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W2017_Lecture_12_reading - Biologie

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ATP

Eine weitere chemische Verbindung, mit der wir uns vertraut machen müssen, ist Adenosintriphospat (ATP). Die wichtigste zelluläre Rolle von ATP ist die als "kurzfristige" Energieübertragungsvorrichtung für die Zelle. Die Hydrolysereaktionen, die eines oder mehrere der Phosphate von ATP freisetzen, sind exergonisch und viele, viele zelluläre Proteine ​​haben sich entwickelt, um mit ATP auf eine Weise zu interagieren, die den Energietransfer von der Hydrolyse auf unzählige andere zelluläre Funktionen erleichtert. Wir werden viele Beispiele von ATP "bei der Arbeit" in der Zelle sehen - halten Sie Ausschau nach ihnen und versuchen Sie, sie als funktionale Beispiele für die Verwendung von ATP in der Natur zu betrachten, die Sie in einer anderen Reaktion erwarten könnten, oder Kontext.

ATP-Struktur und -Funktion

Das Herzstück von ATP ist das Nukleotid Adenosinmonophosphat (AMP). Wie die anderen Nukleotide besteht AMP aus einer stickstoffhaltigen Base (einem Adeninmolekül), die an ein Ribosemolekül und eine einzelne Phosphatgruppe gebunden ist. Die Anlagerung einer zweiten Phosphatgruppe an dieses Kernmolekül führt zur Bildung von Adenosindiphosphat (ADP); die Addition einer dritten Phosphatgruppe bildet Adenosintriphosphat (ATP).

ATP (Adenosintriphosphat) hat drei Phosphatgruppen, die durch Hydrolyse entfernt werden können, um ADP (Adenosindiphosphat) oder AMP (Adenosinmonophosphat) zu bilden.

Die Phosphorylierung oder die Kondensation von Phosphatgruppen an AMP ist ein endergonischer Prozess. Im Gegensatz dazu ist die Hydrolyse von einer oder zwei Phosphatgruppen aus ATP, ein Prozess namens Dephosphorylierung, ist exergonisch. Wieso den? Erinnern wir uns, dass sich die Begriffe endergonisch und exergonisch auf das Vorzeichen der Differenz der freien Energie einer Reaktion zwischen den Produkten und Reaktanten beziehen, G. In diesem Fall weisen wir der Reaktion explizit eine Richtung zu, entweder in Richtung der Phosphorylierung oder Dephosphorylierung des Nukleotids. Bei der Phosphorylierungsreaktion sind die Reaktanten das Nukleotid und ein anorganisches Phosphat, während die Produkte ein phosphoryliertes Nukleotid und WASSER sind. Bei der Dephosphorylierungs/Hydrolyse-Reaktion sind die Reaktanten das phosphorylierte Nukleotid und WASSER, während die Produkte anorganisches Phosphat und das Nukleotid minus einem Phosphat sind.

Da die Freie Energie von Gibbs eine Zustandsfunktion ist, spielt es keine Rolle, wie die Reaktion abläuft, Sie betrachten nur den Anfangs- und Endzustand. Betrachten wir zum Beispiel die Hydrolyse von ATP. Die Reaktanten ATP und Wasser sind durch ihre atomare Zusammensetzung und die Art der Bindungen zwischen den konstituierenden Atomen charakterisiert, und jeder der Bindungen und ihren möglichen Konfigurationen kann eine gewisse freie Energie zugeordnet werden – ebenso für die Produkte. Wenn wir die Reaktion vom Standpunkt der Produkte und Reaktanten aus untersuchen und fragen "wie können wir Atome und Bindungen in den Reaktanten rekombinieren, um die Produkte zu erhalten?", stellen wir fest, dass eine Phosphoanhydrid-Bindung zwischen einem Sauerstoff und einem Phosphor im ATP, eine im Wasser gebrochene Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff, eine Bindung zwischen dem OH (das aus der Wasserspaltung stammt) und dem Phosphor (aus dem freigesetzten PO3-2), und es muss eine Bindung zwischen dem H (abgeleitet von der Wasserspaltung) und dem terminalen Sauerstoff am phosphorylierten Nukleotid. Es ist die Summe der Energien, die mit all diesen Bindungsumlagerungen verbunden sind (einschließlich derjenigen, die direkt mit Wasser verbunden sind), die diese Reaktion exergonisch machen. Eine ähnliche Analyse könnte mit der Umkehrreaktion durchgeführt werden.

Mögliche Übung

Verwenden Sie die obige Abbildung von ATP und Ihr Wissen darüber, wie ein Wassermolekül aussieht, um eine Abbildung der oben beschriebenen Reaktionsschritte zu zeichnen: Aufbrechen der Phosphoanhydrid-Bindung, Aufbrechen von Wasser und Bildung neuer Bindungen zu ADP und anorganischem Phosphat. Verfolgen Sie die Atome in verschiedenen Farben, wenn das hilft.

Gibt es etwas Besonderes an den spezifischen Bindungen dieser Moleküle? In verschiedenen Texten wird viel über die Art der Bindungen zwischen den Phosphaten von ATP gemacht. Sicherlich tragen die Eigenschaften der Bindungen in ATP dazu bei, die freie Energie und Reaktivität des Moleküls zu definieren. Obwohl es angemessen ist, Konzepte wie Ladungsdichte und Verfügbarkeit von Resonanzstrukturen auf diese Diskussion anzuwenden, ist es eine besondere Art von Handwinken, auf die wir uns lieber nicht einlassen möchten. Die meisten BIS2A-Studenten haben keine College-Chemie und diejenigen, die dies getan haben, haben diese Begriffe wahrscheinlich nicht in sinnvoller Weise diskutiert. Der Versuch, den Prozess mit den oben genannten Ideen zu erklären, würde also nichts anderes tun, als ein falsches Verständnis zu vermitteln, dazu neigen, ATP eine mystische Qualität zuzuordnen und es sind "besondere" Bindungen, die nicht existieren, und vom eigentlichen Punkt abzulenken, der die Hydrolysereaktion ist wegen der Eigenschaften von ATP exergonisch, aber AUCH wegen der chemischen Eigenschaften von Wasser und denen der Reaktionsprodukte. Für diese Klasse ist es ausreichend zu wissen, dass engagierte Physikochemiker noch immer den Prozess der ATP-Hydrolyse in Lösung und im Kontext von Proteinen untersuchen und dass sie immer noch versuchen, die enthalpischen und entropischen Schlüsselkomponenten der freien Energien der Komponenten zu erklären. Wir müssen nur ein gewisses Maß an mechanistischer chemischer Unkenntnis akzeptieren und uns mit einer Beschreibung der groben thermodynamischen Eigenschaften begnügen. Letzteres reicht vollkommen aus, um tiefe Diskussionen über die relevante Biologie zu führen.

