Informacija

4.3: Proizvodnja oblikovanih elemenata - Biologija

4.3: Proizvodnja oblikovanih elemenata - Biologija



We are searching data for your request:

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

ciljevi učenja

Do kraja ovog odjeljka moći ćete:

  • Pratite stvaranje formiranih elemenata krvi iz matičnih stanica koštane srži
  • Razgovarajte o ulozi hemopoetskih čimbenika rasta u promicanju proizvodnje formiranih elemenata

Vijek trajanja oblikovanih elemenata je vrlo kratak. Iako jedna vrsta leukocita nazvana memorijske stanice može preživjeti godinama, većina eritrocita, leukocita i trombocita normalno živi samo nekoliko sati do nekoliko tjedana. Stoga tijelo mora brzo i kontinuirano formirati nove krvne stanice i trombocite. Kada donirate jedinicu krvi tijekom krvarenja (otprilike 475 mL, ili oko 1 pintu), vaše tijelo obično zamijeni doniranu plazmu unutar 24 sata, ali potrebno je oko 4 do 6 tjedana da zamijeni krvne stanice. To ograničava učestalost kojom darivatelji mogu dati svoju krv. Proces kojim se ta zamjena događa zove se hemopoeze, ili hematopoeza (od grčkog korijena haima– = “krv”; –poiesis = “proizvodnja”).

Mjesta hemopoeze

Prije rođenja, hemopoeza se događa u brojnim tkivima, počevši od žumanjčane vrećice embrija u razvoju, a nastavlja se u fetalnoj jetri, slezeni, limfnom tkivu i na kraju u crvenoj koštanoj srži. Nakon rođenja, većina hemopoeze se događa u crvenoj srži, vezivnom tkivu unutar prostora spužvastog (spongioznog) koštanog tkiva. U djece se hemopoeza može pojaviti u medularnoj šupljini dugih kostiju; kod odraslih, proces je uglavnom ograničen na kosti lubanje i zdjelice, kralješke, prsnu kost i proksimalne epifize femura i humerusa.

Tijekom odrasle dobi, jetra i slezena održavaju svoju sposobnost stvaranja formiranih elemenata. Ovaj proces se naziva ekstramedularna hemopoeza (što znači hemopoeza izvan medularne šupljine kostiju odraslih). Kada bolest kao što je rak kostiju uništi koštanu srž, uzrokujući neuspjeh hemopoeze, može se pokrenuti ekstramedularna hemopoeza.

Diferencijacija formiranih elemenata od matičnih stanica

Svi formirani elementi proizlaze iz matičnih stanica crvene koštane srži. Podsjetimo da matične stanice prolaze kroz mitozu plus citokinezu (staničnu diobu) kako bi se stvorile nove stanice kćeri: jedna od njih ostaje matična stanica, a druga se diferencira u jednu od bilo kojeg broja različitih tipova stanica. Može se smatrati da matične stanice zauzimaju hijerarhijski sustav, s određenim gubitkom sposobnosti diverzifikacije na svakom koraku. The totipotentna matična stanica je zigota, ili oplođeno jaje. Totipotentna (toti- = "sve") matična stanica stvara sve stanice ljudskog tijela. Sljedeća razina je pluripotentna matična stanica, što stvara više vrsta stanica u tijelu i neke od potpornih fetalnih membrana. Ispod ove razine, mezenhimska stanica je matična stanica koja se razvija samo u vrste vezivnog tkiva, uključujući vlaknasto vezivno tkivo, kosti, hrskavicu i krv, ali ne i epitel, mišiće i živčano tkivo. Jedan korak niže u hijerarhiji matičnih stanica je hemopoetske matične stanice, ili hemocitoblast. Svi formirani elementi krvi potječu iz ove specifične vrste stanica.

Hemopoeza počinje kada je hemopoetska matična stanica izložena odgovarajućim kemijskim podražajima koji se zajednički nazivaju hemopoetski faktori rasta, što ga potiče na podjelu i razlikovanje. Jedna stanica kćer ostaje hemopoetska matična stanica, što omogućuje nastavak hemopoeze. Druga stanica kćer postaje jedna od dvije vrste specijaliziranijih matičnih stanica (slika 1):

  • Limfoidne matične stanice dovode do klase leukocita poznatih kao limfociti, koji uključuju različite T stanice, B stanice i prirodne stanice ubojice (NK), od kojih sve funkcioniraju u imunitetu. Međutim, hemopoeza limfocita napreduje nešto drugačije od procesa za ostale formirane elemente. Ukratko, limfoidne matične stanice brzo migriraju iz koštane srži u limfna tkiva, uključujući limfne čvorove, slezenu i timus, gdje se nastavlja njihova proizvodnja i diferencijacija. B stanice su tako nazvane jer sazrijevaju u koštanoj srži, dok T stanice sazrijevaju u timusu.
  • Mijeloidne matične stanice stvaraju sve ostale oblikovane elemente, uključujući eritrocite; megakariociti koji proizvode trombocite; i mijeloblastna linija koja daje monocite i tri oblika granularnih leukocita: neutrofile, eozinofile i bazofile.

Limfoidne i mijeloične matične stanice ne dijele se odmah i ne diferenciraju u zrele formirane elemente. Kao što možete vidjeti na slici 1, postoji nekoliko međufaza stanica prekursora (doslovno, stanice preteče), od kojih se mnoge mogu prepoznati po nazivima koji imaju nastavak -blast. Na primjer, megakarioblasti su prekursori megakariocita, a proeritroblasti postaju retikulociti, koji izbacuju svoju jezgru i većinu drugih organela prije nego što sazrijevaju u eritrocite.

Hemopoetski faktori rasta

Razvoj od matičnih stanica do stanica prekursora do zrelih stanica ponovno je pokrenut hemopoetskim faktorima rasta. To uključuje sljedeće:

  • eritropoetin (EPO) je glikoproteinski hormon koji luče intersticijske stanice fibroblasta bubrega kao odgovor na niske razine kisika. Potiče proizvodnju eritrocita. Neki sportaši koriste sintetički EPO kao lijek za poboljšanje učinka (koji se naziva krvni doping) za povećanje broja eritrocita i naknadno povećanje isporuke kisika tkivima u cijelom tijelu. EPO je zabranjena tvar u većini organiziranih sportova, ali se također medicinski koristi u liječenju određenih anemija, posebno onih uzrokovanih određenim vrstama raka, i drugih poremećaja kod kojih je poželjan povećani broj eritrocita i razina kisika.
  • Trombopoetin, drugi glikoproteinski hormon, proizvodi jetra i bubrezi. Pokreće razvoj megakariocita u trombocite.
  • Citokini su glikoproteini koje luče razne stanice, uključujući crvenu koštanu srž, leukocite, makrofage, fibroblaste i endotelne stanice. Djeluju lokalno kao autokrini ili parakrini čimbenici, potičući proliferaciju progenitornih stanica i pomažu u stimuliranju i nespecifične i specifične otpornosti na bolesti. Postoje dva glavna podtipa citokina poznatih kao faktori koji stimuliraju kolonije i interleukini.
    • Čimbenici koji stimuliraju kolonije (CSF) su glikoproteini koji djeluju lokalno, kao autokrini ili parakrini čimbenici. Neki pokreću diferencijaciju mijeloblasta u granularne leukocite, naime, neutrofile, eozinofile i bazofile. Oni se nazivaju granulocitni likvori. Različiti CSF inducira proizvodnju monocita, koji se nazivaju monocitni likvori. I granulociti i monociti su stimulirani GM-CSF; granulociti, monociti, trombociti i eritrociti stimulirani su multi-CSF. Sintetski oblici ovih hormona često se daju pacijentima s različitim oblicima raka koji primaju kemoterapiju kako bi oživjeli njihov broj WBC.
    • Interleukini su još jedna klasa signalnih molekula citokina važnih u hemopoezi. U početku se smatralo da ih leukociti izlučuju jedinstveno i da komuniciraju samo s drugim leukocitima, te su nazvani u skladu s tim, no sada je poznato da ih proizvode različite stanice uključujući koštanu srž i endotel. Istraživači sada sumnjaju da interleukini mogu igrati i druge uloge u funkcioniranju tijela, uključujući diferencijaciju i sazrijevanje stanica, stvaranje imuniteta i upale. Do danas je identificirano više od desetak interleukina, a vjerojatno će ih slijediti i drugi. Obično su označeni brojevima IL-1, IL-2, IL-3, itd.

Svakodnevna veza: Krvni doping

U svojoj izvornoj namjeri, izraz krvni doping korišten je za opisivanje prakse ubrizgavanja dopunskih eritrocita transfuzijom pojedincu, obično za poboljšanje performansi u sportu. Dodatni eritrociti bi isporučili više kisika u tkiva, pružajući dodatni aerobni kapacitet, klinički nazvan VO2 max. Izvor stanica bio je ili od primatelja (autologno) ili od darivatelja s kompatibilnom krvlju (homologno). Ova praksa je potpomognuta dobro razvijenim tehnikama sakupljanja, koncentriranja i zamrzavanja eritrocita koji su se kasnije mogli odmrznuti i ubrizgati, ali i dalje zadržati svoju funkcionalnost. Ove se prakse smatraju nezakonitim u gotovo svim sportovima i predstavljaju rizik od infekcije, značajno povećavajući viskoznost krvi i mogućnost prijenosa krvlju prenosivih patogena ako je krv uzeta od druge osobe.

S razvojem sintetskog EPO-a 1980-ih, postalo je moguće osigurati dodatne eritrocite umjetnim stimuliranjem proizvodnje eritrocita u koštanoj srži. Izvorno razvijen za liječenje pacijenata koji pate od anemije, zatajenja bubrega ili liječenja raka, velike količine EPO mogu se proizvesti tehnologijom rekombinantne DNA. Sintetički EPO se ubrizgava pod kožu i može povećati hematokrit za mnogo tjedana. Također može izazvati policitemiju i povećati hematokrit na 70 ili više. Ova povećana viskoznost podiže otpor krvi i tjera srce da snažnije pumpa; u ekstremnim slučajevima, rezultiralo je smrću. Pokazalo se da drugi lijekovi kao što je kobalt II klorid povećavaju ekspresiju prirodnog EPO gena. Krvni doping postao je problematičan u mnogim sportovima, posebice u biciklizmu. Lanceu Armstrongu, osvajaču sedam Tour de France i mnogih drugih biciklističkih titula, oduzete su pobjede i priznat je da je bio doping u krvi 2013. godine.

