Informație

Ar fi numit acest lucru un complex?


Când se formează un intermediar între un substrat și o enzimă, aceasta se numește complex enzimă-substrat.

Când o moleculă este legată de proteina sa de transfer respectivă (molecula transportată este neschimbată atunci când este eliberată din proteină la destinație) s-ar numi acest lucru complex? Dacă nu, cum s-ar numi asta?


Ar fi numit acest lucru un complex? - Biologie

Ce este un ion metalic complex?

Un ion complex are în centru un ion metalic cu un număr de alte molecule sau ioni care îl înconjoară. Acestea pot fi considerate a fi atașate la ionul central prin legături coordonate (covalente date). (În unele cazuri, legătura este de fapt mai complicată decât atât.)

După cum știți, o legătură covalentă este formată din doi atomi care împart o pereche de electroni. Atomii sunt ținuți împreună, deoarece perechea de electroni este atrasă de ambii nuclei. În formarea unei legături covalente simple, fiecare atom furnizează un electron către legătură - dar nu trebuie să fie cazul.

O legătură coordonată (numită și legătură covalentă dativă) este o legătură covalentă (o pereche comună de electroni) în care ambii electroni provin din același atom.

Există un pic de nomenclatură unică pentru ioni complexi: metalul este cunoscut sub numele de ion metalic central. Anionii sau moleculele atașate metalului se numesc liganzi. The număr de coordonare este numărul de locuri de pe ionul metalic în care sunt legați liganzii. Legătura dintre ionul metalic și ligand, unde ligandul furnizează ambii electroni, este cunoscută sub numele de legătură covalentă coordonată Liganzii simpli includ ioni de apă, amoniac și clorură.

Ceea ce au toate acestea în comun sunt perechi solitare active de electroni la nivelul energiei exterioare. Acestea sunt folosite pentru a forma legături coordonate cu ionul metalic.

Toți liganzii sunt donatori de perechi izolate. Cu alte cuvinte, toți liganzii funcționează ca Bazele lui Lewis.

Lipirea în ioni complexi simpli

Vom analiza în detaliu legătura în ionul complex format atunci când moleculele de apă se atașează la un ion de aluminiu pentru a da Al (H2O)6 3+ .

Începeți prin a vă gândi la structura unui ion de aluminiu gol înainte ca moleculele de apă să se lege de acesta.

Aluminiu are structura electronică

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3pX 1

Când formează un ion Al 3+ pierde n = 3 electroni:

Asta înseamnă că toate orbitalele de 3 niveluri sunt acum goale. Utilizarea de aluminiu a șase dintre acestea pentru a accepta perechi solitare din șase molecule de apă. Reorganizează (hibridizează) 3s, trei 3p și doi dintre orbitalii 3d pentru a produce șase noi orbitali, toți cu aceeași energie. de ce alege să folosească șase orbitali mai degrabă decât patru sau opt sau orice altceva. Șase este numărul maxim de molecule de apă, este posibil să se potrivească în jurul unui ion de aluminiu (și a majorității celorlalți ioni metalici). Prin realizarea numărului maxim de legături, eliberează cea mai mare energie și astfel devine cea mai stabilă din punct de vedere energetic.

O singură pereche solitară este prezentată pe fiecare moleculă de apă. Cealaltă pereche izolată îndreaptă departe de aluminiu și, prin urmare, nu este implicată în lipire. Ionul rezultat arată astfel:

Datorită mișcării electronilor către centrul ionului, sarcina 3+ nu mai este localizată în întregime pe aluminiu, ci este acum răspândită pe întregul ion. Deoarece aluminiul formează 6 legături, număr de coordonare din aluminiu se spune că este 6. Numărul de coordonare al unui ion complex contează numărul de legături de coordonate formate de ionul metalic din centrul său.

Într-un caz simplu ca acesta, acesta contează în mod evident și numărul de liganzi - dar nu este neapărat așa, așa cum veți vedea mai târziu. Unii liganzi pot forma mai multe legături coordonate cu ionul metalic.

Acest exemplu este ales deoarece este foarte similar cu ultimul - cu excepția faptului că implică un metal de tranziție.

Fierul are structura electronică

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2

Când formează un ion Fe 3+, pierde electronii 4s și unul dintre electronii 3d

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5

Diagrama orbitală arată astfel:

Acum, fii atent! Singurii electroni din nivelul 3d NU sunt implicați în niciun fel în legătură. În schimb, ionul folosește 6 orbitali din nivelurile 4s, 4p și 4d pentru a accepta perechi solitare din moleculele de apă.

Înainte de a fi utilizate, orbitalii sunt reorganizați (hibridizați) pentru a produce 6 orbitali de energie egală.

Odată ce legăturile coordonate s-au format, ionul arată exact la fel ca ionul de aluminiu echivalent.

Deoarece fierul formează 6 legături, numărul de coordonare al fierului este de 6.

Acesta este un exemplu simplu de formare a unui ion complex cu o sarcină negativă.

Cuprul are structura electronică

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1

Când formează un ion Cu 2+, pierde electronul 4s și unul dintre electronii 3d

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 9

Pentru a lega cei patru ioni clorură ca liganzi, orbitalii 4s și 4p goi sunt utilizați (într-o formă hibridizată) pentru a accepta o pereche solitară de electroni din fiecare ion clorură. Deoarece ionii de clorură sunt mai mari decât moleculele de apă, nu puteți încadra 6 dintre ei în jurul ionului central - de aceea utilizați doar 4.

Este prezentată doar una din cele 4 perechi solitare pe fiecare ion clorură. Celelalte trei sunt îndreptate spre ionul de cupru și nu sunt implicate în legătură, ceea ce vă oferă ionul complex:

Ionul poartă 2 sarcini negative în ansamblu. Aceasta provine dintr-o combinație a celor 2 sarcini pozitive pe ionul de cupru și a celor 4 sarcini negative din cei 4 ioni de clorură.

În acest caz, numărul de coordonare al cuprului este, desigur, 4.

Numărul total de puncte de atașare la elementul central este denumit număr de coordonare și acest lucru poate varia de la 2 la 16, dar este de obicei 6. În termeni simpli, numărul de coordonare al unui complex este influențat de dimensiunile relative ale ionului metalic și ale liganzilor și de factorii electronici, cum ar fi sarcina care este dependent de configurația electronică a ionului metalic. Aceste efecte concurente sunt descrise de termenul de potențial ionic care este definit ca raportul sarcină / rază (q / r).

Pe baza acestui fapt, se poate observa că cu cât încărcarea ionului central este mai mare, cu atât va fi mai mare atracția pentru liganzii încărcați negativ, totuși, în același timp, cu cât este mai mare sarcina, cu atât ionul devine mai mic, ceea ce limitează apoi numărul de grupuri capabile să se coordoneze.

Numere tipice de coordonare:

Complexele de tranziție-metal au fost caracterizate cu numere de coordonare care variază de la 1 la 12, dar cele mai comune numere de coordonare sunt 2, 4 și 6. Exemplele de complexe cu aceste numere de coordonare sunt date în tabelul de mai jos.

