scade atunci când copilul leagănă în jos energia potențială scade atunci când copilul se leagănă în sus.
    3. Energia cinetică crește atunci când copilul leagănă în sus energia potențială crește atunci când copilul se leagănă în jos.
    4. Energia cinetică crește atunci când copilul leagănă în jos energia potențială crește atunci când copilul se leagănă în jos.

    Energie gratis

    După ce am aflat că reacțiile chimice eliberează energie atunci când legăturile de stocare a energiei sunt rupte, o următoare întrebare importantă este cum este cuantificată și exprimată energia asociată cu reacțiile chimice? Cum se poate compara energia eliberată dintr-o reacție cu cea a unei alte reacții? O măsurare a energiei libere este utilizată pentru a cuantifica aceste transferuri de energie. Energia liberă se numește energie liberă Gibbs (prescurtată cu litera G) după Josiah Willard Gibbs, omul de știință care a dezvoltat măsurarea. Amintiți-vă că, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, toate transferurile de energie implică pierderea unei cantități de energie într-o formă inutilizabilă, cum ar fi căldura, rezultând entropie. Energia liberă Gibbs se referă în mod specific la energia asociată cu o reacție chimică care este disponibilă după contabilitatea entropiei. Cu alte cuvinte, energia liberă a lui Gibbs este energie utilizabilă sau energie disponibilă pentru a lucra.

    Fiecare reacție chimică implică o schimbare a energiei libere, numită delta G (∆G). Modificarea energiei libere poate fi calculată pentru orice sistem care suferă o astfel de modificare, cum ar fi o reacție chimică. Pentru a calcula ∆G, scădeți cantitatea de energie pierdută în entropie (denumită ∆S) din schimbarea totală de energie a sistemului. Această schimbare totală de energie din sistem se numește entalpie și este notată ca ∆H. Formula pentru calcularea lui isG este următoarea, în care simbolul T se referă la temperatura absolută în Kelvin (grade Celsius + 273):

    Schimbarea standard a energiei libere a unei reacții chimice este exprimată ca o cantitate de energie per mol al produsului de reacție (fie în kilojuli sau kilocalorii, kJ / mol sau kcal / mol 1 kJ = 0,239 kcal) sub pH, temperatură și presiune standard condiții. Condițiile standard de pH, temperatură și presiune sunt, în general, calculate la pH 7,0 în sisteme biologice, 25 grade Celsius și, respectiv, 100 kilopascali (1 atm presiune). Este important să rețineți că condițiile celulare variază considerabil față de aceste condiții standard și, prin urmare, valorile calculatedG calculate standard pentru reacțiile biologice vor fi diferite în interiorul celulei.

    Reacții Endergonice și Reacții Exergonice

    Dacă energia este eliberată în timpul unei reacții chimice, atunci valoarea rezultată din ecuația de mai sus va fi un număr negativ. Cu alte cuvinte, reacțiile care eliberează energie au un ∆G & lt 0. Un ∆G negativ înseamnă, de asemenea, că produsele reacției au mai puțină energie liberă decât reactanții, deoarece au dat o anumită energie liberă în timpul reacției. Reacțiile care au un ∆G negativ și, prin urmare, eliberează energie liberă se numesc reacții exergonice. Gândi: exergonic înseamnă că energia este exfuncționarea sistemului. Aceste reacții sunt denumite și reacții spontane, deoarece pot apărea fără adăugarea de energie în sistem. Înțelegerea reacțiilor chimice care sunt spontane și eliberează energie liberă este extrem de utilă pentru biologi, deoarece aceste reacții pot fi valorificate pentru a efectua lucrări în interiorul celulei. Trebuie făcută o distincție importantă între termenul spontan și ideea unei reacții chimice care are loc imediat. Contrar utilizării zilnice a termenului, o reacție spontană nu este una care apare brusc sau rapid. Ruginirea fierului este un exemplu de reacție spontană care are loc încet, încetul cu încetul, în timp.

    Dacă o reacție chimică necesită un aport de energie mai degrabă decât eliberarea de energie, atunci ∆G pentru acea reacție va fi o valoare pozitivă. În acest caz, produsele au mai multă energie liberă decât reactanții. Astfel, produsele acestor reacții pot fi considerate ca molecule de stocare a energiei. Aceste reacții chimice se numesc reacții endergonice și sunt non-spontane. O reacție endergonică nu va avea loc singură fără adăugarea de energie liberă.