„Hochenergie“-Anleihen

Was ist mit dem Begriff "Hochenergiebindungen", den wir so oft in Verbindung mit ATP hören? Wenn die Bindungen in ATP nichts "Besonderes" sind, warum hören wir dann immer den Begriff "Hochenergiebindungen" in Verbindung mit dem Molekül? Die Antwort ist täuschend einfach. In der Biologie wird der Begriff "hochenergetische Bindung" verwendet, um eine exergonische Reaktion zu beschreiben, die die Hydrolyse der betreffenden Bindung beinhaltet, die zu einer "großen" negativen Änderung der freien Energie führt. Denken Sie daran, dass diese Änderung der freien Energie nicht nur mit der fraglichen Bindung zu tun hat, sondern vielmehr mit der Summe aller Bindungsumlagerungen in der Reaktion. Was ist eine große Veränderung? Dies scheint eine ziemlich willkürliche Zuordnung zu sein, die normalerweise mit einer Energiemenge verbunden ist, die mit den Arten von anabolen Reaktionen verbunden ist, die wir typischerweise in der Biologie beobachten. Wenn die Bindungen in ATP etwas Besonderes haben, ist dies nicht ausschließlich an die freie Hydrolyseenergie gebunden, da es viele andere Bindungen gibt, deren Hydrolyse zu größeren negativen Unterschieden in der freien Energie führt.

Die freie Hydrolyseenergie verschiedener Bindungstypen kann mit der der Hydrolyse von ATP verglichen werden. Quelle: http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemistry/Oxidation_and_Phosphorylation/ATP_and_Oxidative_Phosphorylation/Properties_of_ATP

Video zu Elektron und Elektron/Proton-Trägern

Für ein 7-minütiges YouTube-Video über die Rolle von Trägern bei der Atmung klicken Sie hier.

Das Radfahren von ATP-Pools

Schätzungen für die Anzahl der ATP-Moleküle in einer typischen menschlichen Zelle reichen von ~3x107 (~5x10-17 Mol ATP/Zelle) in einem weißen Blutkörperchen auf 5x109 (~9x10-15 Mol ATP/Zelle) in einer aktiven Krebszelle. Obwohl diese Zahlen groß und bereits erstaunlich erscheinen mögen, bedenken Sie, dass dieser ATP-Pool schätzungsweise 1,5 x pro Minute umschlägt (wird zu ADP und dann wieder zu ATP). Die Erweiterung dieser Analyse ergibt die Schätzung, dass dieser tägliche Umsatz ungefähr dem Äquivalent eines Körpergewichts an ATP entspricht, das pro Tag umgesetzt wird. Das heißt, wenn kein Umsatz/Recycling von ATP stattfand, würde der menschliche Körper ATP im Wert von 1 Körpergewicht benötigen, um zu funktionieren - daher unsere frühere Charakterisierung von ATP als "kurzfristiges" Energieübertragungsgerät für die Zelle.

Während der Pool von ATP/ADP recycelt werden kann, wird ein Teil der Energie, die bei den vielen Umwandlungen zwischen ATP, ADP und anderen Biomolekülen übertragen wird, auch an die Umwelt abgegeben. Um die zellulären Energiepools aufrechtzuerhalten, muss auch Energie aus der Umgebung zugeführt werden. Woher kommt diese Energie? Die Antwort hängt stark davon ab, wo Energie verfügbar ist und welche Mechanismen die Natur entwickelt hat, um Energie aus der Umgebung auf molekulare Träger wie ATP zu übertragen. In fast allen Fällen hat sich der Übertragungsmechanismus jedoch so entwickelt, dass er eine Form der Redoxchemie umfasst. In diesem und den folgenden Abschnitten beschäftigen wir uns mit einigen kritischen Beispielen des Energietransfers aus der Umgebung, Schlüsseltypen der Chemie und biologischen Reaktionen, die an diesem Prozess beteiligt sind, und einigen biologischen Schlüsselreaktionen und zellulären Komponenten, die mit dem Energiefluss zwischen verschiedenen Teilen des Körpers verbunden sind das lebende System. Wir konzentrieren uns zunächst auf Reaktionen, die an der (Wieder-)Erzeugung von ATP in der Zelle beteiligt sind (nicht solche, die an der Bildung des Nukleotids per se beteiligt sind, sondern eher diejenigen, die mit der Übertragung von Phosphaten auf AMP und ADP verbunden sind).

Video-Link

Für eine detailliertere Erklärung von ATP und wie dieses Molekül Energie speichert, sehen Sie sich dieses Video (10 Minuten) an, indem Sie hier klicken.

Wie erzeugen Zellen ATP?

Im Laufe der 3,25 Milliarden Jahre der Evolution haben sich eine Vielzahl von Mechanismen entwickelt, um ATP aus ADP und AMP zu erzeugen. Die meisten dieser Mechanismen sind Modifikationen zu zwei Themen: direkte Synthese von ATP oder indirekte Synthese von ATP mit zwei grundlegenden Mechanismen, die jeweils als . bekannt sind Phosphorylierung auf Substratebene (SLP) und oxidative Phosphorylierung. Diese Themen sind so substanziell, dass sie in den nächsten Modulen ausführlich behandelt werden. Es genügt zu sagen, dass beide Mechanismen auf biochemischen Reaktionen beruhen, die Energie von einer Energiequelle auf ADP oder AMP übertragen, um ATP zu synthetisieren.