Exemple de numere comune de coordonare

Metal Ion Ligand Complex Coordonare
Număr
Ag + + 2 NH3 & lt = & gt Ag (NH3)2 + 2
Ag + + 2 S2O3 2- & lt = & gt AgCl2 - 2
Ag + + 2 Cl - & lt = & gt Ag (S2O3)2 3- 2
Pb 2+ + 2 OAc - & lt = & gt Pb (OAc)2 2
Cu + + 2 NH3 & lt = & gt Cu (NH3)2 + 2
Cu 2+ + 4 NH3 & lt = & gt Cu (NH3)4 2+ 4
Zn 2+ + 4 CN - & lt = & gt Zn (CN)4 2- 4
Hg 2+ + 4 I - & lt = & gt HgI4 2- 4
Co 2+ + 4 SCN - & lt = & gt Co (SCN)4 2- 4
Fe 2+ + 6 H2O & lt = & gt Fe (H2O)6 2+ 6
Fe 3+ + 6 H2O & lt = & gt Fe (H2O)6 3+ 6
Fe 2+ + 6 CN - & lt = & gt Fe (CN)6 4- 6
Co 3+ + 6 NH3 & lt = & gt Co (NH3)6 3+ 6
Ni 2+ + 6 NH3 & lt = & gt Ni (NH3)6 2+ 6

Rețineți că sarcina pe complex este întotdeauna suma sarcinilor pe ioni sau molecule care formează complexul.

Rețineți, de asemenea, că numărul de coordonare al unui complex crește adesea pe măsură ce sarcina pe ionul metalic devine mai mare.

Formarea ionilor complexi:

Ipoteza de bază din spatele discuției despre echilibrele de solubilitate este ideea că sărurile se disociază în ionii lor atunci când se dizolvă în apă. Sulfatul de cupru, de exemplu, se disociază în Cu 2+ și SO4 2- ioni în apă.

Dacă adăugăm 2 M NH3 la această soluție, primul lucru pe care îl observăm este formarea unui precipitat albastru deschis, aproape albastru-albăstrui. Acest lucru poate fi explicat prin combinarea a ceea ce știm despre echilibrele acid-bază și solubilitate. Amoniacul acționează ca bază către apă pentru a forma un amestec de ioni de amoniu și hidroxid

Ionii OH - formați în această reacție se combină cu ioni Cu 2+ în soluție pentru a forma un Cu (OH)2 precipitat.

În teorie, concentrația ionului OH ar trebui să crească atunci când se adaugă mai multă bază la soluție. Ca urmare, mai mult Cu (OH)2 ar trebui să precipite din soluție. La început, exact asta se întâmplă. Cu toate acestea, în prezența excesului de amoniac, Cu (OH)2 precipitatul se dizolvă și soluția devine albastru intens. Acest lucru ridică o întrebare importantă: „De ce face Cu (OH)2 precipitat se dizolvă în exces de amoniac? & quot

Primul pas către răspunsul la această întrebare implică scrierea configurației electronice a metalului de cupru și a ionului său Cu 2+.

Uneori este util să ne gândim la configurația electronică a ionului Cu 2+ în ceea ce privește întregul set de orbitați cu valență. Pe lângă cei nouă electroni din 3d sub-coajă, acest ion are un 4 gols orbital și un set de trei gol 4p orbitali.

Prin urmare, ionul Cu 2+ poate prelua perechi de electroni nelegați de la patru NH3 molecule pentru a forma legături covalente Cu-N,

așa cum se arată în figura de mai jos.

Formarea unui ion complex este un proces în trepte și fiecare etapă are propria sa constantă de echilibru caracteristică.

Pentru formarea Ag (NH3)2 +, reacțiile sunt:

Observație: când două ecuații sunt adăugate, constantele de echilibru se înmulțesc.

Cationii care formează ioni complexi cu exces de NH3 sunt:

Cationii care formează ioni complexi cu exces de OH - sunt:

Se suspectează formarea ionilor complexi atunci când:

  1. Adăugarea unui reactiv determină formarea precipitatului urmată de dizolvarea precipitatului la adăugarea excesului de reactiv.


Complexele au o constantă de echilibru pentru formarea lor ca orice altă reacție chimică. De exemplu, pentru complexul Cd (OH)4 -2, reacția de formare este

Cd +2 (aq) + 4OH - (aq) - & gt Cd (OH)4 -2 (aq) și, prin urmare, expresia constantei de echilibru este K = [Cd (OH)4 -2] / [Cd +2] [OH -] 4 Constanta de echilibru este deseori numită constanta de formare pentru reacție.

Exemplu: Care este expresia constantă de formare pentru complexul Co (NH3)5NU2 +2 ?

Soluţie: Scrieți doar reacția de formare și apoi scrieți expresia constantă de echilibru pentru acea reacție. Reacția de formare este


Cuprins

Celulele sunt de două tipuri: eucariote, care conțin un nucleu, și procariote, care nu. Procariotele sunt organisme unicelulare, în timp ce eucariotele pot fi unicelulare sau multicelulare.

Celulele procariote

Procariotele includ bacterii și arhee, două dintre cele trei domenii ale vieții. Celulele procariote au fost prima formă de viață pe Pământ, caracterizată prin procese biologice vitale, inclusiv semnalizarea celulară. Sunt mai simple și mai mici decât celulele eucariote și nu au un nucleu și alte organite legate de membrană. ADN-ul unei celule procariote este format dintr-un singur cromozom circular care este în contact direct cu citoplasma. Regiunea nucleară din citoplasmă se numește nucleoid. Cele mai multe procariote sunt cel mai mic dintre toate organismele, având un diametru cuprins între 0,5 și 2,0 μm. [13]

O celulă procariotă are trei regiuni:

  • Închiderea celulei este învelișul celulei - constând în general dintr-o membrană plasmatică acoperită de un perete celular care, pentru unele bacterii, poate fi acoperită în continuare de un al treilea strat numit capsulă. Deși majoritatea procariotelor au atât o membrană celulară, cât și un perete celular, există excepții precum Micoplasma (bacterii) și Termoplasma (archaea) care posedă doar stratul de membrană celulară. Plicul conferă rigiditate celulei și separă interiorul celulei de mediul său, servind drept filtru de protecție. Peretele celular este format din peptidoglican în bacterii și acționează ca o barieră suplimentară împotriva forțelor exterioare. De asemenea, împiedică expansiunea celulei și explozia (citoliza) din presiunea osmotică datorată unui mediu hipoton. Unele celule eucariote (celule vegetale și celule fungice) au, de asemenea, un perete celular.
  • În interiorul celulei se află regiunea citoplasmatică care conține genomul (ADN), ribozomi și diferite tipuri de incluziuni. [4] Materialul genetic se găsește în mod liber în citoplasmă. Procariotele pot transporta elemente ADN extracromozomiale numite plasmide, care sunt de obicei circulare. Plasmidele bacteriene liniare au fost identificate la mai multe specii de bacterii spirochete, inclusiv membri ai genului Borrelia mai ales Borrelia burgdorferi, care cauzează boala Lyme. [14] Deși nu formează un nucleu, ADN-ul este condensat într-un nucleoid. Plasmidele codifică gene suplimentare, cum ar fi genele de rezistență la antibiotice.
  • În exterior, flagelele și pilii se proiectează de la suprafața celulei. Acestea sunt structuri (care nu sunt prezente în toate procariotele) formate din proteine ​​care facilitează mișcarea și comunicarea între celule.