Štetni učinci krvnog dopinga

Jednostavan čin povećanja broja crvenih krvnih stanica u krvi može biti povezan sa sindromom hiperviskoznosti koji je karakteriziran povećanom viskoznošću krvi i smanjenim minutnim volumenom i brzinom krvotoka što rezultira smanjenjem periferne isporuke kisika. To povećava šanse za srčani udar, moždani udar, flebitis i plućnu emboliju, što je vidljivo u slučajevima kada je previše krvi ponovno uneseno u krvotok. Budući da doping u krvi povećava volumen crvenih krvnih stanica, on učinkovito uvodi stanje zvano policitemija, poremećaj krvi koji ima poznate štetne ishode poput srčanog ili moždanog udara. Kontaminacija krvi tijekom pripreme ili skladištenja je još jedan problem. Kontaminacija je viđena u 1 na svakih 500.000 transfuzija crvenih krvnih stanica u 2002. Kontaminacija krvi može dovesti do septikemije ili infekcije koja zahvaća cijelo tijelo.

— Wikipedia

Kada je biciklist Lance Armstrong priznao da je koristio lijekove za poboljšanje performansi, praksa krvnog dopinga dospjela je u centar pažnje medija. Ali kako točno povećava performanse? Stručnjaci klinike Mayo istražuju znanost koja stoji iza krvnog dopinga u sljedećem videu.

YouTube element isključen je iz ove verzije teksta. Možete ga pogledati online ovdje: pb.libretexts.org/aapii/?p=66

Uzorkovanje koštane srži i transplantacije

Ponekad će zdravstveni djelatnik naručiti a biopsija koštane srži, dijagnostički test uzorka crvene koštane srži, ili a transplantacija koštane srži, tretman u kojem zdrava koštana srž donora - i njezine matične stanice - zamjenjuju neispravnu koštanu srž pacijenta. Ovi se testovi i postupci često koriste kao pomoć u dijagnozi i liječenju različitih teških oblika anemije, poput talasemije velike i anemije srpastih stanica, kao i nekih vrsta raka, točnije leukemije.

U prošlosti, kada je bio nužan uzorak koštane srži ili transplantacija, postupak bi zahtijevao umetanje igle s velikim provrtom u područje blizu ilijačnog grebena zdjeličnih kostiju (os coxae). Ovo mjesto je bilo preferirano, jer ga položaj blizu površine tijela čini pristupačnijim i relativno je izoliran od većine vitalnih organa. Nažalost, postupak je prilično bolan.

Sada se često može izbjeći izravno uzimanje uzoraka koštane srži. U mnogim slučajevima, matične stanice mogu se izolirati u samo nekoliko sati iz uzorka krvi pacijenta. Izolirane matične stanice se zatim uzgajaju u kulturi korištenjem odgovarajućih hemopoetskih faktora rasta i analiziraju ili ponekad zamrzavaju za kasniju upotrebu.

Za osobu kojoj je potrebna transplantacija, odgovarajući donor je bitan kako bi se spriječilo da imunološki sustav uništi stanice donora – fenomen poznat kao odbacivanje tkiva. Za liječenje bolesnika s transplantacijom koštane srži, najprije je potrebno uništiti bolesnu srž samog pacijenta zračenjem i/ili kemoterapijom. Matične stanice koštane srži donora se zatim intravenozno infundiraju. Iz krvotoka se uspostavljaju u koštanoj srži primatelja.

Pregled poglavlja

Procesom hemopoeze kontinuirano se stvaraju formirani elementi krvi koji zamjenjuju relativno kratkotrajne eritrocite, leukocite i trombocite. Hemopoeza počinje u crvenoj koštanoj srži, s hemopoetskim matičnim stanicama koje se diferenciraju u mijeloidne i limfoidne loze. Mijeloidne matične stanice stvaraju većinu formiranih elemenata. Limfoidne matične stanice stvaraju samo različite limfocite označene kao B i T stanice, te NK stanice. Hemopoetski čimbenici rasta, uključujući eritropoetin, trombopoetin, faktore koji stimuliraju kolonije i interleukine, potiču proliferaciju i diferencijaciju formiranih elemenata.

Samoprovjera

Odgovorite na pitanja u nastavku da biste vidjeli koliko dobro razumijete teme obrađene u prethodnom odjeljku.

Pitanja kritičkog mišljenja

  1. Mijelofibroza je poremećaj kod kojeg upala i stvaranje ožiljnog tkiva u koštanoj srži narušavaju hemopoezu. Jedan znak je povećana slezena. Zašto?
  2. Biste li očekivali da pacijent s oblikom raka koji se zove akutna mijelozna leukemija doživi poremećenu proizvodnju eritrocita ili poremećenu proizvodnju limfocita? Objasnite svoj izbor.

[reveal-answer q=”389523″]Prikaži odgovore[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”389523″]

  1. Kada bolest naruši sposobnost koštane srži da sudjeluje u hemopoezi, u jetri i slezeni bolesnika počinje ekstramedularna hemopoeza. To uzrokuje povećanje slezene.
  2. Pridjev mijelogeni sugerira stanje koje potječe od (generiranog od strane) mijeloidnih stanica. Akutna mijelogena leukemija narušava proizvodnju eritrocita i drugih zrelih formiranih elemenata loze mijeloidnih matičnih stanica. Limfociti nastaju iz linije limfoidnih matičnih stanica.

[/hidden-answer]

Glosar

biopsija koštane srži: dijagnostički test uzorka crvene koštane srži

transplantacija koštane srži: liječenje u kojem zdrava koštana srž donora sa svojim matičnim stanicama zamjenjuje bolesnu ili oštećenu koštanu srž pacijenta

faktori koji stimuliraju kolonije (CSFs): glikoproteini koji pokreću proliferaciju i diferencijaciju mijeloblasta u granularne leukocite (bazofile, neutrofile i eozinofile)

citokini: klasa proteina koji djeluju kao autokrine ili parakrine signalne molekule; u kardiovaskularnom sustavu stimuliraju proliferaciju progenitornih stanica i pomažu u stimuliranju nespecifične i specifične otpornosti na bolesti

eritropoetin (EPO): glikoprotein koji pokreće koštanu srž da proizvodi eritrocite; luče bubrezi kao odgovor na niske razine kisika

hemocitoblast: hemopoetske matične stanice koje stvaraju formirane elemente krvi

hemopoeza: proizvodnja formiranih elemenata krvi

hemopoetski faktori rasta: kemijski signali uključujući eritropoetin, trombopoetin, čimbenike koji stimuliraju kolonije i interleukine koji reguliraju diferencijaciju i proliferaciju određenih krvnih progenitorskih stanica

hemopoetske matične stanice: vrsta pluripotentne matične stanice koja stvara formirane elemente krvi (hemocitoblast)

interleukini: signalne molekule koje mogu funkcionirati u hemopoezi, upali i specifičnim imunološkim odgovorima

limfoidne matične stanice: vrsta hemopoetskih matičnih stanica koje stvaraju limfocite, uključujući različite T stanice, B stanice i NK stanice, od kojih sve funkcioniraju u imunitetu

mijeloidne matične stanice: vrsta hemopoetskih matičnih stanica koje stvaraju neke formirane elemente, uključujući eritrocite, megakariocite koji proizvode trombocite i mijeloblastnu lozu koja daje monocite i tri oblika granularnih leukocita (neutrofili, eozinofili i bazofili)

pluripotentne matične stanice: matična stanica koja potječe od totipotentnih matičnih stanica i sposobna je diferencirati se u mnoge, ali ne sve, tipove stanica

totipotentne matične stanice: embrionalna matična stanica koja se može diferencirati u bilo koju ili sve stanice tijela; omogućujući potpuni razvoj organizma

trombopoetin: hormon koji luče jetra i bubrezi koji potiče razvoj megakariocita u trombocite (trombocite)


4.3: Proizvodnja oblikovanih elemenata - Biologija

Vijek trajanja oblikovanih elemenata je vrlo kratak. Iako jedna vrsta leukocita nazvana memorijske stanice može preživjeti godinama, većina eritrocita, leukocita i trombocita normalno živi samo nekoliko sati do nekoliko tjedana. Stoga tijelo mora brzo i kontinuirano formirati nove krvne stanice i trombocite. Kada donirate jedinicu krvi tijekom krvarenja (otprilike 475 mL, ili oko 1 pintu), vaše tijelo obično zamijeni doniranu plazmu unutar 24 sata, ali potrebno je oko 4 do 6 tjedana da zamijeni krvne stanice. To ograničava učestalost kojom darivatelji mogu dati svoju krv. Proces kojim se ta zamjena događa zove se hemopoeza, ili hematopoeza (od grčkog korijena haima- = “krv” -poiesis = “proizvodnja”).

Mjesta hemopoeze

Prije rođenja, hemopoeza se događa u brojnim tkivima, počevši od žumanjčane vrećice embrija u razvoju, a nastavlja se u fetalnoj jetri, slezeni, limfnom tkivu i na kraju u crvenoj koštanoj srži. Nakon rođenja, većina hemopoeze se događa u crvenoj srži, vezivnom tkivu unutar prostora spužvastog (spongioznog) koštanog tkiva. U djece se hemopoeza može dogoditi u medularnoj šupljini dugih kostiju u odraslih, proces je uvelike ograničen na kosti lubanje i zdjelice, kralješke, prsnu kost i proksimalne epifize femura i humerusa.

Tijekom odrasle dobi, jetra i slezena održavaju svoju sposobnost stvaranja formiranih elemenata. Ovaj proces se naziva ekstramedularna hemopoeza (što znači hemopoeza izvan medularne šupljine kostiju odraslih). Kada bolest kao što je rak kostiju uništi koštanu srž, uzrokujući neuspjeh hemopoeze, može se pokrenuti ekstramedularna hemopoeza.

Diferencijacija formiranih elemenata od matičnih stanica

Svi formirani elementi proizlaze iz matičnih stanica crvena koštana srž. Hemopoeza počinje kada je hemopoetska matična stanica izložena odgovarajućim kemijskim podražajima koji se zajednički nazivaju hemopoetski čimbenici rasta, koji je potiču na podjelu i diferencijaciju. Jedna stanica kćer ostaje hemopoetska matična stanica, što omogućuje nastavak hemopoeze.Druga stanica kćer postaje jedna od dvije vrste specijaliziranijih matičnih stanica (slika 1):

  • Limfoidne matične stanice dovode do klase leukocita poznatih kao limfociti, koji uključuju različite T stanice, B stanice i prirodne stanice ubojice (NK), od kojih sve funkcioniraju u imunitetu. Međutim, hemopoeza limfocita napreduje nešto drugačije od procesa za ostale formirane elemente. Ukratko, limfoidne matične stanice brzo migriraju iz koštane srži u limfna tkiva, uključujući limfne čvorove, slezenu i timus, gdje se nastavlja njihova proizvodnja i diferencijacija. B stanice su tako nazvane jer sazrijevaju u koštanoj srži, dok T stanice sazrijevaju u timusu.
  • Mijeloidne matične stanice dovode do svih ostalih oblikovanih elemenata, uključujući eritrocite, megakariocite koji proizvode trombocite i lozu mijeloblasta koja daje monocite i tri oblika granularnih leukocita: neutrofile, eozinofile i bazofile.