Glykolyse: ein Überblick

Organismen, ob einzellig oder vielzellig, müssen Wege finden, um mindestens zwei wichtige Dinge aus ihrer Umgebung zu gewinnen: (1) Materie oder Rohstoffe für den Erhalt einer Zelle und den Aufbau neuer Zellen und (2) Energie, um am Leben zu bleiben und reproduzieren. Energie und Rohstoffe können von unterschiedlichen Orten stammen. Organismen, die Energie hauptsächlich aus Sonnenlicht gewinnen, erhalten beispielsweise Rohstoffe für den Aufbau von Biomolekülen aus Quellen wie CO2. Einige Organismen verlassen sich vertraglich auf Redoxreaktionen mit kleinen Molekülen und/oder reduzierten Metallen zur Energiegewinnung und beziehen ihre Rohstoffe für den Aufbau von Biomolekülen aus Verbindungen, die nicht mit der Energiequelle verbunden sind. Inzwischen haben sich einige Organismen (einschließlich uns selbst) entwickelt, um Energie UND die Rohstoffe für den Aufbau und die Zellerhaltung aus manchmal verbundenen Quellen zu beziehen.

Glykolyse ist die erste Stoffwechselweg in BIS2A diskutiert - ein Stoffwechselweg ist eine Reihe von miteinander verbundenen biochemischen Reaktionen. Aufgrund ihrer Allgegenwart in der Biologie wird angenommen, dass die Glykolyse wahrscheinlich einer der frühesten Stoffwechselwege war, die sich entwickelt haben (mehr dazu später). Die Glykolyse ist ein zehnstufiger Stoffwechselweg, der sich auf die Verarbeitung von Glukose zur Energiegewinnung aus chemischen Brennstoffen und zur Verarbeitung der Kohlenstoffe in Glukose in verschiedene andere Biomoleküle konzentriert (von denen einige wichtige Vorläufer vieler viel komplizierterer Biomoleküle sind). Unser Studium der Glykolyse sollte und wird daher anhand der in der Rubrik Energieherausforderung skizzierten Grundsätze untersucht, die uns auffordern, formal zu überlegen, was in diesem mehrstufigen Prozess mit SOWOHL als auch mit Energie geschieht.

Die Energy Story und Design Challenge

Unsere Untersuchung der Glykolyse ist eine gute Gelegenheit, einen biologischen Prozess unter Verwendung sowohl der Energiegeschichte als auch der Rubriken und Perspektiven der Designherausforderung zu untersuchen.

Die Rubrik der Design-Herausforderung wird versuchen, Sie dazu zu bringen, sowohl allgemein als auch speziell darüber nachzudenken, warum wir diesen Weg untersuchen – was ist daran so wichtig? Welche "Probleme" kann das Leben durch die Evolution eines glykolytischen Weges lösen oder überwinden? Wir werden auch über alternative Wege nachdenken wollen, um dieselben Probleme zu lösen und warum sie sich möglicherweise entwickelt haben oder nicht. Später werden wir eine Hypothese untersuchen, wie sich dieser Pfad – und andere verbundene Pfade – tatsächlich entwickelt haben könnten, und es wird sich dann als nützlich erweisen, über alternative Strategien zur Erfüllung verschiedener Einschränkungen nachzudenken.

Im Zusammenhang mit der Energiegeschichte bitten wir Sie, die Glykolyse als einen Prozess zu betrachten, aus dem etwas gelernt werden kann, indem man analysiert, was sowohl mit Materie als auch mit Energie passiert. Das heißt, obwohl es sich um einen biochemischen Weg mit 10 Schritten handelt, schlagen wir vor, dass einige Erkenntnisse gewonnen werden können, indem man den Prozess als eine Reihe von Stoff- und Energie-Inputs und -Outputs sorgfältig untersucht, einen Prozess mit einem Anfang und einem Ende.

Was ist also Glykolyse? Fangen wir an, es herauszufinden.

Die 10 biochemischen Reaktionen der Glykolyse. Enzyme sind blau markiert. Die Struktur jeder von Zucker abgeleiteten Verbindung wird als molekulares Modell dargestellt - andere Reaktanten und Produkte können abgekürzt werden (z. B. ATP, NAD+ usw.). Der Kasten um die durch die Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion weist darauf hin, dass diese Reaktion im weiteren Verlauf von besonderem Interesse ist. Namensnennung: Marc T. Facciotti (Originalwerk)

TABELLE 1: Glykolytische Enzyme
EnzymSchrittΔG/(kJ/mol)ΔG°'/(kJ/mol)
Hexokinase1-34-16.7
Phosphoglucose-Isomerase2-2.91.67
Phosphofructokinase3-19-14.2
Fructose-Bisphosphat-Aldolase4-0.2323.9
Triosephosphatisomerase52.47.56
Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase6-1.296.30
Phosphoglyceratkinase70.09-18.9
Phosphoglyceratmutase80.834.4
Enolase91.11.8
Pyruvatkinase10-23.0-31.7
Die Messungen der Energie im Standardzustand (ΔG°'/(kJ/mol)) im Vergleich zu Messungen an einer lebenden Zelle (ΔG/(kJ/mol)). Unter Bedingungen konstanter Temperatur und konstantem Druck (ΔG°'/(kJ/mol)) laufen Reaktionen in der Richtung ab, die zu einer Abnahme des Wertes der freien Gibbs-Energie führt. Zelluläre G-Messungen können sich aufgrund zellulärer Bedingungen, wie Konzentrationen relevanter Metaboliten usw., dramatisch von ΔG°'-Messungen unterscheiden. Während des Glykolyseprozesses gibt es drei große negative ΔG-Abfälle in der Zelle. Diese Reaktionen gelten als irreversibel und unterliegen häufig einer Regulierung.