    Să revedem exemplul sintezei și descompunerii moleculei alimentare, glucoza. Amintiți-vă că construirea de molecule complexe, cum ar fi zaharurile, din cele mai simple este un proces anabolic și necesită energie. Prin urmare, reacțiile chimice implicate în procesele anabolice sunt reacții endergonice. Pe de altă parte, procesul catabolic de descompunere a zahărului în molecule mai simple eliberează energie într-o serie de reacții exergonice. La fel ca exemplul de rugină de mai sus, descompunerea zahărului implică reacții spontane, dar aceste reacții nu apar instantaneu. Figura 6.8 prezintă câteva alte exemple de reacții endergonice și exergonice. Secțiunile ulterioare vor oferi mai multe informații despre ce altceva este necesar pentru ca reacțiile spontane să aibă loc mai eficient.

    Conexiune vizuală

    Evaluează fiecare dintre procesele prezentate în raport cu relația dintre tipul de reacție și dacă energia este stocată sau eliberată. Decideți pentru fiecare dacă procesul este endergonic sau exergonic și dacă atât entalpia, cât și entropia cresc sau scad.

    1. (a) Descompunerea grămezii de compost este endergonică, entalpia crește și entropia scade. (b) Un copil care se dezvoltă dintr-un ou este un proces endergonic, entalpia scade și entropia scade. (c) Arta nisipului care este distrusă este exergonică, nu se modifică entalpia și entropia. (d) O minge care se rostogolește în jos este un proces exergonic, entalpia scade și entropia scade.
    2. Descompunerea grămezii de compost este exergonică, entalpia scade și entropia scade. (b) Un copil care se dezvoltă dintr-un ou este un proces endergonic, entalpia crește și entropia scade. (c) Arta nisipului care este distrusă este exergonică, crește entalpia și crește entropia. (d) O minge care se rostogolește în jos este un proces endergonic, entalpia scade și entropia crește.
    3. (a) Descompunerea grămezii de compost este endergonică, entalpia scade și entropia scade. (b) Un bebeluș care se dezvoltă dintr-un ou este un proces exergonic, entalpia scade și entropia crește. (c) Arta nisipului care este distrusă este endergonic, entalpia crește și entropia crește. (d) O minge care se rostogolește pe un deal este un proces exergonic, entalpia scade și entropia scade.
    4. (a) Descompunerea grămezii de compost este endergonică, entalpia crește și entropia crește. (b) Un copil care se dezvoltă dintr-un ou este un proces endergonic, entalpia scade și entropia scade. (c) Arta nisipului care este distrusă este exergonică, nicio modificare a entalpiei și a entropiei nu crește. (d) O minge care se rostogolește pe un deal este un proces exergonic, entalpia scade și nu se modifică entropia.

    Un concept important în studiul metabolismului și energiei este cel al echilibrului chimic. Majoritatea reacțiilor chimice sunt reversibile. Ei pot proceda în ambele direcții, eliberând energie în mediul lor într-o direcție și absorbind-o din mediu în cealaltă direcție (Figura 6.9). Același lucru este valabil și pentru reacțiile chimice implicate în metabolismul celular, cum ar fi descompunerea și acumularea proteinelor în și, respectiv, din aminoacizi individuali. Reactanții dintr-un sistem închis vor suferi reacții chimice în ambele direcții până la atingerea unei stări de echilibru. Această stare de echilibru este una dintre cele mai mici energii libere posibile și o stare de entropie maximă. Energia trebuie introdusă în sistem pentru a împinge reactanții și produsele departe de o stare de echilibru. Fie reactanți, fie produse trebuie adăugate, îndepărtate sau schimbate. Dacă o celulă ar fi un sistem închis, reacțiile sale chimice ar ajunge la echilibru și ar muri deoarece ar mai fi rămas suficientă energie liberă pentru a efectua munca necesară menținerii vieții. Într-o celulă vie, reacțiile chimice se deplasează constant spre echilibru, dar nu ajung niciodată la el. Acest lucru se datorează faptului că o celulă vie este un sistem deschis. Materialele trec și ies, celula reciclează produsele anumitor reacții chimice în alte reacții, iar echilibrul chimic nu este niciodată atins. În acest fel, organismele vii se află într-o luptă constantă, care necesită energie, împotriva echilibrului și a entropiei. Acest aport constant de energie provine în cele din urmă din lumina soarelui, care este utilizată pentru a produce substanțe nutritive în procesul de fotosinteză.