Hemopoetski faktori rasta

Razvoj od matičnih stanica do stanica prekursora do zrelih stanica ponovno je pokrenut hemopoetskim faktorima rasta. To uključuje sljedeće:

  • eritropoetin (EPO) je glikoproteinski hormon koji luče intersticijske stanice fibroblasta bubrega kao odgovor na niske razine kisika. Potiče proizvodnju eritrocita. Neki sportaši koriste sintetički EPO kao lijek za poboljšanje učinka (koji se naziva krvni doping) za povećanje broja eritrocita i naknadno povećanje isporuke kisika tkivima u cijelom tijelu. EPO je zabranjena tvar u većini organiziranih sportova, ali se također medicinski koristi u liječenju određenih anemija, posebno onih uzrokovanih određenim vrstama raka, i drugih poremećaja kod kojih je poželjan povećani broj eritrocita i razina kisika.
  • trombopoetin, drugi glikoproteinski hormon, proizvodi jetra i bubrezi. Pokreće razvoj megakariocita u trombocite.

Industrijska biotehnologija i robni proizvodi

Sažetak

Sintetička biologija (SB) se brzo razvija iu akademskim i primijenjenim industrijskim istraživanjima. SB tehnologije posjeduju potencijal da iz temelja utječu na sva područja znanosti o životu – a time i na naš svakodnevni život. S obzirom na to, rasprava o osnovnim konceptima, kao što je definicija SB, do složenijih pitanja, uključujući kako se nositi s vlasništvom i intelektualnim vlasništvom temeljnih otkrića, stvoriti učinkovitu regulatornu politiku, osigurati biosigurnost i biosigurnost ili uspostaviti etičke smjernice za istraživanje a primjena proizvoda SB je živahna i kontinuirana. Kako sposobnost digitalnog postavljanja hipoteza, dizajna i projektiranja metaboličkih puteva organizma ili stvaranja novih organizama mijenja dinamiku istraživanja i industrije znanosti o životu? Višestruka područja studija sijeku se na SB-u, što ovo novo, ali moćno polje čini u najmanju ruku intrigantnim. Ovaj članak ima za cilj pružiti široki pregled mnogih aspekata SB-a i pružiti čitatelju temeljno razumijevanje tehnologije.


Diferencijacija formiranih elemenata od matičnih stanica

Svi formirani elementi proizlaze iz matičnih stanica crvene koštane srži. Podsjetimo da matične stanice prolaze kroz mitozu plus citokinezu (staničnu diobu) kako bi se stvorile nove stanice kćeri: jedna od njih ostaje matična stanica, a druga se diferencira u jednu od bilo kojeg broja različitih tipova stanica. Može se smatrati da matične stanice zauzimaju hijerarhijski sustav, s određenim gubitkom sposobnosti diverzifikacije na svakom koraku. The totipotentna matična stanica je zigota, ili oplođeno jaje. Totipotentna (toti- = &ldquoall&rdquo) matična stanica stvara sve stanice ljudskog tijela. Sljedeća razina je pluripotentna matična stanica, što stvara više vrsta stanica u tijelu i neke od potpornih fetalnih membrana. Ispod ove razine, mezenhimska stanica je matična stanica koja se razvija samo u vrste vezivnog tkiva, uključujući vlaknasto vezivno tkivo, kosti, hrskavicu i krv, ali ne i epitel, mišiće i živčano tkivo. Jedan korak niže u hijerarhiji matičnih stanica je hemopoetske matične stanice, ili hemocitoblast. Svi formirani elementi krvi potječu iz ove specifične vrste stanica.

Hemopoeza počinje kada je hemopoetska matična stanica izložena odgovarajućim kemijskim podražajima koji se zajednički nazivaju hemopoetski faktori rasta, što ga potiče na podjelu i razlikovanje. Jedna stanica kćer ostaje hemopoetska matična stanica, što omogućuje nastavak hemopoeze. Druga stanica kćer postaje jedna od dvije vrste specijaliziranijih matičnih stanica (slika (PageIndex<1>)):

  • Limfoidne matične stanice dovode do klase leukocita poznatih kao limfociti, koji uključuju različite T stanice, B stanice i prirodne stanice ubojice (NK), od kojih sve funkcioniraju u imunitetu. Međutim, hemopoeza limfocita napreduje nešto drugačije od procesa za ostale formirane elemente. Ukratko, limfoidne matične stanice brzo migriraju iz koštane srži u limfna tkiva, uključujući limfne čvorove, slezenu i timus, gdje se nastavlja njihova proizvodnja i diferencijacija. B stanice su tako nazvane jer sazrijevaju u koštanoj srži, dok T stanice sazrijevaju u timusu.
  • Mijeloidne matične stanice dovode do svih ostalih oblikovanih elemenata, uključujući eritrocite, megakariocite koji proizvode trombocite i lozu mijeloblasta koja daje monocite i tri oblika granularnih leukocita: neutrofile, eozinofile i bazofile.

Limfoidne i mijeloične matične stanice ne dijele se odmah i ne diferenciraju u zrele formirane elemente. Kao što možete vidjeti na slici (PageIndex<1>), postoji nekoliko međufaza stanica prekursora (doslovno, stanice preteče), od kojih se mnoge mogu prepoznati po nazivima koji imaju nastavak -blast. Na primjer, megakarioblasti su prekursori megakariocita, a proeritroblasti postaju retikulociti, koji izbacuju svoju jezgru i većinu drugih organela prije nego što sazrijevaju u eritrocite.


Proces proizvodnje limunske kiseline

Proizvodnja limunske kiseline može se postići na dvije metode kao što su:


Biokemijska metoda

U biokemijskoj metodi, limunska kiselina se proizvodi kao primarni metabolit od strane mikroorganizama. Mikroorganizmi proizvode limunsku kiselinu tijekom trofofaza rast stanica zbog neispravne limunske kiseline ili Krebovog ciklusa.

U neispravan Krebov ciklus, velika količina šećera se transportira putem BMP-a koji tvori acetil CoA. Acetil CoA kondenzira se s oksalooctenom kiselinom dajući “Limunska kiselina“djelovanjem enzima”Citrat sintetaza”.

Stoga, u proizvodnji limunske kiseline, enzimi Krebovog ciklusa moraju biti deaktivirani poput enzima Akonitaza/ Izocitrat dehidrogenaza (uzrokuje daljnju razgradnju limunske kiseline).


Biološka metoda

Uključuje fermentaciju limunske kiseline korištenjem mikroorganizama. Sljedeće tri metode mogu provesti biološku fermentaciju limunske kiseline:


Koji proces

Zove se "fermentacija u čvrstom stanju". Proces koji je prvi put uveden u Japan. Vezano je uz korištenje agroindustrijskih ostataka za proizvodnju limunske kiseline. U Koji procesu se općenito koriste sirovine poput komine jabuke, šećerne trske, repine melase itd. Aspergillus niger koristi sirovine.

pH i sadržaj vlage sirovine su prilagođeni 4-5 odnosno 70%. Zatim, ohladite sirovinu na 30-60 stupnjeva Celzija. Nakon toga, inokulirajte A. niger. Nakon inokulacije, medij se prenosi u veliki pladnjevi dubine 3-5 cm i inkubirano na 25-30 stupnjeva Celzija za 3-7 dana.

Konačno, limunska kiselina se ekstrahira iz spremnika za fermentaciju. Sadržaj škroba sirovine razgrađuje se u limunsku kiselinu pomoću enzima amilaze Aspergillus niger. Koji proces ne zahtijeva supstrat predtretman jer elementi u tragovima ne utječu na proizvodnju limunske kiseline.

Proces površinske kulture

Također se zove "tekuće površinsko vrenje”. Fermentacija površinske kulture bila je prva metoda uvedena za proizvodnju limunske kiseline u 1919. Kod tekuće površinske fermentacije medij kulture (5-6 pH) dodaje se u aluminijske plitke posude do 5-20 cm dubine.

Proces se provodi u fermentacijskoj komori koja osigurava jednoliku cirkulaciju zraka, održava relativnu temperaturu i vlažnost. Prvo, spore od A.niger se upuhuje na površinu medija kulture oko 5-6 dana, a zatim se propušta suhi zrak. Zatim se pH medija kulture namjesti između 1.5-2 pH.

Nakon 24 sata spore počinju klijati i rasti bijeli micelij može se vidjeti na površini medija kulture. Nakon iskorištavanja sadržaja šećera u kalupima, preostala tekućina se odvaja od micelijalne prostirke. U procesu površinske kulture, mala količina limunske kiseline proizvodi se kao primarni metabolit A. niger.

Proces potopljene kulture

Također se zove "Fermentacija potopljene kulture”. Oko 80% proizvodnje limunske kiseline provodi se metodom potopljene fermentacije. Potopljena fermentacija čini korištenje crnog Aspergillusa, t.j. A. japonicus. Izvodi se u bioreaktoru od nehrđajućeg čelika sastavljenom s odgovarajućom aeracijom, sustavom hlađenja, impelerima itd.

Za izvor ugljika koriste se supstrati kao što su repina melasa, kukuruzni škrob itd. Za izvor dušika, amonijak koristi se. Supstrat koji se koristi u ovoj metodi zahtijeva predtretman kao što je dodavanje hranjivih tvari, sterilizacija itd.

The A. japonicus se inokulira u medij kulture i održava na 30 stupnjeva Celzija. Potopljena fermentacija se uglavnom provodi u šaržnom bioreaktoru u kojem se od 2500 kg glukoze i 860 kg kisika može proizvesti 1500 kg limunske kiseline i 500 kg biomase.


Obnavljanje limunske kiseline

Proizvod koji nastaje nakon fermentacije je fermentirana tekućina koja izgleda maglovito zbog sredstava protiv pjenjenja, micelija itd. Stoga da se te stvari odvoje, kaša od kalcijevog hidroksida, t.j. Ca (OH)2 da nastane talog kalcijevog citrata.

Talog od kalcijev citrat se filtrira i ispere. Nakon filtriranja, obraditi filtrat s sumporna kiselina za taloženje kalcija kao "kalcijev sulfat" (CaSO4). Kalcijev sulfat se zatim obrađuje aktivnim ugljenom, kojim se demineralizira nakon što ga uzastopno prođe iz sloja ionske izmjene.

Otopina dobivena time se podvrgava cirkulirajući kristalizatori. Centrifugiranjem se zatim uklanjaju kristali nastali kao rezultat kristalizacije. Nakon završetka ovih koraka, preostalo otapalo se osuši, prosije i zatim pakira. Preostala matična tekućina ponovno se dobiva istim postupkom.