Insgesamt besteht der glykolytische Weg aus 10 enzymkatalysierten Schritten. Der Haupteingang in diesen Stoffwechselweg ist ein einzelnes Glukosemolekül, obwohl wir entdecken werden, dass Moleküle in verschiedenen Schritten in diesen Stoffwechselweg ein- und ausströmen können. Wir werden unsere Aufmerksamkeit auf (1) die Konsequenzen des Gesamtprozesses richten, (2) mehrere Schlüsselreaktionen, die wichtige Arten der Biochemie und biochemische Prinzipien hervorheben, die wir auf andere Zusammenhänge übertragen wollen, und (3) alternative Schicksale der Zwischenprodukte und Produkte von dieser Weg.

Beachten Sie als Referenz, dass die Glykolyse eine anaerob Prozess wird bei der Glykolyse kein molekularer Sauerstoff benötigt (Sauerstoffgas ist kein Reaktant bei einer der chemischen Reaktionen bei der Glykolyse). Die Glykolyse erfolgt in der Zytosol oder Zytoplasma von Zellen. Für ein kurzes (3-minütiges) YouTube-Übersichtsvideo zur Glykolyse klicken Sie hier.

Erste Hälfte der Glykolyse: Energieinvestitionsphase

Die ersten Schritte der Glykolyse werden typischerweise als "Energieinvestitionsphase" des Stoffwechselweges bezeichnet. Dies macht jedoch keinen intuitiven Sinn (im Rahmen einer Design-Herausforderung ist nicht klar, welches Problem diese Energieinvestition löst), wenn man die Glykolyse nur als einen "energieerzeugenden" Weg betrachtet und bis diese Schritte der Glykolyse abgeschlossen sind in einen breiteren metabolischen Kontext gestellt. Wir werden versuchen, diese Geschichte im Laufe der Zeit aufzubauen. Denken Sie also vorerst daran, dass wir erwähnt haben, dass einige der ersten Schritte oft mit Energieinvestitionen und Ideen wie "Trapping" und "Engagement" verbunden sind, die in der folgenden Abbildung aufgeführt sind.

Schritt 1 der Glykolyse:

Der unten gezeigte erste Schritt der Glykolyse wird durch Hexokinase (Enzym 1 in der Abbildung unten) katalysiert, ein Enzym mit breiter Spezifität, das die Phosphorylierung von Zuckern mit sechs Kohlenstoffatomen katalysiert. Hexokinase katalysiert die Phosphorylierung von Glucose, wobei Glucose und ATP Substrate für die Reaktion sind, wobei ein Molekül Glucose-6-phosphat und ADP als Produkte produziert werden.

Die erste Hälfte der Glykolyse wird als Energieinvestitionsphase bezeichnet. In dieser Phase verbraucht die Zelle zwei ATP für die Reaktionen. Facciotti (Originalwerk)

Diskussionsvorschlag

Der obige Absatz besagt, dass das Enzym Hexokinase eine "breite Spezifität" besitzt. Dies bedeutet, dass es Reaktionen mit verschiedenen Zuckern katalysieren kann – nicht nur Glukose. Können Sie aus molekularer Sicht erklären, warum dies der Fall sein könnte? Stellt dies Ihre Vorstellung von Enzymspezifität in Frage? Wenn Sie den Begriff "Enzym-Promiskuität" googeln (keine Sorge, es ist sicher für die Arbeit), gibt Ihnen dies eine breitere Einschätzung der Enzymselektivität und -aktivität?

Die Umwandlung von Glukose in das negativ geladene Glukose-6-Phosphat verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die phosphorylierte Glukose die Zelle durch Diffusion durch das hydrophobe Innere der Plasmamembran verlässt, signifikant. Es "markiert" die Glukose auch auf eine Weise, die sie effektiv für verschiedene mögliche Schicksale markiert (siehe Abbildung unten).

Beachten Sie, dass diese Zahl anzeigt, dass Glucose-6-Phosphat in Abhängigkeit von den zellulären Bedingungen auf mehrere Schicksale gelenkt werden kann. Als Bestandteil des glykolytischen Stoffwechselwegs ist es nicht nur an der Glykolyse beteiligt, sondern auch an der Speicherung von Energie als Glykogen (CYAN) und am Aufbau verschiedener anderer Moleküle wie Nukleotiden (RED).
Quelle: Marc T. Facciotti (Originalwerk)

Wie die obige Abbildung zeigt, ist die Glykolyse nur ein mögliches Schicksal von Glucose-6-Phosphat (G6P). Abhängig von den zellulären Bedingungen kann G6P zur Biosynthese von Glykogen (einer Form der Energiespeicherung) oder zur Biosynthese verschiedener Biomoleküle, einschließlich Nukleotiden, in den Pentosephosphatweg umgeleitet werden. Dies bedeutet, dass G6P, obwohl es am glykolytischen Weg beteiligt ist, in dieser Phase nicht nur für die Oxidation markiert ist. Vielleicht hilft das Aufzeigen des breiteren Kontexts, in dem dieses Molekül beteiligt ist (zusätzlich zu der Begründung, dass das Markieren von Glukose mit einem Phosphat die Wahrscheinlichkeit verringert, dass es die Zelle verlässt), den scheinbar Widersprüchlichen zu erklären (wenn man Glykolyse nur als Herstellungsprozess) Grund für die Energieübertragung von ATP auf Glukose, wenn diese erst später oxidiert werden soll - d.

Schritt 2 der Glykolyse:

Im zweiten Schritt der Glykolyse wird ein Isomerase katalysiert die Umwandlung von Glucose-6-Phosphat in eines seiner Isomere, Fructose-6-Phosphat. Ein Isomerase ist ein Enzym, das die Umwandlung eines Moleküls in eines seiner Isomere katalysiert.