Celulele eucariote

Plantele, animalele, ciupercile, mucegaiurile de nămol, protozoarele și algele sunt toate eucariote. Aceste celule sunt de aproximativ cincisprezece ori mai largi decât un procariot tipic și pot fi de până la o mie de ori mai mari în volum. Principala caracteristică distinctivă a eucariotelor în comparație cu procariotele este compartimentarea: prezența organelor (compartimentele) legate de membrană în care au loc activități specifice. Cel mai important dintre acestea este un nucleu celular, [4] un organet care găzduiește ADN-ul celulei. Acest nucleu îi dă numele eucariotei, ceea ce înseamnă „nucleu (nucleu) adevărat”. Alte diferențe includ:

  • Membrana plasmatică seamănă cu cea a procariotelor în funcție, cu diferențe minore în configurare. Pereții celulari pot fi sau nu prezenți.
  • ADN-ul eucariot este organizat în una sau mai multe molecule liniare, numite cromozomi, care sunt asociate cu proteinele histonice. Tot ADN-ul cromozomial este stocat în nucleul celulei, separat de citoplasmă printr-o membrană. [4] Unele organite eucariote, cum ar fi mitocondriile, conțin și ADN.
  • Multe celule eucariote sunt ciliate cu cilii primari. Ciliile primare joacă roluri importante în chimiosensare, mecanosensare și termosensare. Fiecare cilium poate fi astfel „privit ca o antenă celulară senzorială care coordonează un număr mare de căi de semnalizare celulară, uneori cuplând semnalizarea cu motilitatea ciliară sau alternativ cu diviziunea și diferențierea celulară”. [15]
  • Eucariotele mobile se pot deplasa folosind cilii mobili sau flagelii. Celulele mobile sunt absente în conifere și plante cu flori. [16] Flagelele eucariote sunt mai complexe decât cele ale procariotelor. [17]

Toate celulele, fie că sunt procariote sau eucariote, au o membrană care învelește celula, reglează ceea ce se mișcă în interior și în exterior (permeabil selectiv) și menține potențialul electric al celulei. În interiorul membranei, citoplasma ocupă cea mai mare parte a volumului celulei. Toate celulele (cu excepția celulelor roșii din sânge cărora le lipsește un nucleu celular și cele mai multe organite pentru a găzdui spațiu maxim pentru hemoglobină) posedă ADN, materialul ereditar al genelor și ARN, conținând informațiile necesare pentru a construi diverse proteine, cum ar fi enzimele, mașina primară a celulei . Există, de asemenea, alte tipuri de biomolecule în celule. Acest articol enumeră aceste componente celulare primare, apoi descrie pe scurt funcția lor.

Membrană

Membrana celulară sau membrana plasmatică este o membrană biologică care înconjoară citoplasma unei celule. La animale, membrana plasmatică este limita exterioară a celulei, în timp ce la plante și procariote este de obicei acoperită de un perete celular. Această membrană servește la separarea și protejarea unei celule de mediul înconjurător și este realizată în principal dintr-un strat dublu de fosfolipide, care sunt amfifile (parțial hidrofobe și parțial hidrofile). Prin urmare, stratul este numit bistrat fosfolipidic sau uneori o membrană mozaic fluidă. Înglobată în această membrană este o structură macromoleculară numită porozom portalul secretor universal în celule și o varietate de molecule de proteine ​​care acționează ca canale și pompe care mută diferite molecule în și din celulă. [4] Membrana este semi-permeabilă și permeabilă selectiv, în sensul că poate lăsa o substanță (moleculă sau ion) să treacă liber, să treacă într-o măsură limitată sau să nu treacă deloc. Membranele suprafeței celulare conțin, de asemenea, proteine ​​receptor care permit celulelor să detecteze molecule de semnalizare externe, cum ar fi hormonii.

Citoschelet

Citoscheletul acționează pentru organizarea și menținerea formei celulei, ancorează organele în loc, ajută în timpul endocitozei, la absorbția materialelor externe de către o celulă și la citokinezie, separarea celulelor fiice după divizarea celulei și mișcă părți ale celulei în procesele de creștere și mobilitate. . Citoscheletul eucariot este compus din microtubuli, filamente intermediare și microfilamente. În citoscheletul unui neuron filamentele intermediare sunt cunoscute sub numele de neurofilamente. Există un număr mare de proteine ​​asociate cu acestea, fiecare controlând structura unei celule prin direcționarea, gruparea și alinierea filamentelor. [4] Citoscheletul procariot este mai puțin bine studiat, dar este implicat în menținerea formei, polarității și citokinezei celulare. [19] Proteina subunității microfilamentelor este o proteină mică monomerică numită actină. Subunitatea microtubulilor este o moleculă dimerică numită tubulină. Filamentele intermediare sunt heteropolimeri ale căror subunități variază între tipurile de celule din diferite țesuturi. Dar unele dintre proteinele subunității filamentelor intermediare includ vimentina, desminul, laminul (laminele A, B și C), keratina (keratine multiple acide și bazice), proteinele neurofilamentului (NF-L, NF-M).

Material genetic

Există două tipuri diferite de material genetic: acidul dezoxiribonucleic (ADN) și acidul ribonucleic (ARN). Celulele folosesc ADN pentru stocarea informațiilor pe termen lung. Informațiile biologice conținute într-un organism sunt codificate în secvența sa de ADN. [4] ARN-ul este utilizat pentru transportul informațiilor (de exemplu, ARNm) și funcțiile enzimatice (de exemplu, ARN ribozomal). Moleculele de ARN de transfer (ARNt) sunt utilizate pentru a adăuga aminoacizi în timpul traducerii proteinelor.

Materialul genetic procariot este organizat într-un cromozom bacterian circular simplu în regiunea nucleoidă a citoplasmei. Materialul genetic eucariot este împărțit în diferite molecule [4] liniare numite cromozomi în interiorul unui nucleu discret, de obicei cu material genetic suplimentar în unele organite, cum ar fi mitocondriile și cloroplastele (vezi teoria endosimbiotică).

O celulă umană are material genetic conținut în nucleul celular (genomul nuclear) și în mitocondrii (genomul mitocondrial). La om, genomul nuclear este împărțit în 46 de molecule liniare de ADN numite cromozomi, incluzând 22 de perechi de cromozomi omologi și o pereche de cromozomi sexuali. Genomul mitocondrial este o moleculă circulară de ADN distinctă de ADN-ul nuclear. Deși ADN-ul mitocondrial este foarte mic în comparație cu cromozomii nucleari, [4] codifică 13 proteine ​​implicate în producția de energie mitocondrială și tRNA specifice.

Materialul genetic străin (cel mai frecvent ADN) poate fi, de asemenea, introdus artificial în celulă printr-un proces numit transfecție. Acest lucru poate fi tranzitoriu, dacă ADN-ul nu este inserat în genomul celulei, sau stabil, dacă este. Anumiți viruși își inserează materialul genetic în genom.