Proizvodnja limunske kiseline neophodna je zbog njene široke primjene u različitim područjima kao što su:

  • Prehrambene industrije: Limunska kiselina se koristi za proizvodnju džemova, želea, bombona, smrznutog voća itd. U određenim namirnicama limunska kiselina se koristi kao umjetna aroma.
  • Industrija pića: Limunska kiselina se koristi za proizvodnju bezalkoholnih pića i destiliranih napitaka poput vina.
  • Bolnice: Limunska kiselina se koristi kao šumeće sredstvo u vrijeme transfuzije krvi.
  • Kozmetičke industrije: Limunska kiselina se koristi u kozmetičkim proizvodima kao što su adstringentni losioni, gelovi za kosu itd.

Čimbenici koji utječu na proizvodnju limunske kiseline

Neki čimbenici mogu izravno ili neizravno utjecati na proces proizvodnje ili fermentaciju limunske kiseline.

Koncentracija izvora ugljika

Za većinu industrijske proizvodnje, izvori ugljika poput glukoza i saharoza preporučuju se jer su dobar izvor ugljika za rast biomase. Galaktoza djeluje kao alternativni izvor glukoze i saharoze, ali omogućuje nizak rast mikroba i time ne pogoduje kumulaciji limunske kiseline.

Ostali izvori ugljika kao što su celuloza, škrob itd. dopuštaju ograničeni rast i mogu usporiti brzinu rasta mikroorganizama, što će dovesti do minimalne proizvodnje. Optimalna koncentracija šećera kreće se između 10-14%, i koncentracija šećera ispod 2.5% neće proizvoditi limunsku kiselinu.

Koncentracija izvora dušika

Amonijeve soli poput uree, amonijevog sulfata itd. rezultiraju smanjenim pH, što je ključno za proizvodnju limunske kiseline. Koncentracija dušika mora biti između 0,1-0,4 N/L. Visok izvor dušika će povećati rast mikroba, koji će potrošiti više šećera i smanjiti prinos limunske kiseline.

Koncentracija izvora fosfora

Za najbolju proizvodnju i rast gljiva, kalijev dihidrogen fosfat smatra se najboljim za izvor fosfora. Koncentracija fosfora mora biti između 0,5-5,0 g/l za maksimalni prinos. Ako je fosfor prisutan u višku, to dovodi do proizvodnje šećernih kiselina koje će smanjiti fiksaciju ugljičnog dioksida i potaknuti rast gljivica.

Prisutnost elemenata u tragovima

Dvovalentni metali kao što su željezo, cink, mangan, bakar itd. proizvode u vrijeme fermentacije. Ako je KH2PO4 Ako se doda cink, to će pogodovati proizvodnji, ali elementi u tragovima poput mangana, željeza i visoke koncentracije cinka dovode do smanjenja prinosa.

Niža koncentracija alkohola

Niži alkoholi poput etanola, metanola itd. pospješuju fermentaciju limunske kiseline. Koncentracija nižeg alkohola mora biti između 1-3%. Etanol aktivira enzim Aktivnost citrat sintetaze, što udvostručuje vrijeme smanjenjem od 75%. Aktivnost akonitaze. Kokosovo ulje (oko 3%) također utječe na proizvodnju limunske kiseline. Niži alkoholi ne samo da potiču limunsku kiselinu proizvodnja ali i promovira sporulacija mikroorganizama.

Razni spojevi

Kalcijev fluorid, natrijev fluorid itd. su razni spojevi koji ubrzavaju proizvodnju limunske kiseline, dok kalijev ferocijanid smanjuje prinos.

PH koncentracija

pH medija za kulturu izravno je povezan s rastom mikroorganizama i njihovim metaboličkim aktivnostima. pH se mijenja u kiseli mikrobna aktivnost, kao i za Aspergillus, pH pada na 3.0. pH ispod 2.0 je optimalna za proizvodnju limunske kiseline, a pH od 2.2 najbolji je za rast plijesni.

Sustav prozračivanja

Prozračivanje povećava koncentraciju otopljenog kisika u mediju kulture i time povećava prinos limunske kiseline. Sustav prozračivanja također smanjuje vrijeme fermentacije. Koncentracija kisika mora biti iznad 25% zasićenje. Na početku procesa, inače mora biti 0,1-0,4 vvm, a može proizvesti prekomjernu pjenu u mediju kulture.


4. Epistemička pitanja I: Predstavljanje stanica

Sada prelazimo s pitanja o ontološkom statusu stanica na epistemička pitanja o tome kako ih znanstvenici proučavaju. Počinjemo s time kako znanstvenici predstavljaju stanice i informacije o njima. Tradicionalno se filozofija znanosti usredotočila na lingvističke prikaze znanstvenog znanja. Ali u mnogim područjima biologije, a posebno u biologiji stanice, informacije se često prikazuju u slikama. Znanstvenici&rsquo vrlo dobro poznavanje stanica rezultat je vizualnih prikaza generiranih pomoću mikroskopa. Razvijanje mikroskopa i tehnika za njihovu upotrebu za proizvodnju interpretabilnih slika predstavljalo je niz izazova. Počinjemo u odjeljku 4.1 s izazovima u generiranju slika (mikrografija) uopće, a u odjeljku 4.2 razmatramo izazove u procjeni pouzdanosti rezultirajućih slika. Osim ovih potpunih (vrlo detaljnih) prikaza, stanični se biolozi oslanjaju na niz manje potpunih dijagrama. (Karakterizacija slika kao &ldquoreplete&rdquo je zaslužna Perini, 2013. Oslanjajući se na Goodmana, ona koristi relativnu punoću da razlikuje dijagrame od slika.) Konkretno, kao što je objašnjeno u odjeljku 4.3, kada razvijaju mehaničke hipoteze o stanicama, stanični biolozi se oslanjaju na dijagramima stanica koji predstavljaju tipove staničnih komponenti i dijagramima mehanizama koji predstavljaju odabrane komponente unutar stanica za koje se pretpostavlja da čine dijelove mehanizma odgovornog za dani fenomen (Downes 1992).

4.1 Mikrografije

Kao što je gore spomenuto, u sedamnaestom stoljeću i Hooke i van Leeuwenhoek su bili pioniri u korištenju svjetlosnih mikroskopa za promatranje stanica. Kasniji istraživači često su dizajnirali vlastite mikroskope. Varijacije u tim dizajnima pridonijele su varijabilnosti u rezultirajućim slikama. (Prije fotografije, mikroskopisti su crtali ono što su vidjeli pomoću mikroskopa, uvodeći još jedan izvor varijacija.) Promjenjivost slika koje su proizveli različiti istraživači bila je jedan čimbenik koji je biologe u osamnaestom i devetnaestom stoljeću naveo da pažljivije ispitaju procese kroz koje mikroskopi stvaraju slike (Schickore 2001, 2007). U svojim teorijskim proučavanjima leća, Newton (1704) je okarakterizirao dvije vrste aberacija koje stvaraju leće: sferne aberacije, koje proizlaze iz svjetlosnih zraka koje dolaze u fokus u različitim točkama, i kromatske aberacije, koje su rezultat loma svjetlosti različitih valnih duljina pod različitim kutovima. Schickore (2007) opisuje mnoge napore razvojnih proizvođača mikroskopa da isprave ove aberacije i stvaranje testnih objekata za procjenu pouzdanosti pojedinih mikroskopa. U isto vrijeme entuzijasti su iznosili mnoge tvrdnje o onome što su vidjeli, od kojih se kasnije pokazalo da su neki artefakti. Na primjer, i Milne-Edwards (1823.) i Dutrochet (1824.) izvijestili su o okruglim strukturama konstantne veličine slične onoj zabilježenoj za stanice, koje su nazvali globule. (Vidi Schickore 2009 za detaljno ispitivanje izvještaja o globulama i argument da je varijabilnost u tim izvješćima pridonijela rastućem osjećaju da nešto nije u redu u praksi mikroskopista.) Međutim, ubrzo se pokazalo da globule biti produkti sfernih aberacija. Početkom devetnaestog stoljeća nekoliko je proizvođača leća razvilo strategije za uklanjanje sfernih aberacija i uvelike ograničavanje kromatskih aberacija (kromatske aberacije nisu bile potpuno eliminirane sve do uvođenja apokromatskih leća sredinom stoljeća). Kao rezultat toga, zapažanja Schleidena, Schwanna i drugih o kojima se raspravljalo uvelike su bila bez ovih izobličenja.

Svjetlosni mikroskopi suočili su se s još jednim ograničenjem, onim u pogledu povećanja (ograničenje koje nameće valna duljina svjetlosti). Da bi istraživači stanica dobili slike veće razlučivosti koje bi mogle otkriti sastojke stanica, bio je potreban mikroskop koji se oslanjao na različite fizikalne principe.Najvažnija alternativa svjetlosnom mikroskopu za proučavanje stanica bio je (transmisioni) elektronski mikroskop, koji koristi snopove elektrona za stvaranje slika na način usporediv s fotografijom: mjesta na fotografskoj ploči pogođena mnogim elektronima su crna u negativu i bijela u pozitivnoj slici. Kada strukture u stanici raspršuju elektrone, mjesto u negativu ostaje bijelo i izgleda tamno na pozitivnoj slici. Iako su elektronski mikroskopi bili dostupni ranih 1930-ih, tek u godinama neposredno prije i tijekom Drugog svjetskog rata biolozi su počeli istraživati ​​njihov potencijal. Jedna od poteškoća s kojom su se suočili je da je većina eukariotskih stanica predebela da bi ih probila snop elektrona od 50 kV dostupan u prvim elektronskim mikroskopima. Mikrotomi su razvijeni za rezanje kriški stanica za svjetlosnu mikroskopiju, ali su bili potrebni novi pristupi dizajnu mikrotoma za dovoljno tanko rezanje stanica bez stvaranja izobličenja. Ovaj problem nije riješen sve do ranih 1950-ih (Porter & Blum 1953). U skladu s tim, neke od prvih elektronskih mikrografskih studija bile su usredotočene na vlaknasti materijal kao što je kolagen (Schmitt, Hall i Jakus 1942) ili na bakterije (Stanley & Anderson 1941). Porter, Claude i Fullam (1945.) stvorili su prvu elektronsku mikrografiju eukariotske stanice kultivirajući je u uvjetima u kojima se periferija širila vrlo tanko, dopuštajući elektronima da prodru. Generirali su sliku (slika 4) koja se pokazala na periferiji

filamentozni mitohondriji različitih duljina i prilično konstantne širine raspršeni, mali elementi visoke gustoće posebno su zastupljeni oko jezgre i vjerojatno predstavljaju Golgijeva tijela i delikatan čipkasti rad koji se proteže kroz citoplazmu. (1945: 246)

Slika 4: Usporedba slika fibroblasta iz tkiva uzgojenog pilećeg embrija kako se vidi elektronskim mikroskopom (lijevo) i svjetlosnim mikroskopom (desno). Od Portera, Claudea i Fullama (1945: ploča 10).