Schritt 3 der Glykolyse:

Der dritte Schritt der Glykolyse ist die Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat, katalysiert durch das Enzym Phosphofructokinase. Ein zweites ATP-Molekül spendet ein Phosphat an Fructose-6-Phosphat und produziert Fructose-1,6-bisPhosphat und ADP als Produkte. Bei diesem Stoffwechselweg ist Phosphofructokinase ein geschwindigkeitsbestimmendes Enzym und seine Aktivität wird streng reguliert. es ist allosterisch durch AMP aktiviert, wenn die AMP-Konzentration hoch ist und durch ATP an derselben Stelle mäßig allosterisch gehemmt wird. Citrat – eine Verbindung, über die wir bald sprechen werden – wirkt auch negativ allosterisch Regulator dieses Enzyms. Auf diese Weise überwacht oder erfasst die Phosphofructokinase molekulare Indikatoren für den Energiestatus der Zellen und kann als Reaktion darauf als Schalter fungieren, der den Substratfluss durch den restlichen Stoffwechselweg ein- oder ausschaltet, je nachdem, ob „ausreichend“ ATP vorhanden ist relativ im System. Die Umwandlung von Fructose-6-Phosphat in Fructose-1,6-Bisphosphat wird manchmal als Verpflichtungsschritt der Zelle zur Oxidation des Moleküls im Rest des glykolytischen Weges bezeichnet, indem sie ein Substrat für die Zelle bildet und dabei hilft, sie energetisch anzutreiben nächsten hoch endergonischen (unter Standardbedingungen) Schritt des Stoffwechselweges.

Diskussionsvorschlag

Wir diskutierten die allosterische Regulation eines Enzyms in früheren Modulen, taten dies jedoch in einem Kontext, in dem das Enzym "allein" war. Betrachten wir nun das Enzym im Zusammenhang mit einem erweiterten Stoffwechselweg(en). Können Sie jetzt ausdrücken, warum die allosterische Regulation funktionell wichtig ist und wie sie verwendet werden kann, um den Fluss von Verbindungen durch einen Stoffwechselweg zu regulieren? Versuchen Sie, sich auszudrücken.

Schritt 4 von Glykolyse:

Im vierten Schritt der Glykolyse spaltet ein Enzym, Fructose-Bisphosphat-Aldolase, 1,6-Bisphosphat in zwei Drei-Kohlenstoff-Isomere: Dihydroxyaceton-Phosphat und Glyceraldehyd-3-Phosphat.

Zweite Hälfte: Energieauszahlungsphase

Ohne andere Stoffwechselwege betrachtet, hat die Glykolyse die Zelle bisher zwei ATP-Moleküle gekostet und zwei kleine Zuckermoleküle mit drei Kohlenstoffatomen produziert: Dihydroxyaceton-Phosphat (DAP) und Glyceraldehyd-3-Phosphat (G3P). In einem breiteren Kontext betrachtet, scheint diese Investition von Energie zur Herstellung einer Vielzahl von Molekülen, die auf einer Vielzahl anderer Wege verwendet werden können, keine so schlechte Investition zu sein.

Sowohl DAP als auch G3P können die zweite Hälfte der Glykolyse durchlaufen. Wir untersuchen nun diese Reaktionen.

Die zweite Hälfte der Glykolyse wird als Energieauszahlungsphase bezeichnet. In dieser Phase nimmt die Zelle zwei ATP- und 2 NADH-Verbindungen auf. Am Ende dieser Phase ist Glucose teilweise zu Pyruvat oxidiert. Facciotti (Originalwerk).

Schritt 5 der Glykolyse:

Im fünften Schritt der Glykolyse wandelt eine Isomerase das Dihydroxyaceton-Phosphat in sein Isomer Glyceraldehyd-3-Phosphat um. Die 6-Kohlenstoff-Glukose wurde daher nun in zwei phosphorylierte 3-Kohlenstoff-Moleküle von G3P umgewandelt.

Schritt 6 der Glykolyse:

Der sechste Schritt ist der Schlüssel und einer, von dem aus jetzt unser Verständnis der verschiedenen Arten chemischer Reaktionen, die wir bisher untersucht haben, genutzt werden kann. Wenn Sie energieorientiert sind, ist dies schließlich ein Schritt der Glykolyse, bei dem ein Teil des reduzierten Zuckers oxidiert wird. Die Reaktion wird durch das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert. Dieses Enzym katalysiert eine mehrstufige Reaktion zwischen drei Substraten, Glyceraldehyd-3-phosphat, dem Cofaktor NAD+, und anorganisches Phosphat (Pich) und produziert drei Produkte 1,3-Bisphosphoglycerat, NADH und H+. Man kann sich diese Reaktion als zwei Reaktionen vorstellen: (1) eine Oxidation/Reduktion und (2) eine Kondensationsreaktion, bei der ein anorganisches Phosphat auf ein Molekül übertragen wird. In diesem speziellen Fall ist die Redoxreaktion (ein Elektronentransfer von G3P auf NAD+ exergonisch ist und die Phosphatübertragung zufällig endergonisch ist. Das Netz Standard die freie Energieänderung schwebt um Null - dazu später mehr. Das Enzym, hier fungiert als molekulares Kupplung Mittel, um die Energetik der exergonischen Reaktion an die der endergonischen Reaktion zu koppeln und so beide voranzutreiben. Dieser Prozess läuft über einen mehrstufigen Mechanismus im aktiven Zentrum des Enzyms ab, an dem die chemische Aktivität einer Vielzahl funktioneller Gruppen beteiligt ist.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Reaktion von der Verfügbarkeit der oxidierten Form des Elektronenträgers NAD . abhängt+. Wenn wir bedenken, dass es einen limitierenden Pool von NAD . gibt+ wir können daraus schließen, dass die reduzierte Form des Trägers (NADH) kontinuierlich zu NAD . zurückoxidiert werden muss+ um diesen Schritt fortzusetzen. Wenn NAD+ nicht verfügbar ist, verlangsamt sich die zweite Hälfte der Glykolyse oder stoppt.