    Suport pentru profesori

    Conceptul sau entropia poate fi dificil. Puneți-i pe studenți să-și cerceteze cartierul pentru a găsi case, magazii, fațade de magazine, orice structuri care se deteriorează din cauza lipsei de întreținere. De asemenea, puneți-i să identifice casele mai vechi, clădirile care sunt în formă bună și sunt întreținute activ.

    Energie activatoare

    Există un alt concept important care trebuie luat în considerare în ceea ce privește reacțiile endergonice și exergonice. Chiar și reacțiile exergonice necesită o cantitate mică de energie pentru a începe înainte de a putea continua cu pașii lor de eliberare a energiei. Aceste reacții au o eliberare netă de energie, dar necesită încă o anumită energie la început. Această cantitate mică de energie necesară pentru a avea loc toate reacțiile chimice se numește energie de activare (sau energie liberă de activare) și este abreviată EA (Figura 6.10).

    De ce o reacție ∆G negativă care eliberează energie ar necesita de fapt o anumită energie pentru a continua? Motivul constă în pașii care au loc în timpul unei reacții chimice. În timpul reacțiilor chimice, anumite legături chimice sunt rupte și se formează altele noi. De exemplu, atunci când o moleculă de glucoză este descompusă, legăturile dintre atomii de carbon ai moleculei sunt rupte. Deoarece acestea sunt legături de stocare a energiei, ele eliberează energie atunci când sunt rupte. Cu toate acestea, pentru a le aduce într-o stare care permite ruperea legăturilor, molecula trebuie să fie oarecum contorsionată. Pentru a atinge această stare contorsionată este necesară o cantitate mică de energie. Această stare contorsionată se numește starea de tranziție și este o stare instabilă de mare energie. Din acest motiv, moleculele reactante nu durează mult în starea lor de tranziție, dar trec foarte repede la următorii pași ai reacției chimice. Diagramele energetice gratuite ilustrează profilurile energetice pentru o reacție dată. Dacă reacția este exergonică sau endergonică se determină dacă produsele din diagramă vor exista la o stare de energie mai mică sau mai mare decât atât reactanții, cât și produsele. Cu toate acestea, indiferent de această măsură, starea de tranziție a reacției există la o stare de energie mai mare decât reactanții și, astfel, EA este întotdeauna pozitiv.

    Link către învățare

    Urmăriți o animație a trecerii de la energia liberă la starea de tranziție pe acest site.

    1. Stările de tranziție sunt stabile, deoarece moleculele au o structură moleculară relaxată cu energie redusă.
    2. Stările de tranziție sunt instabile, deoarece moleculele au o structură moleculară tensionată cu energie ridicată.
    3. Stările de tranziție sunt instabile, deoarece moleculele au o structură moleculară relaxată cu energie ridicată.
    4. Stările de tranziție sunt stabile, deoarece moleculele au o structură moleculară tensionată cu energie redusă.

    De unde provine energia de activare necesară reactanților chimici? Sursa energiei de activare necesare pentru a împinge reacțiile înainte este de obicei energia termică din împrejurimi. Energia termică (energia totală de legătură a reactanților sau produselor dintr-o reacție chimică) accelerează mișcarea moleculelor, crescând frecvența și forța cu care se ciocnesc, mișcă ușor atomi și legături în interiorul moleculei, ajutându-i să ajungă la starea lor de tranziție. Din acest motiv, încălzirea unui sistem va face ca reactanții chimici din acel sistem să reacționeze mai frecvent. Creșterea presiunii asupra unui sistem are același efect. Odată ce reactanții au absorbit suficientă energie termică din mediul înconjurător pentru a ajunge la starea de tranziție, reacția va continua.