Osim izazova stvaranja preparata dovoljno tankih da ih probije elektronska zraka, istraživači su se suočili s nizom drugih izazova u pripremi biološkog materijala za elektronsku mikroskopiju. Na primjer, uzorci se moraju staviti u vakuum, a to zahtijeva prvo uklanjanje sve vode, primarnog sastojka stanica, bez izazivanja mnogih izobličenja. Nekoliko povjesničara i filozofa (Rheinberger 1995., Rasmussen 1997. i Bechtel 2006.) ispitalo je kako su se biolozi suočili s tim izazovima i ocijenilo pouzdanost dobivenih mikrografa. Način na koji su se pozabavili jednim izazovom &mdashda je stvaranje dovoljnog kontrasta na slikama&mdash uvelike je utjecao na slike koje su nastale. Ovo je već bio izazov za svjetlosnu mikroskopiju: stanični materijal je uglavnom proziran tako da je svjetlost koja se prenosi uglavnom iste valne duljine, što otežava razlikovanje različitih struktura na slici. Kako bi riješili taj izazov, svjetlosni mikroskopisti sredinom devetnaestog stoljeća počeli su eksperimentirati s bojama koje se koriste za tkanine. Kao što je navedeno u 2. odjeljku, Flemming je nuklearne strukture koje je promatrao nazvao kromatinom budući da vežu anilinsku boju koju je koristio. Problem elektronske mikroskopije bio je sličan i komponente ćelije se malo razlikuju u svojoj sposobnosti blokiranja prijenosa elektrona. Elektronski mikroskopisti su otkrili da nekoliko fiksatora koji se koriste u svjetlosnoj mikroskopiji, posebno oni koji uključuju teške metale, povećavaju sposobnost blokiranja elektrona, a prema tome i kontrast u rezultirajućim slikama. S obzirom na to da je bilo malo znanja o tome na što će se određene kemikalije vezati unutar stanice, istraživanje tih mrlja uglavnom su provodili istraživači koji su isprobavali različite spojeve i postupke za njihovu primjenu (primjer u Palade&rsquos 1952, studija osmij tetroksida) kako bi vidjeli što slike koje bi mogli generirati. Doista, različite mrlje (osmijev tetroksid, glutaraldehid, itd.) su dale različite slike.

4.2 Izazov za artefakte

Budući da je bilo malo razumijevanja o tome na što se mrlje vezuju, skeptici su često postavljali sumnje da otkrivaju stvarne strukture u stanicama. Bechtel (2000., 2006.) ističe tri razmatranja koja su se često pojavljivala u znanstvenicima&rsquo procjenama jesu li mikrofotografije bile informativne o stanicama ili su samo artefakti metoda pripreme: (1) kvaliteta samih mikrofotografija i pokazuju li različite uzorke? (2) robusnost rezultata &mdashmogu li se usporedivi rezultati generirati različitim tehnikama (npr. svjetlosnom i elektronskom mikroskopom ili višestrukim mrljama)? i (3) teorijsku vjerodostojnost rezultata&mdashda li se oni uklapaju u koherentan teorijski prikaz? Iako se prvi rijetko komentira u filozofskim izvještajima, primjetno je da su znanstvenici skloni pretpostaviti da, ako slika otkriva jasan, repliciran obrazac, ona odražava nešto u izvoru (iako se ova ocjena može povući ako, na primjer, istraživač pokazuje kako se obrazac može generirati drugim sredstvima). Postojala je opsežna filozofska rasprava o drugom i zaključku da, kada je isti rezultat generiran neovisnim sredstvima, on odražava već postojeći entitet u svijetu (Hacking 1983 Culp 1995 Stegenga & Menon 2017). Međutim, ovaj kriterij se pokazao nedovoljnim samo u točki u kojoj su rezultati s novim tehnikama, kao što je elektronski mikroskop, najkontroverzniji i kada slike sadrže strukture izvan onih koje se mogu detektirati drugim postojećim tehnikama. U tim slučajevima, različitost obrazaca zajedno s razmatranjima teorijske vjerodostojnosti nalaza kriteriji su koje istraživači mogu koristiti. Međutim, čini se da je pozivanje na teorijsku vjerodostojnost kružno budući da se u tradicionalnim filozofskim izvještajima teorije provjeravaju dokazima dobivenim tehnikom. Ali razviti uvjerljivu teoriju koja se uklapa s eksperimentalnim nalazom i drugim dokazima nije lako, a kada su u mogućnosti to učiniti, znanstvenici smatraju da podupiru svoje prosudbe da slike odražavaju stvarne strukture. Kako bismo ilustrirali kako su se ova razmatranja pozvala u staničnoj biologiji, predstavljamo dva primjera koja su filozofi ispitivali o sukobima oko toga je li struktura prikazana na mikroskopskim slikama stvarna ili artefakt. Slučajevi su završili drugačije, jedan prihvaćanjem strukture, drugi njezinim odbacivanjem.

Prvi slučaj uključuje Golgijev aparat, koji je prvi opisao Golgi (1898) u studijama svjetlosnog mikroskopa korištenjem boje srebrnog nitrata koju je on uveo. Palade i Claude (1949a,b), dvojica pionira moderne stanične biologije, koji će u konačnici podijeliti Nobelovu nagradu, tvrdili su da je to artefakt bojenja, uključujući osmijev tetroksid (koji je Palade pomogao uspostaviti kao primarnu mrlju za elektrone mikroskopija). Oni su se pozivali ne samo na promjenjiv izgled Golgijevih tijela, kao što su to činili neki raniji skeptici (Strangeways & Canti 1927 Parat 1928 Baker 1944), već i na vlastitu sposobnost stvaranja mijelinskih figura sličnih Golgijevim tijelima dodavanjem osmija u Bjelanjak. Kako je raspravljao Bechtel (2006), ovo je uvjerljiv dokaz za tvrdnju da je Golgijev aparat artefakt, ali u ovom slučaju dokazi su na kraju poništeni, a da nisu opovrgnuti. Iako je Palade 15 godina ostao skeptik prema Golgijevom aparatu (istraživači u njegovom laboratoriju izvijestili su da ga tijekom tog intervala ne smiju spominjati), konačno je prihvatio njegovu stvarnost kada su istraživači u njegovom laboratoriju pokazali da mnogi novosintetizirani proteini prolaze kroz područje stanice gdje se pojavio Golgijev aparat na putu do izlučivanja. Nije, međutim, objasnio zašto se predomislio. Ovo kasnije istraživanje o Golgijevom aparatu, ali ne i njegov raniji skepticizam o postojanju Golgijevog aparata, zabilježeno je u citiranju Palade&rsquos Nobelove nagrade 1974. Sam Palade kasnije je pridonio dvjema recenzijama (Farquhar & Palade 1981, 1998) koje raspravljaju o ranijim istraživačima koji dovodi u sumnju stvarnost Golgijevog aparata, ali nikada ne spominje vlastite tvrdnje da je to bio artefakt. Ono što se čini posebno istaknutim je da je, kao rezultat istraživanja u njegovom laboratoriju, Golgijev aparat bio povezan s funkcijom u stanici na način na koji to prije nije bio. Sada se uklapa u uvjerljivu teoriju u kojoj je figurirao u pakiranju proteina za izvoz iz stanice. Bechtel tvrdi da je to često glavni čimbenik istraživača i prihvaćanja stvarnosti entiteta identificiranih novim tehnikama.

Drugi primjer proizlazi iz rane elektronske mikroskopije bakterijskih stanica. Chapman i Hillier (1953) uočili su invaginacije plazma membrane kod gram-negativnih bakterija, koje su nazvali periferna tijela. Robertson (1958.) ih je preimenovao mezozomi i mnogi istraživači su ih umiješali u različite funkcije stanica prije nego što su odbačeni kao artefakti 1970-ih (Silva i sur. 1976). Analizirajući ovaj primjer, Rasmussen (1993.) tvrdi da su filozofski kriteriji za razlikovanje stvarnih entiteta od artefakata, kao što je robusnost, nedostatni da objasne znanstvenicima&rsquo mijenjanje sudova o mezozomu. Kada su Chapman i Hillier prvi put iznijeli svoje argumente za postojanje mezosoma, morali su objasniti razlike između svojih mikrografa i opažanja svjetlosnih mikroskopista tvrdeći da je membrana koja se pojavila samo na slikama svjetlosnim mikroskopom u stvari bila posljedica mezosoma. se slika u niskoj rezoluciji. Rasmussen tvrdi da su ponudili ovaj zamršeni argument umjesto da tretiraju mezosome kao artefakt jer su promovirali nove elektronske mikroskope. Nadalje opisuje kako su njihove tvrdnje motivirale istraživačke programe usmjerene na pročišćavanje i biokemijsko karakteriziranje mezosoma kako bi se ocijenili prijedlozi u vezi s njihovom funkcijom. Ovo je u početku podržavalo tvrdnje o stvarnosti mesosome&rsquos, ali su drugi biokemičari ponudili oprečne dokaze. Osim toga, još jedna nova tehnika za pripremu uzoraka za elektronsku mikroskopiju njihovim zamrzavanjem, koja je imala svoje strastvene zagovornike, generirala je mikrofotografije na kojima se ne vide mezozomi. Prema Rasmussenu, ovi konkurentni nalazi, a ne robusnost, odredili su znanstvenice&rsquo prosudbe o mezosomima.

Slučaj mezosoma privukao je značajan interes drugih filozofa znanosti. Culp (1994) osporio je Rasmussen&rsquos tumačenje povijesti mezosoma, tvrdeći da je odbacivanje mezosoma kao artefakta zapravo najbolje objašnjeno na temelju robusnosti. Ona posebno ukazuje na kombinirane podatke biokemičara koji su otkrili nekoliko razlika između citoplazmatskih membrana i uzoraka navodno iz mezosoma i nove generacije elektronskih mikroskopista koji sugeriraju da su mezosomi rezultat fiksatora, glutaraldehida, koji se koristi za generiranje mikrofotografija koje navodno pokazuju ih. Ova razmatranja o robusnosti, tvrdi ona, bila su dovoljna da navedu zajednicu da odbaci mezosome. U kasnijem radu, Rasmussen odgovara na Culp&rsquos analizu, nastavljajući tvrditi da lokalni detalji, a ne principi poput robusnosti, određuju znanstveničke&rsquo prosudbe o artefaktima:

opći principi poput robusnosti previše su nejasni da bi išta opravdali, jer kada se opišu dovoljno detaljno, ispada da je način na koji su takvi principi instancirani u tijeku i da je vrag u detaljima. (2001: 643)

Nekoliko drugih filozofa također je preuzelo slučaj mezosoma. Allchin (2000) karakterizira početne dokaze za mezosom kao robusne i opisuje kako su naknadna istraživanja koja pokazuju kako su čestice nastale degeneracijom membrane u pripremi za elektronsku mikroskopiju dovela do ponovne procjene, koja je kulminirala time da su mezosomi prepoznati kao artefakti. Weber (2005) tvrdi da proces evaluacije tvrdnji o artefaktima koristi kauzalno rezoniranje iste vrste kao što se koristi u testiranju teorijskih hipoteza. Prema njegovim riječima, mezozomi su ocijenjeni kao artefakti kada su dokazi potkrijepili tvrdnju da su nastali kemijskom fiksacijom. Hudson (2014: 2. poglavlje) predlaže još jednu alternativu: prema kojoj je ono što je najvažnije istraživačima bilo smatraju li proces generiranja dokaza za ili protiv mezosoma pouzdanim procesom.