Schritt 7 der Glykolyse:

Der siebte Schritt der Glykolyse, katalysiert durch Phosphoglyceratkinase (ein Enzym, das nach der Umkehrreaktion benannt ist), überträgt 1,3-Bisphosphoglycerat ein Phosphat auf ADP, wodurch ein Molekül ATP und ein Molekül 3-Phosphoglycerat gebildet werden. Diese Reaktion ist exergonisch und ist auch ein Beispiel für eine Phosphorylierung auf Substratebene.

Hinweis: Mögliche Diskussion:

Wenn eine Übertragung eines Phosphats von 1,3-BPG auf ADP exergonisch ist, was sagt das über die freie Hydrolyseenergie des Phosphats von 1,3-BPG im Vergleich zur freien Hydrolyseenergie des terminalen Phosphats auf ATP . aus? ?

Schritt 8 der Glykolyse:

Im achten Schritt wandert die verbleibende Phosphatgruppe in 3-Phosphoglycerat vom dritten Kohlenstoff zum zweiten Kohlenstoff, wodurch 2-Phosphoglycerat (ein Isomer von 3-Phosphoglycerat) entsteht. Das Enzym, das diesen Schritt katalysiert, ist eine Mutase (Isomerase).

Schritt 9 der Glykolyse:

Enolase katalysiert den neunten Schritt. Dieses Enzym bewirkt, dass 2-Phosphoglycerat Wasser aus seiner Struktur verliert; Dies ist eine Dehydratisierungsreaktion, die zur Bildung einer Doppelbindung führt, die die potentielle Energie in der verbleibenden Phosphatbindung erhöht und Phosphoenolpyruvat (PEP) produziert.

Schritt 10 der Glykolyse:

Der letzte Schritt der Glykolyse wird durch das Enzym Pyruvatkinase (das Enzym ist in diesem Fall nach der Umkehrreaktion der Umwandlung von Pyruvat in PEP benannt) katalysiert und führt zur Produktion eines zweiten ATP-Moleküls durch Phosphorylierung auf Substratebene und der Verbindung Brenztraubensäure (oder seine Salzform Pyruvat). Viele Enzyme in enzymatischen Stoffwechselwegen werden nach den Umkehrreaktionen benannt, da das Enzym sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsreaktionen katalysieren kann (diese wurden möglicherweise ursprünglich durch die in vitro unter unphysiologischen Bedingungen ablaufende Rückwärtsreaktion beschrieben).

Ergebnisse der Glykolyse

Ein paar Dinge zu beachten:

Eines der klaren Ergebnisse der Glykolyse ist die Biosynthese von Verbindungen, die in eine Vielzahl von Stoffwechselwegen eintreten können. Ebenso können Verbindungen aus anderen Stoffwechselwegen an verschiedenen Stellen in die Glykolyse einfließen. Dieser Weg kann also Teil eines zentralen Austauschs für den Kohlenstofffluss innerhalb der Zelle sein.

Wenn die Glykolyse lange genug läuft, wird die ständige Oxidation von Glukose mit NAD+ kann die Zelle mit einem Problem verlassen; wie man NAD . regeneriert+ aus den 2 produzierten Molekülen NADH. Wenn die NAD+ nicht regeneriert wird, wird das gesamte NAD der Zelle fast vollständig in NADH umgewandelt. Wie regenerieren Zellen NAD .?+

Pyruvat wird nicht vollständig oxidiert, es muss noch Energie entzogen werden – wie kann das passieren? Und was soll die Zelle mit all dem NADH machen? Gibt es dort Energie zu extrahieren?

Notiz: Dringend empfohlene Diskussion/Übung:

Können Sie eine Energiegeschichte für den Gesamtprozess der Glykolyse schreiben? Bei Energiebegriffen müssen Sie sich nur darum kümmern, die Dinge dahingehend zu beschreiben, ob sie exergonisch oder endergonisch sind. Wenn ich Gesamtprozess sage, meine ich den Gesamtprozess: Glukose sollte in den Reaktanten und Pyruvat auf der Produktseite des Pfeils aufgeführt sein.

Phosphorylierung auf Substratebene (SLP)

Der einfachste Weg zur Synthese von ATP ist die Phosphorylierung auf Substratebene. ATP-Moleküle werden als direktes Ergebnis einer chemischen Reaktion erzeugt (d. h. aus ADP regeneriert), die in katabolen Stoffwechselwegen stattfindet. Eine Phosphatgruppe wird von einem Zwischenreaktanten im Reaktionsweg entfernt, und die freie Energie der Reaktion wird verwendet, um das dritte Phosphat an ein verfügbares ADP-Molekül zu addieren, wodurch ATP entsteht. Diese sehr direkte Methode der Phosphorylierung heißt Phosphorylierung auf Substratebene. Es kann in einer Vielzahl von katabolen Reaktionen gefunden werden, vor allem in zwei spezifischen Reaktionen der Glykolyse (auf die wir später noch eingehen werden). Es genügt zu sagen, dass ein hochenergetisches Zwischenprodukt benötigt wird, dessen Oxidation ausreicht, um die Synthese von ATP voranzutreiben.

Substratphosphorylierung in der Glykolyse. Hier ist ein Beispiel für die Phosphorylierung auf Substratebene, die bei der Glykolyse auftritt. Eine direkte Übertragung einer Phosphatgruppe von der Kohlenstoffverbindung auf ADP, um ATP zu bilden. Facciotti (eigene Arbeit)

Bei dieser Reaktion sind die Reaktanten eine phosphorylierte Kohlenstoffverbindung namens G3P (aus Reaktion 6 der Glykolyse), ein ADP-Molekül und die Produkte sind 1,3-BPG und ATP. Die Übertragung des Phosphats von G3P auf ADP zur Bildung von ATP im aktiven Zentrum des Enzyms ist Phosphorylierung auf Substratebene. Dies geschieht zweimal bei der Glykolyse und einmal im TCA-Zyklus (für eine nachfolgende Ablesung).