Organele

Organele sunt părți ale celulei care sunt adaptate și / sau specializate pentru îndeplinirea uneia sau mai multor funcții vitale, analoage organelor corpului uman (cum ar fi inima, plămânii și rinichii, fiecare organ îndeplinind o funcție diferită). [4] Atât celulele eucariote, cât și cele procariote au organite, dar organele procariote sunt în general mai simple și nu sunt legate de membrană.

Există mai multe tipuri de organite într-o celulă. Unele (cum ar fi nucleul și aparatul golgi) sunt de obicei solitare, în timp ce altele (cum ar fi mitocondriile, cloroplastele, peroxizomii și lizozomii) pot fi numeroase (sute până la mii). Citosolul este fluidul gelatinos care umple celula și înconjoară organitele.

Eucariotă

  • Nucleul celular: Centrul de informare al unei celule, nucleul celular este cel mai vizibil organet găsit într-o celulă eucariotă. Găzduiește cromozomii celulei și este locul în care apar aproape toate replicarea ADN și sinteza (transcripția) ARN. Nucleul este sferic și separat de citoplasmă printr-o membrană dublă numită înveliș nuclear. Învelișul nuclear izolează și protejează ADN-ul unei celule de diferite molecule care i-ar putea deteriora accidental structura sau pot interfera cu procesarea acesteia. În timpul procesării, ADN-ul este transcris sau copiat într-un ARN special, numit ARN mesager (ARNm). Acest ARNm este apoi transportat în afara nucleului, unde este tradus într-o moleculă proteică specifică. Nucleolul este o regiune specializată în nucleu unde sunt asamblate subunitățile ribozomilor. La procariote, procesarea ADN are loc în citoplasmă. [4]
  • Mitocondriile și cloroplastele: generează energie pentru celulă. Mitocondriile sunt organite auto-replicabile care apar în diferite numere, forme și dimensiuni în citoplasma tuturor celulelor eucariote. [4] Respirația are loc în mitocondriile celulare, care generează energia celulei prin fosforilare oxidativă, folosind oxigenul pentru a elibera energia stocată în substanțele nutritive celulare (de obicei aparținând glucozei) pentru a genera ATP. Mitocondriile se înmulțesc prin fisiune binară, ca procariotele. Cloroplastele se găsesc numai în plante și alge și captează energia soarelui pentru a produce carbohidrați prin fotosinteză.
  • Reticul endoplasmatic: Reticulul endoplasmatic (ER) este o rețea de transport pentru molecule vizate pentru anumite modificări și destinații specifice, în comparație cu moleculele care plutesc liber în citoplasmă. ER are două forme: ER rugos, care are pe suprafața sa ribozomi care secretă proteine ​​în ER și ER neted, care nu are ribozomi. [4] ER netedă joacă un rol în sechestrarea și eliberarea calciului.
  • aparate Golgi: Funcția principală a aparatului Golgi este de a procesa și ambala macromoleculele, cum ar fi proteinele și lipidele care sunt sintetizate de celulă.
  • Lizozomi și peroxizomi: Lizozomii conțin enzime digestive (hidrolaze acide). Digeră organele în exces sau uzate, particulele alimentare și virusurile sau bacteriile înghițite. Peroxisomii au enzime care scapă celula de peroxizi toxici. Celula nu ar putea adăposti aceste enzime distructive dacă nu ar fi conținute într-un sistem legat de membrană. [4]
  • Centrosom: organizatorul citoscheletului: Centrosomul produce microtubulii unei celule - o componentă cheie a citoscheletului. Direcționează transportul prin ER și aparatul Golgi. Centrozomii sunt compuși din doi centrioli, care se separă în timpul diviziunii celulare și ajută la formarea fusului mitotic. Un singur centrosom este prezent în celulele animale. Se găsesc și în unele ciuperci și celule de alge.
  • Vacuole: Vacuolele sechestrează deșeurile și în celulele vegetale depozitează apa. Acestea sunt adesea descrise ca spațiu umplut cu lichid și sunt înconjurate de o membrană. Unele celule, mai ales Amibă, au vacuole contractile, care pot pompa apa din celulă dacă există prea multă apă. Vacuolele celulelor vegetale și ale celulelor fungice sunt de obicei mai mari decât cele ale celulelor animale.

Eucariote și procariote

  • Ribozomi: Ribozomul este un complex mare de molecule de ARN și proteine. [4] Fiecare dintre ele constă din două subunități și acționează ca o linie de asamblare în care ARN-ul din nucleu este utilizat pentru a sintetiza proteinele din aminoacizi. Ribozomii pot fi găsiți fie plutind liber, fie legați de o membrană (reticulul endoplasmatic aspru în eucariote sau membrana celulară în procariote). [20]

Multe celule au, de asemenea, structuri care există în totalitate sau parțial în afara membranei celulare. Aceste structuri sunt notabile deoarece nu sunt protejate de mediul extern de membrana celulară semipermeabilă. Pentru a asambla aceste structuri, componentele lor trebuie transportate prin membrana celulară prin procese de export.

Perete celular

Multe tipuri de celule procariote și eucariote au un perete celular. Peretele celular acționează pentru a proteja celula mecanic și chimic de mediul său și este un strat suplimentar de protecție a membranei celulare. Diferitele tipuri de celule au pereți celulari compuși din materiale diferite pereții celulari ai plantelor sunt în primul rând constituiți din celuloză, pereții celulari ai ciupercilor sunt compuși din chitină, iar pereții celulari ai bacteriilor sunt compuși din peptidoglican.

Procariotă

Capsulă

O capsulă gelatinoasă este prezentă în unele bacterii din afara membranei celulare și a peretelui celular. Capsula poate fi polizaharidă ca la pneumococi, meningococi sau polipeptide ca Bacillus anthracis sau acid hialuronic ca în streptococi. Capsulele nu sunt marcate de protocoale normale de colorare și pot fi detectate cu cerneală India sau albastru de metil, ceea ce permite un contrast mai mare între celule pentru observare. [21]: 87

Flagella

Flagelele sunt organite pentru mobilitatea celulară. Flagelul bacterian se întinde din citoplasmă prin membrana (celulele) celulară și extrudează prin peretele celular. Sunt anexe lungi și groase, asemănătoare firelor, de natură proteică. Un tip diferit de flagel se găsește în archaea și un tip diferit se găsește în eucariote.

Fimbriae

O fimbrie (plural fimbriae cunoscută și sub numele de pilus, plural pili) este un filament scurt, subțire, asemănător părului, care se găsește pe suprafața bacteriilor. Fimbriae sunt formate dintr-o proteină numită pilină (antigenică) și sunt responsabile de atașarea bacteriilor la receptori specifici de pe celulele umane (aderența celulelor). Există tipuri speciale de pili implicați în conjugarea bacteriană.

Replicare

Diviziunea celulară implică o singură celulă (numită a celula mamă) împărțindu-se în două celule fiice. Acest lucru duce la creșterea organismelor multicelulare (creșterea țesuturilor) și la procreare (reproducere vegetativă) în organismele unicelulare. Celulele procariote se divid prin fisiune binară, în timp ce celulele eucariote suferă de obicei un proces de diviziune nucleară, numită mitoză, urmată de divizarea celulei, numită citokineză. O celulă diploidă poate suferi, de asemenea, meioză pentru a produce celule haploide, de obicei patru. Celulele haploide servesc ca gameți în organismele multicelulare, fuzionând pentru a forma noi celule diploide.