    Energia de activare a unei anumite reacții determină viteza la care va evolua. Cu cât energia de activare este mai mare, cu atât reacția chimică va fi mai lentă. Exemplul ruginii de fier ilustrează o reacție inerent lentă. Această reacție apare lent în timp datorită E-ului său ridicatA. În plus, arderea multor combustibili, care este puternic exergonică, va avea loc la o rată neglijabilă, cu excepția cazului în care energia lor de activare este depășită de căldura suficientă dintr-o scânteie. Odată ce încep să ardă, însă, reacțiile chimice eliberează suficientă căldură pentru a continua procesul de ardere, furnizând energia de activare pentru moleculele de combustibil din jur. La fel ca aceste reacții în afara celulelor, energia de activare pentru majoritatea reacțiilor celulare este prea mare pentru ca energia termică să fie depășită la viteze eficiente. Cu alte cuvinte, pentru ca reacțiile celulare importante să apară la viteze apreciabile (numărul de reacții pe unitate de timp), energiile lor de activare trebuie reduse (Figura 6.10), aceasta fiind denumită cataliză. Acesta este un lucru foarte bun în ceea ce privește celulele vii. Macromoleculele importante, cum ar fi proteinele, ADN-ul și ARN-ul, stochează energie considerabilă, iar defalcarea lor este exergonică. Dacă numai temperaturile celulare ar furniza suficientă energie termică pentru ca aceste reacții exergonice să depășească barierele lor de activare, componentele esențiale ale unei celule s-ar dezintegra.

    Suport pentru profesori

    Explicați clar semnificația energiei de activare necesare pentru reacțiile chimice, chiar și cu reacții exergonice. Folosiți figura reacțiilor exergonice cu un delta G mai mic decât zero pentru a arăta că, deși schimbarea energiei este negativă, este încă nevoie de energie de activare. Includeți exemple de moduri prin care enzimele scad energia de activare necesară. Subliniați că acesta este modul în care enzimele „accelerează” reacțiile, acestea facilitând apariția reacțiilor.


    Accelerarea reacțiilor: catalizatori biologici vs. chimici

    Majoritatea reacțiilor chimice merg destul de încet la temperatura camerei. Aceasta este o veste bună de cele mai multe ori, altfel părți aleatorii ale mediului ar exploda la intervale regulate, dar vești proaste pentru procesele industriale care necesită reacții.

    Majoritatea reacțiilor chimice merg destul de încet la temperatura camerei. Aceasta este o veste bună de cele mai multe ori, altfel părți aleatorii ale mediului ar exploda la intervale regulate, dar vești proaste pentru procesele industriale care necesită reacții. Pentru a le accelera, se folosesc catalizatori. Un catalizator este orice substanță care accelerează o reacție fără a lua parte la ea, astfel încât la sfârșitul reacției aveți aceeași cantitate de catalizator cu care ați început.

    Catalizatorii industriali sunt adesea metale, deoarece majoritatea metalelor au un număr mare de electroni, care sunt puțin cavalieri în ceea ce privește exact cât de aproape de atomul central trebuie să fie. Acest lucru permite metalelor să folosească acești electroni pentru a ajuta la reacții înainte de a le revendica odată ce reacția sa încheiat. Exemple sunt catalizatorii pe bază de fier utilizați pentru fabricarea amoniacului (procesul Haber-Bosch) și catalizatorii de nichel folosiți pentru fabricarea grăsimilor saturate.

    Catalizatorii biologici funcționează pe un principiu foarte diferit. În loc să fie metale cu electroni rapidi și slăbiți, catalizatorii biologici sunt molecule complexe mari numite enzime, care conțin buzunare specifice pentru a se potrivi reactanților. Odată ce sunt prinse în interiorul enzimei, ajută reacția, fie prin formarea de legături temporare cu reactanții pentru a le ajuta să se potrivească, fie prin simpla ținere a acestora suficient de aproape unul de celălalt pentru a reacționa efectiv și a forma produsul.

    Majoritatea enzimelor se găsesc în formele de viață organice, ceea ce înseamnă că nu au nevoie de temperaturi ridicate pentru a funcționa, în timp ce catalizatorii metalici tind să aibă nevoie de un pic de energie pentru a începe. De fapt, enzimele se denaturează sau se rup, dacă sunt încălzite prea mult peste temperatura lor optimă (pentru majoritatea în jur de 40 de grade, deși unele enzime bacteriene pot funcționa la 100 de grade). În unele cazuri, cum ar fi pulberile biologice de spălare, acest lucru poate fi un beneficiu imens, deoarece înseamnă că este nevoie de mai puțină energie pentru reacție și hainele pot fi spălate la temperaturi mai scăzute. Cu toate acestea, în unele procese industriale, sunt necesare temperaturi ridicate pentru a crește viteza de reacție, astfel încât răcirea totul până la 40 de grade este imposibilă.