4.3 Dijagrami iz stanične biologije

Mikroskopske slike, bilo da su ručno nacrtane, kao što su bile u devetnaestom stoljeću, ili snimljene na fotografijama, vrlo su detaljne. Međutim, znanje koje citolozi i stanični biolozi nastoje razviti je apstraktnije i općenito – oni nastoje identificirati vrste struktura koje se nalaze u stanicama, a ne sve njihove primjere. U skladu s tim, stanični biolozi često generiraju dijagrame koji izostavljaju detalje. Maienschein (1991) ispituje porijeklo ove prakse u klasičnom tekstu Wilson&rsquos (1896), Stanica u razvoju i nasljeđivanju. Na početku knjige Wilson je dao dijagram (slika 5A) koji apstrahira od puno bogatijih fotografija koje je predstavio samo godinu dana ranije (Wilson 1895.). Umjesto da pokaže sve primjere različitih organela, on predstavlja samo nekoliko primjera svake vrste. Organele su prikazane pomoću ikona koje upućuju na njihove oblike. Takvi dijagrami služe za prenošenje tipova organela koji se nalaze u stanicama i njihov tipičan položaj, ali lažno sugeriraju da je većina prostora u stanici prazna. Maienschein tvrdi da ovaj prijelaz s fotografija na apstraktne dijagrame odražava Wilsonovo&rsquosovo sve veće povjerenje u ispravnost njegove interpretacije onoga što je vidio kroz mikroskop i prijelaz &ldquofod predstavljanja podataka na predstavljanje teorije&rdquo (Maienschein 1991: 252). Znak njihovog teoretskog statusa je da takve brojke, za razliku od mikrografija ili dijagrama podataka, često prolaze kroz brojne revizije kako znanstvenici razvijaju svoj izvještaj. Revizija ovih dijagrama zapravo je sredstvo za razvoj teorije. S razvojem biokemijskih i molekularnih prikaza staničnih fenomena, istraživači često čine ono što Serpente (2011) karakterizira kao prijelaz iz ikoničkog u simboličko. On predstavlja karte interakcija protein-protein i regulatorne dijagrame gena kao primjere simboličkih prikaza.

A. Wilson&rsquos (1896: 14, slika 5) dijagram stanica koji izostavlja veliki dio detalja koji bi se mogli vidjeti kroz mikroskop kako bi se fokusirali

B. Dijagram mehanizama procesa heterofagije i autofagije od de Duvea i Wattiauxa (1966: 468, slika 6).

Slične točke također se primjenjuju na drugu vrstu dijagrama koji se često pojavljuje u staničnoj biologiji i dijagramima hipotetskih mehanizama za koje se smatra da su odgovorni za određeni fenomen (Sheredos et al. 2013 Abrahamsen, Sheredos i Bechtel 2018). Takvi dijagrami ne pokušavaju prikazati sve tipove organela, već, kao na slici 5B, samo one za koje se smatra da su uključene u generiranje određenog fenomena - u ovom slučaju, razgradnju materijala unesenih u stanicu (heterofagija) ili samih staničnih komponenti (autofagija ). Jedan od izazova s ​​dijagramima mehanizama je da su oni statični dok su mehanizmi uključeni u promjene (probava organela i izbacivanje preostalog materijala). Jedna uobičajena strategija je korištenje strelica za predstavljanje aktivnosti, iako često unutar istog dijagrama strelice mogu imati više različitih značenja. U konačnici, međutim, na gledatelju je da animira dijagram mehanizma (Hegarty 1992) i da mentalno uvježba različite aktivnosti koje su predstavljene i da zamisli promjene koje proizvode različiti dijelovi.

Moglo bi se pomisliti da su dijagrami važni samo kao sredstvo ilustriranja rezultata koji su tekstualno prikazani. Ali ispitivanje prakse znanstvenika otkriva da su oni daleko važniji za njihovo razmišljanje. Na početku razvoja mehaničke hipoteze znanstvenici skiciraju svoje ideje. Često se dijagrami mehanizama (kao i druge slike koje prikazuju podatke ili tijek istraživanja) izrađuju mnogo prije nego što je tekst izrađen. Dijagrami se obično prezentiraju na laboratorijskim sastancima i revidiraju se više puta dok znanstvenici preciziraju svoje tvrdnje. Istraživači često generiraju tekst rada tek na kraju ovog procesa. Iskoristivši pristup nacrtima slika i teksta za dva istraživačka projekta, Sheredos i Bechtel (2017, u tisku) ispitali su proces interaktivnog angažmana u kojem su istraživači modificirali dijagrame, promijenili tekst, a zatim dodatno modificirali dijagram. Ono što ovaj proces sugerira jest da mehanizmi skiciranja i ponovnog skiciranja igraju središnju ulogu dok istraživači nastoje identificirati što mogu zaključiti iz svojih eksperimentalnih studija. U jednom od slučajeva koje su ispitali, rana verzija dijagrama služi za postavljanje pitanja na koje se radilo kroz eksperimentalne studije, što je rezultiralo konačnim dijagramom koji nudi odgovor na postavljeno pitanje. Osim što podržavaju empirijske tvrdnje istraživačkog projekta, Jones i Wolkenhauer (2012.) pružaju rasvjetljujuću raspravu o tome kako dijagrami služe za lociranje informacija potrebnih za računski model u prikazu staničnog mehanizma koji se modelira,


Funkcije fosfatnih skupina

Dio nukleinskih kiselina

DNA i RNA, genetski materijal svih živih bića, su nukleinske kiseline. Sastoje se od nukleotida, koji se pak sastoje od dušične baze, šećera s 5 ugljika i fosfatne skupine. Šećer s 5 ugljika i fosfatna skupina svakog nukleotida se vežu da tvore okosnicu DNA i RNA. Kada nukleotidi nisu vezani za druge nukleotide kako bi tvorili dio DNA ili RNA, vezane su još dvije fosfatne skupine.

Aktiviranje proteina

Fosfatne skupine važne su u aktiviranju proteina kako bi proteini mogli obavljati određene funkcije u stanicama. Proteini se aktiviraju fosforilacijom, što je dodavanje fosfatne skupine. Fosforilacija proteina javlja se u svim oblicima života. Defosforilacija, uklanjanje fosfatne skupine, deaktivira proteine.

Dio energetskih molekula

Adenozin trifosfat, ili ATP, glavni je izvor energije u stanicama. Sastoji se od adenozina i tri fosfatne skupine, a energija dobivena iz ATP-a prenosi se u kemijskim vezama fosfata. Kada se te veze prekinu, energija se oslobađa. ATP nastaje kada je molekula ADP (adenozin difosfat) fosforilirana. Fosfatne skupine također se nalaze u drugim energetskim molekulama koje su manje uobičajene od ATP-a, kao što su gvanozin trifosfat (GTP), citidin trifosfat (CTP) i uridin trifosfat (UTP).

Dio fosfolipida

Fosfolipidi su glavna komponenta staničnih membrana. Svaki fosfolipid se sastoji od molekule lipida i fosfatne skupine.Mnogi fosfolipidi raspoređeni su u redove da tvore ono što se naziva fosfolipidni dvosloj, dvostruki sloj fosfolipida. Ovaj dvosloj je glavna komponenta membrana kao što su stanična membrana i nuklearna ovojnica koja okružuje jezgru. Polupropusna je, što znači da samo određene molekule mogu proći kroz nju i ući ili izaći iz stanice.

Kao tampon

U ekosustavima

Fosfor je hranjiva tvar koja ograničava rast biljaka i životinja u slatkovodnim okolišima. Povećanje molekula koje sadrže fosfor poput fosfata može uzrokovati rast planktona i biljaka, koje potom jedu druge životinje poput zooplanktona i riba, nastavljajući lanac ishrane do ljudi. Povećanje fosfata u početku će povećati broj planktona i riba, ali previše će ograničiti druge hranjive tvari važne za preživljavanje, poput kisika. Ovo smanjenje kisika naziva se eutrofikacija i može ubiti vodene životinje. Fosfati se mogu povećati zbog ljudskih aktivnosti kao što su pročišćavanje otpadnih voda, industrijsko ispuštanje i korištenje gnojiva u poljoprivredi.

U Tijelu

Oko 85% fosfora u ljudskom tijelu nalazi se u kostima i zubima. Kalcijev fosfat je glavni element i zuba i kostiju i daje im tvrdu strukturu. Fosfor je drugi najčešći element u tijelu nakon kalcija i važno je da ga u tijelu nema ni previše ni premalo. Fosfor se može naći u proizvodima od žitarica, mlijeku i hrani bogatoj proteinima.


Reakcijom 4,151 g Al s 3,692 g O nastaje aluminijev oksid. Kako izračunati njegovu empirijsku formulu?

Možete odrediti empirijsku formulu za ovaj spoj (ili bilo koji spoj, u tom slučaju) pronalaženjem molskog omjera između kisika i aluminija.

Prvo izračunate broj molova koji su reagirali za oba elementa - malo je lakše koristiti jednoatomni kisik, a ne dvoatomni kisik

#"4,151 g" * "1 mol aluminija"/"26,98 g" = "0,1539 mola "# #Al# , i

#"3,692 g" * ("1 mol jednoatomnog kisika")/"16,00 g" = "0,2308 mola "# #O#

Sada samo podijelite ova dva broja kako biste dobili molski omjer aluminija i kisika u oksidu

#"aluminij"/"kisik" = "0,1539"/"0,2308" = "0,667" = 2/3#

To znači da će empirijska formula za vaš oksid biti

SPOREDNA NAPOMENA Evo zašto sam umjesto njega koristio jednoatomni kisik #O_2# . Ako izvršite izračune s dvoatomskim kisikom, omjer će ispasti 1,33 ili 4/3, međutim, ovo je omjer aluminija i #O_2# , ne na O, tako bi vaša empirijska formula bila

#Al_4(O_2)_3 = Al_4O_6 = Al_2O_3#

Rezultat bi, naravno, bio isti, ali mislim da je lakše raditi s pojedinačnim atomima - također, mislim da je i ovo preporučena metoda.