Biologie, BS - Klassen 7-12 Life Science Education Concentration

Das College of Science and Engineering engagiert sich für die Unterstützung von Studenten, die auf allen Ebenen Naturwissenschaften, Mathematik und Technik ausbilden möchten. Das Programm Wissenschaft, Mathematik und Technologiebildung (SMTE) bietet Inhaltskurse für Schüler, die K-12-Wissenschafts-, Mathematik- und Technologieausbildung suchen. SMTE-Kurse sind auch ein wesentlicher Bestandteil der Kursarbeit für Abschlüsse, die Studenten auf die Lehrerzertifizierung vorbereiten. Das SMTE-Programm bietet keinen Abschluss an, sondern Abschlüsse, die zur Lehrerzertifizierung führen, werden von anderen naturwissenschaftlichen und technischen Studiengängen und vom College of Education and Human Development angeboten. Schüler, die an den Grund- und Sekundarschulen von Texas unterrichten möchten, müssen sowohl die Abschluss- als auch die Zertifizierungsanforderungen erfüllen. Die Anforderungen und das Verfahren, um in Texas ein Lehrer für Naturwissenschaften, Mathematik oder Technologie zu werden, sind unten aufgeführt. Studenten, die ihren Abschluss am College of Science & Engineering oder am College of Liberal Arts machen und vor ihrem Abschluss eine erste Lehrerzertifizierung auf den Stufen 4-8, 7-12 und EC-12 anstreben, qualifizieren sich automatisch für das Minor in Education.

So werden Sie Lehrer für Naturwissenschaften, Mathematik oder Technologie in Texas

Um an dieser Universität für das Lehramtsstudium empfohlen zu werden, muss ein Kandidat drei Grundvoraussetzungen erfüllen:

  1. einen Bachelor-Abschluss einer anerkannten Hochschule oder Universität mit akademischem Hauptfach und Lehramtsstudiengängen haben,
  2. eine Lehrerausbildung durch ein anerkanntes Programm abschließen und
  3. die entsprechenden Lehramtsprüfungen für das Fach und die Klassenstufe, die der Kandidat unterrichten möchte, erfolgreich abschließen.

Weitere Informationen zu den Voraussetzungen, um Lehrer in Texas zu werden, finden Sie auf der Website des State Board of Educator Certification (SBEC): http://www.sbec.state.tx.us/SBECOnline/certinfo/becometeacher.asp. Diese Website bietet auch Informationen zu den verfügbaren Ressourcen, um Schülern bei der Bezahlung eines Lehrerausbildungsprogramms zu helfen.

SBEC hat drei Stufen der Lehrerzertifizierung für reguläre Lehrer genehmigt:

  1. Frühe Kindheit bis zur 6. Klasse, die Grundlagenfächer und Bereicherungsbereiche wie Kunst, Sport und Musik umfasst,
  2. Klasse 4-8, die nur die Fundamentbereiche umfasst, und
  3. Zertifikat der Klassen 7-12.

Informationen zu den verschiedenen Zertifizierungen finden Studierende auf der offiziellen Texas Examinations of Educator Standards (TExES)-Website: http://www.texes.ets.org. Die Texas A&M University-Corpus Christi bietet mehrere Abschlüsse an, die zu einer Reihe dieser Lehrerzertifizierungen führen. Das College of Education and Human Development bietet mehrere Abschlüsse an, die zu einer Lehrerzertifizierung führen. Das College of Science and Engineering bietet Bachelor-Abschlüsse an, die zur Lehrerzertifizierung in Naturwissenschaften, Mathematik und Technologie auf den Stufen 4-8 und 7-12 führen:

  • Biologie, BS - Klassen 7-12 Life Science Education Concentration (120-122 Sem. Std.) Details folgen gleich weiter unten. (126-128 Sem. Std.) (125-130 Sem. Std.) (Hochschule für Bildung und menschliche Entwicklung) (120 Sem. Std.)

Die Lehrerzertifizierung Mathematik 7-12 ist auch mit einem anderen Grundstudium als Mathematik möglich. Details finden Sie in der Rubrik Mathematik, Klassen 7-12 Lehrerzertifizierung ohne Hauptfach Mathematik.

Die einzelnen Studiengänge Biologie, Chemie, Umweltwissenschaften und Mathematik bieten diese Abschlüsse und Studiengänge an.

Schülern, die eine Lehrerzertifizierung anstreben, wird außerdem dringend empfohlen, sich bezüglich der aktuellen Anforderungen und Verfahren, die erfüllt sein müssen, um das Zertifikat zu erhalten, an den Zertifizierungsbeauftragten des College of Education and Human Development zu wenden. Insbesondere Studenten, die einen Studienplan verfolgen, der zur Lehrerzertifizierung führt, müssen zum Lehrerausbildungsprogramm der Texas A&M University-Corpus Christi zugelassen werden frühere zur Einschreibung in EDCI- oder EDUC-Kurse der Stufe 4000. Antragsformulare für die Zulassung zum Lehramtsstudium sind beim Bachelor- bzw. Zertifizierungsamt, Raum FC 201, erhältlich. Für weitere Informationen zum Lehramtsstudium werden die Studierenden auf den Abschnitt Hochschule für Pädagogik und Personalentwicklung dieses Kataloges verwiesen.

Notendurchschnitt für die Zulassung zur Lehrerausbildung

Ein Mindestnotendurchschnitt von 2,75 (4,0 = A) in allen versuchten Arbeiten, ein Mindestnotendurchschnitt von 2,75 in allen naturwissenschaftlichen, mathematischen oder Spezialisierungsbereichen und keine Note unter „C“ in einem naturwissenschaftlichen oder mathematischen Kurs eines Schülers Studienplan und/oder Lehrveranstaltungen innerhalb des berufsbildenden Studienblocks sind erforderlich. (Weitere Voraussetzungen finden Sie unter Hochschule für Pädagogik und Humanentwicklung, „Zulassung zur Lehrerausbildung“ und „Zulassung zur klinischen Lehre“.)