Replicarea ADN sau procesul de duplicare a genomului unei celule [4] se întâmplă întotdeauna atunci când o celulă se împarte prin mitoză sau fisiune binară. Acest lucru se întâmplă în timpul fazei S a ciclului celular.

În meioză, ADN-ul este reprodus o singură dată, în timp ce celula se împarte de două ori. Replicarea ADN are loc numai înainte de meioza I. Replicarea ADN nu are loc atunci când celulele se împart a doua oară, în meioza II. [22] Replicarea, ca toate activitățile celulare, necesită proteine ​​specializate pentru îndeplinirea sarcinii. [4]

Repararea ADN-ului

În general, celulele tuturor organismelor conțin sisteme enzimatice care își scanează ADN-ul pentru a se deteriora și efectuează procese de reparare atunci când sunt detectate daune. [23] Diverse procese de reparare au evoluat în organisme, de la bacterii la oameni. Prevalența pe scară largă a acestor procese de reparare indică importanța menținerii ADN-ului celular într-o stare nedeteriorată pentru a evita moartea celulară sau erorile de replicare din cauza daunelor care ar putea duce la mutație. E coli bacteriile sunt un exemplu bine studiat al unui organism celular cu diverse procese bine reparate de reparare a ADN-ului. Acestea includ: (1) repararea exciziei de nucleotide, (2) repararea nepotrivirii ADN-ului, (3) îmbinarea finală neomologă a pauzelor cu dublu fir, (4) repararea recombinațională și (5) repararea dependentă de lumină (fotoreactivare).

Creștere și metabolism

Între diviziile celulare succesive, celulele cresc prin funcționarea metabolismului celular. Metabolismul celular este procesul prin care celulele individuale procesează moleculele de nutrienți. Metabolismul are două diviziuni distincte: catabolismul, în care celula descompune moleculele complexe pentru a produce energie și reducerea puterii și anabolismul, în care celula folosește energia și puterea reducătoare pentru a construi molecule complexe și pentru a îndeplini alte funcții biologice. Zaharurile complexe consumate de organism pot fi descompuse în molecule de zahăr mai simple numite monozaharide, cum ar fi glucoza. Odată ajuns în celulă, glucoza este descompusă pentru a produce adenozin trifosfat (ATP), [4] o moleculă care posedă energie disponibilă ușor, prin două căi diferite.

Sinteza proteinei

Celulele sunt capabile să sintetizeze noi proteine, care sunt esențiale pentru modularea și menținerea activităților celulare. Acest proces implică formarea de noi molecule de proteine ​​din blocuri de aminoacizi pe baza informațiilor codificate în ADN / ARN. Sinteza proteinelor constă în general în două etape majore: transcriere și traducere.

Transcrierea este procesul în care informațiile genetice din ADN sunt utilizate pentru a produce o catenă complementară de ARN. Această catenă de ARN este apoi procesată pentru a da ARN messenger (ARNm), care este liber să migreze prin celulă. Moleculele de ARNm se leagă de complexele proteină-ARN numite ribozomi situați în citosol, unde sunt traduse în secvențe polipeptidice. Ribozomul mediază formarea unei secvențe polipeptidice pe baza secvenței ARNm. Secvența ARNm se referă direct la secvența polipeptidică prin legarea de a transfera moleculele adaptoare ARN (ARNt) în buzunarele de legare din ribozom. Noua polipeptidă se pliază apoi într-o moleculă proteică funcțională tridimensională.

Motilitate

Organismele unicelulare se pot mișca pentru a găsi hrană sau pentru a scăpa de prădători. Mecanismele comune de mișcare includ flageli și cili.

În organismele multicelulare, celulele se pot mișca în timpul proceselor precum vindecarea rănilor, răspunsul imun și metastaza cancerului. De exemplu, în vindecarea rănilor la animale, celulele albe din sânge se deplasează la locul rănii pentru a distruge microorganismele care cauzează infecția. Motilitatea celulară implică mulți receptori, reticulare, legare, legare, adeziune, motorii și alte proteine. [24] Procesul este împărțit în trei etape - proeminența marginii anterioare a celulei, aderența marginii anterioare și dezadeziunea la corpul celulei și spate și contracția citoscheletală pentru a trage celula înainte. Fiecare pas este condus de forțe fizice generate de segmente unice ale citoscheletului. [25] [26]

Navigare, control și comunicare

În august 2020, oamenii de știință au descris un singur mod în care celulele - în special celulele de mucegai slime și celulele derivate din cancerul pancreatic de șoarece - sunt capabile să navigheze eficient printr-un corp și să identifice cele mai bune căi prin labirinturi complexe: generarea de gradienți după descompunerea chimiotratanților difuzați care permiteți-le să sesizeze viitoarele joncțiuni labirint înainte de a ajunge la ele, inclusiv în jurul colțurilor. [27] [28] [29]


Interacțiunile ADN-peptidă creează comportamente complexe care ar fi putut forma biologia

Imaginile de microscopie de polarizare prezintă texturi tipice de amprentă care indică asamblarea unei populații mari de picături de coacervare cu cristale lichide. Credit: Tommaso P Fraccia

Interacțiunile ADN-proteină sunt extrem de importante în biologie. De exemplu, fiecare celulă umană conține aproximativ 2 metri ADN, dar acesta este ambalat într-un spațiu de aproximativ 1 milion de ori mai mic. Informațiile din acest ADN permit celulei să se copieze singură. Acest ambalaj extrem se realizează în principal în celule prin înfășurarea ADN-ului în jurul proteinelor. Astfel, modul în care ADN-ul și proteinele interacționează este de un interes extrem pentru oamenii de știință care încearcă să înțeleagă modul în care se organizează biologia. Noile cercetări efectuate de oamenii de știință de la Earth-Life Science Institute (ELSI) la Tokyo Institute of Technology și Institut Pierre-Gilles de Gennes, ESPCI Paris, Université PSL sugerează că interacțiunile ADN și proteine ​​au tendințe adânci pentru a forma ordered structures such as those that allow the extreme packaging of DNA in cells.

Modern living cells are principally composed of a few classes of large molecules. DNA gets the lion's share of attention as it is the repository of the information cells use to build themselves generation after generation. Information-rich DNA is normally present as a double-stranded helix of two polymers wrapped around each other, with much of what makes the information DNA contains obscured to the external environment because the information-bearing parts of the molecules are engaged with their complementary strand. When DNA is copied into ribonucleic acid (RNA), its strands are pulled apart to allow its more complex surfaces to interact, which enables it to be copied into single-stranded RNA polymers. These RNA polymers are finally read out by biological processes into proteins, which are polymers of a variety of amino acids with extremely complicated surface properties. Thus, DNA and RNA are somewhat predictable in terms of their chemical behavior as polymers, while proteins are not.