Poglavlje 4 – Ugljik i molekularna raznolikost života – Pregled predavanja

· Iako su stanice 70-95% vode, ostatak se uglavnom sastoji od spojeva na bazi ugljika.

· Ugljik je bez premca u svojoj sposobnosti formiranja velikih, složenih i raznolikih molekula.

· Ugljik objašnjava raznolikost bioloških molekula i omogućio je veliku raznolikost živih bića.

· Proteini, DNK, ugljikohidrati i druge molekule koje razlikuju živu tvar od anorganskog materijala sastavljene su od atoma ugljika koji su međusobno povezani i na atome drugih elemenata.

· Ovi drugi elementi obično uključuju vodik (H), kisik (O), dušik (N), sumpor (S) i fosfor (P).

Koncept 4.1 Organska kemija proučava ugljične spojeve

· Proučavanje ugljikovih spojeva, organska kemija, bavi se bilo kojim spojem s ugljikom (organski spojevi).

· Organski spojevi mogu varirati od jednostavnih molekula, kao što su CO2 ili CH4, do složenih molekula kao što su proteini, koji mogu težiti više od 100 000 daltona.

· Ukupni postoci glavnih elemenata života (C, H, O, N, S i P) prilično su ujednačeni od jednog organizma do drugog.

· Međutim, zbog svestranosti ugljika, ovih nekoliko elemenata može se kombinirati kako bi se izgradila neiscrpna raznolikost organskih molekula.

· Varijacije u organskim molekulama mogu razlikovati čak i jedinke jedne vrste.

· Znanost organske kemije započela je u pokušajima pročišćavanja i poboljšanja prinosa proizvoda dobivenih od drugih organizama.

· U početku su kemičari naučili sintetizirati jednostavne spojeve u laboratoriju, ali nisu imali uspjeha sa složenijim spojevima.

· Švedski kemičar Jons Jacob Berzelius prvi je napravio razliku između organskih spojeva za koje se činilo da nastaju samo u živim organizmima i anorganskih spojeva koji su pronađeni u neživom svijetu.

· To je navelo prve organske kemičare da predlože vitalizam, uvjerenje da fizikalni i kemijski zakoni ne vrijede za živa bića.

· Podrška vitalizmu počela je slabiti kako su organski kemičari naučili sintetizirati složene organske spojeve u laboratoriju.

· Početkom 1800-ih, njemački kemičar Friedrich Wöhler i njegovi učenici uspjeli su sintetizirati ureu iz potpuno anorganskih materijala.

· Godine 1953. Stanley Miller sa Sveučilišta u Chicagu postavio je laboratorijsku simulaciju kemijskih uvjeta na primitivnoj Zemlji i demonstrirao spontanu sintezu organskih spojeva.

· Takva spontana sinteza organskih spojeva mogla je biti rana faza u nastanku života.

· Organski kemičari konačno su odbacili vitalizam i prihvatili mehanizam, prihvaćajući da isti fizikalni i kemijski zakoni upravljaju svim prirodnim pojavama uključujući procese života.

· Organska kemija je redefinirana kao proučavanje ugljikovih spojeva bez obzira na njihovo podrijetlo.

· Organizmi proizvode većinu organskih spojeva.

· Kemijski zakoni vrijede i za anorganske i organske spojeve.

Koncept 4.2 Atomi ugljika mogu formirati različite molekule vežući se na četiri druga atoma

· S ukupno 6 elektrona, atom ugljika ima 2 u prvoj elektronskoj ljusci i 4 u drugoj ljusci.

· Ugljik ima malu sklonost stvaranju ionskih veza gubitkom ili dobivanjem 4 elektrona kako bi dovršio svoju valentnu ljusku.

· Umjesto toga, ugljik obično dovršava svoju valentnu ljusku dijeleći elektrone s drugim atomima u četiri kovalentne veze.

· Ovo četverovalentnost ugljikom omogućuje velike, složene molekule.

· Kada ugljik tvori kovalentne veze s četiri druga atoma, one su raspoređene u kutovima imaginarnog tetraedra s veznim kutovima od 109,5°.

· U molekulama s više ugljika, svaki ugljik vezan za četiri druga atoma ima tetraedarski oblik.

· Međutim, kada su dva ugljikova atoma spojena dvostrukom vezom, sve veze oko tih ugljika su u istoj ravnini i imaju ravnu, trodimenzionalnu strukturu.

· Trodimenzionalni oblik organske molekule određuje njezinu funkciju.

· Elektronska konfiguracija ugljika čini ga sposobnim za stvaranje kovalentnih veza s mnogo različitih elemenata.

· Valencije ugljika i njegovih partnera mogu se promatrati kao građevinski kod koji upravlja arhitekturom organskih molekula.

· U ugljičnom dioksidu jedan atom ugljika tvori dvije dvostruke veze s dva različita atoma kisika.

· U strukturnoj formuli, O=C=O, svaka linija predstavlja par zajedničkih elektrona. Ovaj raspored dovršava valentne ljuske svih atoma u molekuli.

· Dok se CO2 može klasificirati kao organski ili anorganski, njegova važnost za živi svijet je jasna.

· CO2 je izvor ugljika za sve organske molekule koje se nalaze u organizmima. Obično se fiksira u organske molekule procesom fotosinteze.

· Urea, CO(NH2)2, je još jedna jednostavna organska molekula u kojoj svaki atom stvara kovalentne veze kako bi dovršio svoju valentnu ljusku.

Varijacije u ugljičnim skeletima doprinose raznolikosti organskih molekula.

· Ugljični lanci čine kostur većine organskih molekula.

· Kosturi se razlikuju po duljini i mogu biti ravni, razgranati ili raspoređeni u zatvorene prstenove.

· Ugljični kosturi mogu uključivati ​​dvostruke veze.

· Atomi drugih elemenata mogu se vezati za atome ugljikovog kostura.

· Ugljikovodici su organske molekule koje se sastoje samo od atoma ugljika i vodika.

· Ugljikovodici su glavna komponenta nafte, fosilnog goriva koje se sastoji od djelomično razgrađenih ostataka organizama koji su živjeli prije milijuna godina.

· Masti su biološke molekule koje imaju duge ugljikovodične repove vezane za neugljikovodične komponente.

· Nafta i mast su hidrofobni spojevi koji se ne mogu otopiti u vodi zbog brojnih nepolarnih veza ugljik-vodik.

· Izomeri su spojevi koji imaju istu molekularnu formulu, ali različite strukture i, prema tome, različita kemijska svojstva.

· Na primjer, butan i izobutan imaju istu molekularnu formulu, C4H10, ali butan ima ravan kostur, a izobutan ima razgranati kostur.

· Dva butana su strukturni izomeri, molekule koje imaju istu molekularnu formulu, ali se razlikuju po kovalentnom rasporedu atoma.

· Geometrijski izomeri su spojevi s istim kovalentnim partnerstvima koji se razlikuju po prostornom rasporedu atoma oko dvostruke veze ugljik-ugljik.

· Dvostruka veza ne dopušta atomima da se slobodno rotiraju oko osi veze.

· Biokemija vida uključuje svjetlom induciranu promjenu strukture rodopsina u mrežnici s jednog geometrijskog izomera na drugi.

· Enantiomeri su molekule koje su jedna drugoj zrcalne slike.

· Enantiomeri su mogući kada su četiri različita atoma ili skupine atoma vezana na ugljik.

· U ovom slučaju, četiri skupine mogu se rasporediti u prostoru na dva različita načina koji su zrcalne slike.

· Oni su poput ljevorukih i desnorukih verzija molekule.

· Obično je jedan biološki aktivan, dok je drugi neaktivan.

· Čak i suptilne strukturne razlike u dva enantiomera imaju važno funkcionalno značenje zbog svojstava pojavljivanja iz specifičnih rasporeda atoma.

· Jedan enantiomer lijeka talidomid smanjio je jutarnju mučninu, željeni učinak, ali je drugi izomer izazvao teške urođene mane.

· L-dopa izomer je učinkovito liječenje Parkinsonove bolesti, ali D-dopa izomer je neaktivan.

Koncept 4.3 Funkcionalne skupine su dijelovi molekula uključeni u kemijske reakcije

· Komponente organskih molekula koje su najčešće uključene u kemijske reakcije poznate su kao funkcionalne skupine.

· Ako ugljikovodike smatramo najjednostavnijim organskim molekulama, funkcionalne skupine možemo promatrati kao spojeve koji zamjenjuju jedan ili više atoma vodika vezanih za ugljikov kostur ugljikovodika.

· Svaka funkcionalna skupina ponaša se dosljedno od jedne organske molekule do druge.

· Broj i raspored funkcionalnih skupina pomažu svakoj molekuli da daju njena jedinstvena svojstva.

· Na primjer, osnovna struktura testosterona (muški spolni hormon) i estradiola (ženski spolni hormon) je ista.

· Oba su steroidi s četiri spojena ugljična prstena, ali se razlikuju po funkcionalnim skupinama vezanim za prstenove.

· Ove funkcionalne skupine međusobno djeluju s različitim ciljevima u tijelu.

· Postoji šest funkcionalnih skupina koje su najvažnije za kemiju života: hidroksilna, karbonilna, karboksilna, amino, sulfhidrilna i fosfatna skupina.

· Svi su hidrofilni i povećavaju topljivost organskih spojeva u vodi.

· U hidroksil skupine (—OH), atom vodika tvori polarnu kovalentnu vezu s atomom kisika, koji tvori polarnu kovalentnu vezu za ugljikov kostur.

· Zbog ovih polarnih kovalentnih veza, hidroksilne skupine povećavaju topljivost organskih molekula.

· Organski spojevi s hidroksilnim skupinama su alkoholi, a njihova imena obično završavaju na -ol.

· A karbonil skupina (>CO) sastoji se od atoma kisika spojenog s ugljikovim kosturom dvostrukom vezom.

· Ako je karbonilna skupina na kraju skeleta, spoj je an aldehida.

· Ako je karbonilna skupina unutar ugljičnog kostura, tada je spoj a keton.

· Izomeri s aldehidima naspram ketona imaju različita svojstva.

· A karboksil skupina (—COOH) sastoji se od atoma ugljika s dvostrukom vezom na atom kisika i jednostruke veze s kisikom hidroksilne skupine.

· Spojevi s karboksilnim skupinama su karboksilne kiseline.

· Karboksilna skupina djeluje kao kiselina jer kombinirane elektronegativnosti dvaju susjednih atoma kisika povećavaju disocijaciju vodika kao iona (H+).