    Un alt punct important despre enzime este că, spre deosebire de catalizatorii metalici, aceștia sunt incredibil de specifici. Deoarece reactanții se încadrează în buzunarele din interiorul enzimei, fiecare enzimă se poate potrivi doar cu moleculele pe care trebuie să le catalizeze. Și, deoarece enzimele sunt molecule mari și complexe, nu este atât de simplu să le proiectăm pentru a se potrivi reactanților de care aveți nevoie. Din nou, acest lucru este în regulă pentru pulberile biologice de spălat, deoarece există o mulțime de enzime care au evoluat pentru a descompune petele de ouă, pete de sânge și pentru a forma mici bule ciudate pe jumperi. Pentru procesele chimice poate fi ceva mai dificil - nu au evoluat multe organisme pentru a elimina gazele toxice din benzină sau pentru a sintetiza dioxidul de sulf.

    Se lucrează la proiectarea enzimelor în scopuri specifice, pentru a spera, sperăm, numărul de reacții care pot fi catalizate prin mijloace biologice. Nu este însă cea mai ușoară slujbă din lume, deoarece enzimele sunt alcătuite din lanțuri proteice masive pliate în moduri ciudate și interesante și modificarea unei părți a acestora poate avea repercusiuni neprevăzute asupra întregii molecule. Este totuși un domeniu interesant de cercetare, cu implicații pentru cercetarea industrială și medicală, precum și academică.

    Opiniile exprimate sunt cele ale autorului (autorilor) și nu sunt neapărat cele ale Scientific American.

    DESPRE AUTORI)

    Biochimist cu dragoste de microbiologie, șobolanul de laborator se bucură să exploreze, să citească și să scrie despre bacterii. După ce a reușit în cele din urmă să se îndepărteze de universitate, acum lucrează pentru o mică companie din Cambridge, unde transformă datele în cuvinte ușoare și grafice minunate.


    Interacțiuni uree-aromatice în biologie

    Interacțiunile necovalente sunt determinanți cheie atât în ​​procesele chimice, cât și în cele biologice. Printre astfel de procese, interacțiunile hidrofobe joacă un rol eminent în plierea proteinelor, acizilor nucleici, formarea membranelor, recunoașterea proteinei-ligand etc. Deși această interacțiune este mediată prin solventul apos, stabilitatea biomoleculelor de mai sus poate fi foarte sensibil la orice perturbații externe mici, cum ar fi temperatura, presiunea, pH-ul sau chiar aditivii cosolvenți, cum ar fi, ureea - o moleculă organică mică foarte solubilă utilizată de diferite organisme vii pentru a regla presiunea osmotică. Există o mulțime de studii detaliate care acoperă atât regimuri experimentale, cât și regimuri teoretice, pentru a înțelege modul în care ureea modulează stabilitatea macromoleculelor biologice.În timp ce experimentaliștii s-au concentrat în primul rând pe aspectele termodinamice și cinetice, modelarea teoretică implică predominant informații mecaniciste la nivel molecular, calculând detalii atomistice aplicând abordarea câmpului de forță la detaliile electronice de nivel înalt folosind metodele mecanice cuantice. Revizuirea se concentrează în principal pe exemple cu relevanță biologică, cum ar fi (1) desfășurarea proteinei asistate de uree, (2) desfășurarea ARN-ului asistat de uree, (3) interacțiunea leziunii ureei în ADN-ul deteriorat, (4) conducerea ureei prin intermediul proteinelor de membrană și (5) interacțiunile proteină-ligand, care abordează în mod explicit vitalitatea interacțiunilor hidrofobe care implică exclusiv fragmentul uree-aromatic.

    Aceasta este o previzualizare a conținutului abonamentului, acces prin intermediul instituției dvs.


    Priveste filmarea: Proteine - structura secundară, terţiară şi cuaternară. (Ianuarie 2022).