Polymeric molecules, those composed or repeated types of subunits, can display complex behaviors when mixed with other chemicals, especially when dissolved in a solvent-like water. Chemists have developed a complex set of terms for how compounds behave when they are mixed. For example, the proteins in cow's milk are considered a colloidal suspension in water (a colloidal is a homogeneous noncrystalline suspended mixture that does not settle and cannot be separated by physical means). When lemon juice is added to milk, the suspended proteins reorganize themselves to produce the visible self-organization of curds, which do separate into a new phase.

There are other examples of this phenomenon chemists have discovered over the years, for example, liquid crystals. LCs are formed when molecules have an elongated shape or the tendency to make linear aggregates, like stacks of molecules one on top of each other: The resulting material presents a mixture of the properties of a crystal and a liquid—the material thus has a certain degree of order like a solid, for example, parallel orientation of the molecules, but still retains its fluidity—molecules can easily slip on and by each other. We all experience liquid crystal displays exploit these variable properties to create images.

In their work, Fraccia and Jia showed that double-stranded DNA and peptides can generate many different LC phases in a peculiar way: The LCs actually form in membraneless droplets called coacervates, where DNA and peptides are spontaneously co-assembled and ordered. This process brings DNA and peptides to very high concentrations comparable to that of a cell's nucleus, which is 100 to 1000 times greater than that of the diluted initial solution (which is the maximum concentration that can likely be achieved on early Earth). Thus, such spontaneous behavior can, in principle, favor the formation of the first cell-like structures on early Earth, which would take advantage of the ordered but fluid LC matrix in order to gain stability and functionality and to favor the growth and the evolution of primitive biomolecules.

The cut-off between when these higher-order properties begin to present themselves is not always clear. When molecules interact at the molecular level, they often "self-organize." Think of the process of adding sand to a sandpile: as more sand accumulates, it tends to form a "low energy" final state—a pile. Though the addition of sand grains may cause some new structures to form locally, at some point, the addition of one more grain causes a landslide in the pile which reinforces the conical shape of the pile.

Short double-stranded DNA (Oligo dsDNA) co-assemble in an end-to-end stacked fashion with a cationic peptide (poly-L-lysine) to form rigid bundles, resulting in formation of liquid crystal coacervate droplets. Credit: Tommaso P Fraccia

The scientific community may be missing important aspects of the implications of this type of self-organization, Jia and Fraccia argue. The combination of these collective material self-organizing effects may be relevant at many scales of biology and may be important for biomolecular structure transitions in cell physiology and disease. In particular, the researchers discovered that various liquid crystalline structures could be accessed continuously simply by changes in environmental conditions, even as simple as changes in salinity or temperature given the numerous unexplored conditions, this work suggests many more novel self-organized LC mesophases with potential biological function could be discovered in the near future.

This new understanding of biopolymeric self-organization may also be important for understanding how life self-organized to become living in the first place. Understanding how primitive collections of molecules could have structured themselves into collectively behaving aggregates is a significant avenue of future research.

"When the general public hears about liquid crystals, they might think of TV screens and engineering applications. However, very few would immediately think of basic science. Most researchers would not even make the connection between LCs and the origins of life. We hope this work will help increase the public's understanding of LCs in the context of the origins of life," says co-author Jia.

Finally, this work may also be relevant to disease. For example, recent discoveries regarding diseases including Alzheimer's, Parkinson's, Huntington's and ALS have pointed to intracellular phase transitions and separation leading to membraneless droplets as potential major causes.

The researchers noted that although their work was heavily impacted by the pandemic, they did their best to keep working under the global shutdowns and travel restrictions.


Functional groups are usually classified as hydrophobic or hydrophilic depending on their charge or polarity. An example of a hydrophobic group is the non-polar methane molecule. Among the hydrophilic functional groups is the carboxyl group found in amino acids, some amino acid side chains, and the fatty acid heads that form triglycerides and phospholipids. This carboxyl group ionizes to release hydrogen ions (H + ) from the —COOH group resulting in the negatively charged —COO – group this contributes to the hydrophilic nature of whatever molecule it is found on. Other functional groups, such as the carbonyl group, have a partially negatively charged oxygen atom that may form hydrogen bonds with water molecules, again making the molecule more hydrophilic.

Bound to 2 organic side groups

Practice Questions

Fructose is a common sugar that you’ve probably come into contact with in your life. What functional groups can be found in a fructose molecule?

Leucine is an amino acid that plays an important role in muscle development. What functional groups can be found in a leucine molecule?


“Clyde’s Spot” on Jupiter Has Morphed Into a Strange, Complex Structure

“Clyde’s Spot” on Jupiter imaged by Juno on April 15, 2021. Image data: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS. Image processing by Kevin M. Gill © CC BY­­.

During its 33 rd low pass over the cloud tops of Jupiter on April 15, 2021, NASA’s Juno spacecraft captured the intriguing evolution of a feature in the giant planet’s atmosphere known as “Clyde’s Spot.”

The feature is informally named for amateur astronomer Clyde Foster of Centurion, South Africa, who discovered it in 2020 using his own 14-inch telescope. On June 2, 2020, just two days after Foster’s initial discovery, Juno provided detailed observations of Clyde’s Spot (image below), which scientists determined was a plume of cloud material erupting above the top layers of the Jovian atmosphere just southeast of Jupiter’s Great Red Spot, which is currently about 1.3 times as wide as Earth. These powerful convective outbreaks occasionally occur in this latitude band, known as the South Temperate Belt. The initial plume subsided quickly, and within a few weeks it was seen as a dark spot.

“Clyde’s Spot” on Jupiter imaged by Juno on June 2, 2020. Image data: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS. Image processing by Kevin M. Gill © CC BY­­.

Many features in Jupiter’s highly dynamic atmosphere are short lived, but the April 2021 observation from the JunoCam instrument (top image) revealed that nearly one year after its discovery, the remnant of Clyde’s Spot had not only drifted away from the Great Red Spot but had also developed into a complex structure that scientists call a folded filamentary region. This region is twice as big in latitude and three times as big in longitude as the original spot, and has the potential to persist for an extended period of time.


Retriever is a multiprotein complex for retromer-independent endosomal cargo recycling

Following endocytosis into the endosomal network, integral membrane proteins undergo sorting for lysosomal degradation or are retrieved and recycled back to the cell surface. Here we describe the discovery of an ancient and conserved multiprotein complex that orchestrates cargo retrieval and recycling and, importantly, is biochemically and functionally distinct from the established retromer pathway. We have called this complex 'retriever' it is a heterotrimer composed of DSCR3, C16orf62 and VPS29, and bears striking similarity to retromer. We establish that retriever associates with the cargo adaptor sorting nexin 17 (SNX17) and couples to CCC (CCDC93, CCDC22, COMMD) and WASH complexes to prevent lysosomal degradation and promote cell surface recycling of α5β1 integrin. Through quantitative proteomic analysis, we identify over 120 cell surface proteins, including numerous integrins, signalling receptors and solute transporters, that require SNX17-retriever to maintain their surface levels. Our identification of retriever establishes a major endosomal retrieval and recycling pathway.

Declarație privind conflictul de interese

The authors declare no competing financial interests.