· An amino skupina (—NH2) sastoji se od atoma dušika vezanog za dva atoma vodika i ugljičnog kostura.

· Organski spojevi s amino skupinama su amini.

· Amino skupina djeluje kao baza jer amino skupina može pokupiti vodikov ion (H+) iz otopine.

· Aminokiseline, građevni blokovi proteina, imaju amino i karboksilne skupine.

· A sulfhidril skupina (—SH) sastoji se od atoma sumpora vezanog na atom vodika i na okosnicu.

· Ova skupina po obliku nalikuje hidroksilnoj skupini.

· Organske molekule sa sulfhidrilnim skupinama su tioli.

· Dvije sulfhidrilne skupine mogu međusobno utjecati kako bi se stabilizirala struktura proteina.

· A fosfat skupina (—OPO32−) sastoji se od atoma fosfora vezanog na četiri atoma kisika (tri s jednostrukom vezom i jedan s dvostrukom vezom).

· Fosfatna skupina povezuje se s ugljičnom kralježnicom preko jednog od svojih atoma kisika.

· Fosfatne skupine su anioni s dva negativna naboja, jer su se dva protona odvojila od atoma kisika.

· Jedna funkcija fosfatnih skupina je prijenos energije između organskih molekula.

· Adenozin trifosfat ili ATP je primarna molekula koja prenosi energiju u živim stanicama.

To su kemijski elementi života.

· Živa tvar se sastoji uglavnom od ugljika, kisika, vodika i dušika, uz manje količine sumpora i fosfora.

· Ovi elementi su povezani jakim kovalentnim vezama.

· Ugljik, sa svoje četiri kovalentne veze, osnovni je građevni blok u molekularnoj arhitekturi.

· Velika raznolikost organskih molekula s njihovim posebnim svojstvima proizlazi iz jedinstvenog rasporeda ugljikovog kostura i funkcionalnih skupina vezanih za kostur.


Poglavlje 04 - Ugljik i molekularna raznolikost života

  • S ukupno 6 elektrona, atom ugljika ima 2 u prvoj elektronskoj ljusci i 4 u drugoj ljusci.
  • Ugljik ima malu sklonost stvaranju ionskih veza gubitkom ili dobivanjem 4 elektrona kako bi dovršio svoju valentnu ljusku.
  • Umjesto toga, ugljik obično dovršava svoju valentnu ljusku dijeleći elektrone s drugim atomima u četiri kovalentne veze.
  • Ova tetravalencija ugljika omogućuje velike, složene molekule.
  • Kada ugljik tvori kovalentne veze s četiri druga atoma, one su raspoređene u kutovima imaginarnog tetraedra s veznim kutovima od 109,5°.
  • U molekulama s više ugljika, svaki ugljik vezan za četiri druga atoma ima tetraedarski oblik.
  • Međutim, kada su dva ugljikova atoma spojena dvostrukom vezom, sve veze oko tih ugljika su u istoj ravnini i imaju ravnu, trodimenzionalnu strukturu.
  • Trodimenzionalni oblik organske molekule određuje njezinu funkciju.
  • Elektronska konfiguracija ugljika čini ga sposobnim za stvaranje kovalentnih veza s mnogo različitih elemenata.
  • Valencije ugljika i njegovih partnera mogu se promatrati kao građevinski kod koji upravlja arhitekturom organskih molekula.
  • U ugljičnom dioksidu jedan atom ugljika tvori dvije dvostruke veze s dva različita atoma kisika.
  • U strukturnoj formuli, O=C=O, svaka linija predstavlja par zajedničkih elektrona. Ovaj raspored dovršava valentne ljuske svih atoma u molekuli.
  • Iako se CO2 može klasificirati kao organski ili anorganski, njegova važnost za živi svijet je jasna.
  • CO2 je izvor ugljika za sve organske molekule koje se nalaze u organizmima. Obično se fiksira u organske molekule procesom fotosinteze.
  • Urea, CO(NH2)2, je još jedna jednostavna organska molekula u kojoj svaki atom stvara kovalentne veze kako bi dovršio svoju valentnu ljusku.

Varijacije u ugljičnim skeletima doprinose raznolikosti organskih molekula.

  • Ugljični lanci čine kostur većine organskih molekula.
  • Kosturi se razlikuju po dužini i mogu biti ravni, razgranati ili raspoređeni u zatvorene prstenove.
  • Ugljični kosturi mogu uključivati ​​dvostruke veze.
  • Atomi drugih elemenata mogu se vezati za atome ugljikovog kostura.
  • Ugljikovodici su organske molekule koje se sastoje samo od atoma ugljika i vodika.
  • Ugljikovodici su glavna komponenta nafte, fosilnog goriva koje se sastoji od djelomično razgrađenih ostataka organizama koji su živjeli prije milijune godina.
  • Masti su biološke molekule koje imaju duge ugljikovodične repove vezane za neugljikovodične komponente.
  • Nafta i mast su hidrofobni spojevi koji se ne mogu otopiti u vodi zbog brojnih nepolarnih veza ugljik-vodik.
  • Izomeri su spojevi koji imaju istu molekularnu formulu, ali različite strukture i, prema tome, različita kemijska svojstva.
  • Na primjer, butan i izobutan imaju istu molekularnu formulu, C4H10, ali butan ima ravan kostur, a izobutan ima razgranati kostur.
  • Dva butana su strukturni izomeri, molekule koje imaju istu molekularnu formulu, ali se razlikuju po kovalentnom rasporedu atoma.
  • Geometrijski izomeri su spojevi s istim kovalentnim partnerstvima koji se razlikuju po prostornom rasporedu atoma oko dvostruke veze ugljik-ugljik.
  • Dvostruka veza ne dopušta atomima da se slobodno rotiraju oko osi veze.
  • Biokemija vida uključuje svjetlom induciranu promjenu strukture rodopsina u mrežnici s jednog geometrijskog izomera na drugi.
  • Enantiomeri su molekule koje su jedna drugoj zrcalne slike.
  • Enantiomeri su mogući kada su četiri različita atoma ili skupine atoma vezana na ugljik.
  • U ovom slučaju, četiri skupine mogu se rasporediti u prostoru na dva različita načina koji su zrcalne slike.
  • Oni su poput ljevoruke i desnoruke verzije molekule.
  • Obično je jedan biološki aktivan, dok je drugi neaktivan.
  • Čak i suptilne strukturne razlike u dva enantiomera imaju važno funkcionalno značenje zbog svojstava pojavljivanja iz specifičnog rasporeda atoma.
  • Jedan enantiomer lijeka talidomid smanjio je jutarnju mučninu, željeni učinak, ali je drugi izomer izazvao teške urođene mane.
  • L-dopa izomer je učinkovito liječenje Parkinsonove bolesti, ali D-dopa izomer je neaktivan.

Koncept 4.3 Funkcionalne skupine su dijelovi molekula uključeni u kemijske reakcije

  • Komponente organskih molekula koje su najčešće uključene u kemijske reakcije poznate su kao funkcionalne skupine.
  • Ako ugljikovodike smatramo najjednostavnijim organskim molekulama, funkcionalne skupine možemo promatrati kao spojeve koji zamjenjuju jedan ili više atoma vodika vezanih za ugljikov kostur ugljikovodika.
  • Svaka funkcionalna skupina ponaša se dosljedno od jedne organske molekule do druge.
  • Broj i raspored funkcionalnih skupina pomaže svakoj molekuli da daje njena jedinstvena svojstva.
  • Na primjer, osnovna struktura testosterona (muški spolni hormon) i estradiola (ženski spolni hormon) je ista.
  • Oba su steroidi s četiri spojena ugljična prstena, ali se razlikuju po funkcionalnim skupinama pričvršćenim na prstenove.
  • Ove funkcionalne skupine međusobno djeluju s različitim ciljevima u tijelu.
  • Postoji šest funkcionalnih skupina koje su najvažnije za kemiju života: hidroksilna, karbonilna, karboksilna, amino, sulfhidrilna i fosfatna skupina.
  • Svi su hidrofilni i povećavaju topljivost organskih spojeva u vodi.
  • U hidroksilnoj skupini (—OH), atom vodika tvori polarnu kovalentnu vezu s atomom kisika, koji tvori polarnu kovalentnu vezu za ugljikov kostur.
  • Zbog ovih polarnih kovalentnih veza, hidroksilne skupine povećavaju topljivost organskih molekula.
  • Organski spojevi s hidroksilnim skupinama su alkoholi, a njihova imena obično završavaju na -ol.
  • Karbonilna skupina (>CO) sastoji se od atoma kisika spojenog s ugljikovim kosturom dvostrukom vezom.
  • Ako je karbonilna skupina na kraju kostura, spoj je aldehid.
  • Ako je karbonilna skupina unutar ugljičnog kostura, tada je spoj keton.
  • Izomeri s aldehidima u odnosu na ketone imaju različita svojstva.
  • Karboksilna skupina (—COOH) sastoji se od atoma ugljika s dvostrukom vezom na atom kisika i jednostruke veze s kisikom hidroksilne skupine.
  • Spojevi s karboksilnim skupinama su karboksilne kiseline.
  • Karboksilna skupina djeluje kao kiselina jer kombinirane elektronegativnosti dvaju susjednih atoma kisika povećavaju disocijaciju vodika kao iona (H+).
  • Amino skupina (—NH2) sastoji se od atoma dušika vezanog za dva vodikova atoma i ugljičnog kostura.
  • Organski spojevi s amino skupinama su amini.
  • Amino skupina djeluje kao baza jer amino skupina može pokupiti vodikov ion (H+) iz otopine.
  • Aminokiseline, građevni blokovi proteina, imaju amino i karboksilne skupine.
  • Sulfhidrilna skupina (—SH) sastoji se od atoma sumpora koji je vezan na atom vodika i na okosnicu.
  • Ova skupina po obliku nalikuje hidroksilnoj skupini.
  • Organske molekule sa sulfhidrilnim skupinama su tioli.
  • Dvije sulfhidrilne skupine mogu međusobno utjecati kako bi se stabilizirala struktura proteina.
  • Fosfatna skupina (—OPO32?) sastoji se od atoma fosfora vezanog na četiri atoma kisika (tri s jednostrukom vezom i jedan s dvostrukom vezom).
  • Fosfatna skupina povezuje se s ugljičnom kralježnicom preko jednog od svojih atoma kisika.
  • Fosfatne skupine su anioni s dva negativna naboja, jer su se dva protona odvojila od atoma kisika.
  • Jedna od funkcija fosfatnih skupina je prijenos energije između organskih molekula.
  • Adenozin trifosfat ili ATP je primarna molekula koja prenosi energiju u živim stanicama.


Gledaj video: Transkripcija, Molekularna biologija (Kolovoz 2022).