Cifre

Figure 1. Comparative GFP-SNX17 and SNX17-GFP proteomics…

Figure 1. Comparative GFP-SNX17 and SNX17-GFP proteomics identifies the retromer-independent sorting machinery

Figure 2. Suppression of SNX17, CCDC22, CCDC93,…

Figure 2. Suppression of SNX17, CCDC22, CCDC93, C16orf62 and DSCR3 or deletion of VPS29 but…

Figure 3. C16orf62, DSCR3 and VPS29 form…

Figure 3. C16orf62, DSCR3 and VPS29 form a retromer-like heterotrimer

Figure 4. The retriever complex requires the…

Figure 4. The retriever complex requires the CCC and WASH complexes for endosomal localisation

Figure 5. The evolutionary conserved carboxy-terminal tail…

Figure 5. The evolutionary conserved carboxy-terminal tail of SNX17 interacts with DSCR3

Figure 6. The interaction between SNX17 and…

Figure 6. The interaction between SNX17 and DSCR3 is evolutionary conserved and essential for the…

Figure 7. Global, quantitative analysis of the…

Figure 7. Global, quantitative analysis of the cell surface proteome reveals that SNX17 dependent retrieval…


The Idea That a Scientific Theory Can Be &lsquoFalsified&rsquo Is a Myth

J.B.S. Haldane, one of the founders of modern evolutionary biology theory, was reportedly asked what it would take for him to lose faith in the theory of evolution and is said to have replied, &ldquoFossil rabbits in the Precambrian.&rdquo Since the so-called &ldquoCambrian explosion&rdquo of 500 million years ago marks the earliest appearance in the fossil record of complex animals, finding mammal fossils that predate them would falsify the theory.

The Haldane story, though apocryphal, is one of many in the scientific folklore that suggest that falsification is the defining characteristic of science. As expressed by astrophysicist Mario Livio in his book Brilliant Blunders: "[E]ver since the seminal work of philosopher of science Karl Popper, for a scientific theory to be worthy of its name, it has to be falsifiable by experiments or observations. This requirement has become the foundation of the &lsquoscientific method.&rsquo&rdquo

But the field known as science studies (comprising the history, philosophy and sociology of science) has shown that falsification cannot work even in principle. This is because an experimental result is not a simple fact obtained directly from nature. Identifying and dating Haldane's bone involves using many other theories from diverse fields, including physics, chemistry and geology. Similarly, a theoretical prediction is never the product of a single theory but also requires using many other theories. When a &ldquotheoretical&rdquo prediction disagrees with &ldquoexperimental&rdquo data, what this tells us is that that there is a disagreement between two sets of theories, so we cannot say that any particular theory is falsified.

Fortunately, falsification&mdashor any other philosophy of science&mdashis not necessary for the actual practice of science. The physicist Paul Dirac was right when he said, "Philosophy will never lead to important discoveries. It is just a way of talking about discoveries which have already been made.&rdquo Actual scientific history reveals that scientists break all the rules all the time, including falsification. As philosopher of science Thomas Kuhn noted, Newton's laws were retained despite the fact that they were contradicted for decades by the motions of the perihelion of Mercury and the perigee of the moon. It is the single-minded focus on finding what works that gives science its strength, not any philosophy. Albert Einstein said that scientists are not, and should not be, driven by any single perspective but should be willing to go wherever experiment dictates and adopt whatever works.

Unfortunately, some scientists have disparaged the entire field of science studies, claiming that it was undermining public confidence in science by denying that scientific theories were objectively true. This is a mistake since science studies play vital roles in two areas. The first is that it gives scientists a much richer understanding of their discipline. As Einstein said: "So many people today&mdashand even professional scientists&mdashseem to me like somebody who has seen thousands of trees but has never seen a forest. A knowledge of the historic and philosophical background gives that kind of independence from prejudices of his generation from which most scientists are suffering. This independence created by philosophical insight is&mdashin my opinion&mdashthe mark of distinction between a mere artisan or specialist and a real seeker after truth." The actual story of how science evolves results in inspiring more confidence in science, not less.

The second is that this knowledge equips people to better argue against antiscience forces that use the same strategy over and over again, whether it is about the dangers of tobacco, climate change, vaccinations or evolution. Their goal is to exploit the slivers of doubt and discrepant results that always exist in science in order to challenge the consensus views of scientific experts. They fund and report their own results that go counter to the scientific consensus in this or that narrow area and then argue that they have falsified the consensus. In their book Merchants of Doubt, historians Naomi Oreskes and Erik M. Conway say that for these groups &ldquo[t]he goal was to fight science with science&mdashor at least with the gaps and uncertainties in existing science, and with scientific research that could be used to deflect attention from the main event.&rdquo

Science studies provide supporters of science with better arguments to combat these critics, by showing that the strength of scientific conclusions arises because credible experts use comprehensive bodies of evidence to arrive at consensus judgments about whether a theory should be retained or rejected in favor of a new one. These consensus judgments are what have enabled the astounding levels of success that have revolutionized our lives for the better. It is the preponderance of evidence that is relevant in making such judgments, not one or even a few results.

So, when anti-vaxxers or anti-evolutionists or climate change deniers point to this or that result to argue that they have falsified the scientific consensus, they are making a meaningless statement. What they need to do is produce a preponderance of evidence in support of al lor case, and they have not done so.

Falsification is appealing because it tells a simple and optimistic story of scientific progress, that by steadily eliminating false theories we can eventually arrive at true ones. As Sherlock Holmes put it, &ldquoWhen you have eliminated the impossible, whatever remains, however improbable, must be the truth.&rdquo Such simple but incorrect narratives abound in science folklore and textbooks. Richard Feynman in his book QED, right after &ldquoexplaining&rdquo how the theory of quantum electrodynamics came about, said, "What I have just outlined is what I call a &ldquophysicist&rsquos history of physics,&rdquo which is never correct. What I am telling you is a sort of conventionalized myth-story that the physicists tell to their students, and those students tell to their students, and is not necessarily related to the actual historical development which I do not really know!"

But if you propagate a &ldquomyth-story&rdquo enough times and it gets passed on from generation to generation, it can congeal into a fact, and falsification is one such myth-story.


Historical background

The particularly significant past events in biochemistry have been concerned with placing biological phenomena on firm chemical foundations.

Before chemistry could contribute adequately to medicine and agriculture, however, it had to free itself from immediate practical demands in order to become a pure science. This happened in the period from about 1650 to 1780, starting with the work of Robert Boyle and culminating in that of Antoine-Laurent Lavoisier, the father of modern chemistry. Boyle questioned the basis of the chemical theory of his day and taught that the proper object of chemistry was to determine the composition of substances. His contemporary John Mayow observed the fundamental analogy between the respiration of an animal and the burning, or oxidation, of organic matter in air. Then, when Lavoisier carried out his fundamental studies on chemical oxidation, grasping the true nature of the process, he also showed, quantitatively, the similarity between chemical oxidation and the respiratory process. Photosynthesis was another biological phenomenon that occupied the attention of the chemists of the late 18th century. The demonstration, through the combined work of Joseph Priestley, Jan Ingenhousz, and Jean Senebier, that photosynthesis is essentially the reverse of respiration was a milestone in the development of biochemical thought.

In spite of these early fundamental discoveries, rapid progress in biochemistry had to wait upon the development of structural organic chemistry, one of the great achievements of 19th-century science. A living organism contains many thousands of different chemical compounds. The elucidation of the chemical transformations undergone by these compounds within the living cell is a central problem of biochemistry. Clearly, the determination of the molecular structure of the organic substances present in living cells had to precede the study of the cellular mechanisms, whereby these substances are synthesized and degraded.

There are few sharp boundaries in science, and the boundaries between organic and physical chemistry, on the one hand, and biochemistry, on the other, have always shown much overlap. Biochemistry has borrowed the methods and theories of organic and physical chemistry and applied them to physiological problems. Progress in this path was at first impeded by a stubborn misconception in scientific thinking—the error of supposing that the transformations undergone by matter in the living organism were not subject to the chemical and physical laws that applied to inanimate substances and that consequently these “vital” phenomena could not be described in ordinary chemical or physical terms. Such an attitude was taken by the vitalists, who maintained that natural products formed by living organisms could never be synthesized by ordinary chemical means. The first laboratory synthesis of an organic compound, urea, by Friedrich Wöhler in 1828, was a blow to the vitalists but not a decisive one. They retreated to new lines of defense, arguing that urea was only an excretory substance—a product of breakdown and not of synthesis. The success of the organic chemists in synthesizing many natural products forced further retreats of the vitalists. It is axiomatic in modern biochemistry that the chemical laws that apply to inanimate materials are equally valid within the living cell.

At the same time that progress was being impeded by a misplaced kind of reverence for living phenomena, the practical needs of man operated to spur the progress of the new science. As organic and physical chemistry erected an imposing body of theory in the 19th century, the needs of the physician, the pharmacist, and the agriculturalist provided an ever-present stimulus for the application of the new discoveries of chemistry to various urgent practical problems.

Two outstanding figures of the 19th century, Justus von Liebig and Louis Pasteur, were particularly responsible for dramatizing the successful application of chemistry to the study of biology. Liebig studied chemistry in Paris and carried back to Germany the inspiration gained by contact with the former students and colleagues of Lavoisier. He established at Giessen a great teaching and research laboratory, one of the first of its kind, which drew students from all over Europe.

Besides putting the study of organic chemistry on a firm basis, Liebig engaged in extensive literary activity, attracting the attention of all scientists to organic chemistry and popularizing it for the layman as well. His classic works, published in the 1840s, had a profound influence on contemporary thought. Liebig described the great chemical cycles in nature. He pointed out that animals would disappear from the face of the Earth if it were not for the photosynthesizing plants, since animals require for their nutrition the complex organic compounds that can be synthesized only by plants. The animal excretions and the animal body after death are also converted by a process of decay to simple products that can be re-utilized only by plants.

In contrast with animals, green plants require for their growth only carbon dioxide, water, mineral salts, and sunlight. The minerals must be obtained from the soil, and the fertility of the soil depends on its ability to furnish the plants with these essential nutrients. But the soil is depleted of these materials by the removal of successive crops hence the need for fertilizers. Liebig pointed out that chemical analysis of plants could serve as a guide to the substances that should be present in fertilizers. Agricultural chemistry as an applied science was thus born.

In his analysis of fermentation, putrefaction, and infectious disease, Liebig was less fortunate. He admitted the similarity of these phenomena but refused to admit that living organisms might function as the causative agents. It remained for Pasteur to clarify that matter. In the 1860s Pasteur proved that various yeasts and bacteria were responsible for “ferments,” substances that caused fermentation and, in some cases, disease. He also demonstrated the usefulness of chemical methods in studying these tiny organisms and was the founder of what came to be called bacteriology.

Later, in 1877, Pasteur’s ferments were designated as enzymes, and, in 1897, the German chemist E. Buchner clearly showed that fermentation could occur in a press juice of yeast, devoid of living cells. Thus a life process of cells was reduced by analysis to a nonliving system of enzymes. The chemical nature of enzymes remained obscure until 1926, when the first pure crystalline enzyme (urease) was isolated. This enzyme and many others subsequently isolated proved to be proteins, which had already been recognized as high-molecular-weight chains of subunits called amino acids.

The mystery of how minute amounts of dietary substances known as the vitamins prevent diseases such as beriberi, scurvy, and pellagra became clear in 1935, when riboflavin (vitamin B2) was found to be an integral part of an enzyme. Subsequent work has substantiated the concept that many vitamins are essential in the chemical reactions of the cell by virtue of their role in enzymes.

In 1929 the substance adenosine triphosphate (ATP) was isolated from muscle. Subsequent work demonstrated that the production of ATP was associated with respiratory (oxidative) processes in the cell. In 1940 F.A. Lipmann proposed that ATP is the common form of energy exchange in many cells, a concept now thoroughly documented. ATP has been shown also to be a primary energy source for muscular contraction.

The use of radioactive isotopes of chemical elements to trace the pathway of substances in the animal body was initiated in 1935 by two U.S. chemists, R. Schoenheimer and D. Rittenberg. That technique provided one of the single most important tools for investigating the complex chemical changes that occur in life processes. At about the same time, other workers localized the sites of metabolic reactions by ingenious technical advances in the studies of organs, tissue slices, cell mixtures, individual cells, and, finally, individual cell constituents, such as nuclei, mitochondria, ribosomes, lysosomes, and membranes.

In 1869 a substance was isolated from the nuclei of pus cells and was called nucleic acid, which later proved to be deoxyribonucleic acid (DNA), but it was not until 1944 that the significance of DNA as genetic material was revealed, when bacterial DNA was shown to change the genetic matter of other bacterial cells. Within a decade of that discovery, the double helix structure of DNA was proposed by Watson and Crick, providing a firm basis for understanding how DNA is involved in cell division and in maintaining genetic characteristics.

Advances have continued since that time, with such landmark events as the first chemical synthesis of a protein, the detailed mapping of the arrangement of atoms in some enzymes, and the elucidation of intricate mechanisms of metabolic regulation, including the molecular action of hormones.


DNA is in Living Things

Humans are not the only living things that have DNA. Every organism and some viruses also use DNA to store their instructions. Scientists call these sets of instructions genomes. Humans don’t even have the largest genome. The single-celled amoeba Dubia, the lungfish, and the Easter lily all have larger genomes than humans.

The Easter Lily has a larger genome than humans. So do amoebas and lungfish. This goes to show that genome size does not match the size of the organism.

Scientists have been learning about DNA since 1869 when Swiss physician and biologist, Friedrich Miescher, first discovered the microscopic material. How it worked and what the structure looked like was not known until 1953 when scientists first published a paper on it in the journal Natură. It was in the April 25, 1953 issue that James Watson and Francis Crick wrote about the shape and construction of DNA. They are considered to be the first scientists to identify its correct double-helix structure, which they did with the help of research from Rosalind Franklin. This discovery is why each year we celebrate DNA Day in April.

To learn more about DNA, genes, and genomes, we have gathered together some places for you to visit on the Web. We also have some things for you to try out on the Ask A Biologist site. Some will be fun for your eyes, others are perfect for your ears, and a couple will keep your hands busy.

Discovery of DNA - History

Genes and Genomes

Gene Editing and CRISPR

DNA Activities at Ask A Biologist

Doriți să aflați mai multe?

National DNA Day page from NIH - National Human Genome Research Institute