Änderung eines Zertifizierungsplans

Jede Änderung eines ursprünglich eingereichten Studienplans bedarf der Genehmigung durch den Studienberater des Studierenden, den Lehrstuhlinhaber, den Dekan der Hochschule für Naturwissenschaften und die Ingenieurwissenschaften und den Zertifizierungsbeauftragten der Hochschule für Pädagogik und Personalentwicklung für den zu verleihenden Abschluss.


Vorlesung 12: Genetik 1 – Zellteilung und Segregation von genetischem Material

In dieser ersten Vorlesung über Genetik spricht Professor Martin über den Informationsfluss zwischen Zellen, etwa von Elternzellen zu Tochterzellen. Er spricht auch über den Informationsfluss von einer Generation zur nächsten und schließt den Vortrag mit einer Demo ab.

Lehrer: Adam Martin

Vorlesung 1: Willkommen Introdu.

Vorlesung 2: Chemische Bindung.

Vorlesung 3: Strukturen von Am.

Vorlesung 4: Enzyme und Meta.

Vorlesung 5: Kohlenhydrate an.

Vorlesung 9: Chromatin-Remode.

Vorlesung 11:Zellen, Die Simpl.

Vorlesung 16: Rekombinante DNA.

Vorlesung 17: Genome und DNA.

Vorlesung 18: SNPs und Mensch .

Vorlesung 19: Zellverkehr.

Vorlesung 20: Zellsignalisierung .

Vorlesung 21: Zellsignalisierung .

Vorlesung 22: Neuronen, Aktion.

Vorlesung 23: Zellzyklus und .

Vorlesung 24: Stammzellen, Apo.

Vorlesung 27: Visualisierung des Lebens.

Vorlesung 28: Visualisierung des Lebens.

Vorlesung 29: Zellbildgebung Te.

Vorlesung 32: Infektionskrankheit.

Vorlesung 33: Bakterien und An.

Vorlesung 34: Viren und Ameisen.

Vorlesung 35: Reproduktive Kl.

ADAM MARTIN: Nun, zunächst einmal eine schöne Arbeit bei der Prüfung. Wir waren sehr zufrieden mit Ihrer Leistung. Von nun an hat Professor Imperiali Ihnen im Kurs über den Informationsfluss erzählt, aber den Informationsfluss in sich selbst, also den Informationsfluss von der DNA zu den Proteinen, die in der Zelle hergestellt werden, was bestimmt, was diese Zelle tut. Und so werden wir heute die Richtung wechseln. Und wir werden beginnen, darüber zu sprechen, wie Informationen zwischen Zellen fließen – also von einer Elternzelle zu ihren Tochterzellen. Und wir werden auch darüber sprechen, wie Informationen von Generation zu Generation fließen.

Und das ist natürlich das Studium der Genetik. Und was Genetik als Disziplin ist, ist das Studium der Gene und ihrer Vererbung. Und die Gene, die Sie erben, beeinflussen Ihren Phänotyp. Und der Phänotyp ist einfach die Reihe von Merkmalen, die Sie definieren. Sie können es sich also als eine Reihe von beobachtbaren Merkmalen vorstellen.

Und das betrifft Ihre Gene, wie Sie wahrscheinlich wissen. Ich meine, gerade heute Morgen habe ich meinen Sohn zur Schule gebracht und er hat verglichen, wie groß er im Vergleich zu seinen Klassenkameraden ist. Und als er hineinging, sagte er, danke für die Gene, Dad. Ich gehe also davon aus, dass viele von Ihnen mit dem, was wir besprechen werden, vertraut sein werden, aber wir werden eine wirklich solide Grundlage legen, denn sie ist wirklich grundlegend für das Verständnis der Vererbungsregeln und ihrer Funktionsweise.

Genetik ist also das Studium der Gene. Was ist also ein Gen? Sie können auf unterschiedliche Weise über Gene nachdenken. Und worüber wir bisher gesprochen haben, wir haben über Molekularbiologie gesprochen und das sogenannte zentrale Dogma. Und das zentrale Dogma besagt, dass die Quelle des Codes in der DNA liegt. Und es gibt einen Informationsfluss von einem Stück DNA, das ein Gen ist. Und das Gen ist ein Stück DNA, das dann eine Art RNA kodiert, beispielsweise eine Boten-RNA. Und viele dieser RNAs können spezifische Proteine ​​​​bilden, die in Ihren Zellen in Ihrem Körper Dinge tun. Das ist also ein sehr molekulares Bild eines Gens.

Sie können sich ein Gen als eine Reihe von Nukleotiden vorstellen. Und in diesen Nukleotiden könnte ein Leserahmen sein, der ein Protein kodiert. Das ist also ein sehr molekulares Bild eines Gens. Das Gebiet der Genetik begann lange bevor wir über DNA und ihre Bedeutung Bescheid wussten und was die DNA kodierte RNA die Proteine ​​kodierte. Das Konzept eines Gens ist also viel älter.

Man kann sich ein Gen auch anders vorstellen, als dass es im Wesentlichen die funktionelle Einheit der Vererbung ist. Es ist also die funktionale Einheit der Vererbung. Ich werde das aufpolieren. Deshalb möchte ich kurz innehalten und Ihnen einen Überblick geben, warum ich denke, dass Genetik so wichtig ist.

Was Sie hier oben gesehen haben, ist eine Zellteilung. Und das habe ich Ihnen in der letzten Vorlesung gezeigt – Sie haben die Chromosomen, die hier sind, gesehen, wie sie auf verschiedene Töchter aufgeteilt sind. Und das ist – im Grunde sehen Sie den Informationsfluss von der Elternzelle in die Tochter selbst. Aber wir haben das gesehen, also überspringe ich einfach weiter.

Warum ist das so wichtig? Ich werde Ihnen eine ziemlich grandiose Vorstellung davon geben, warum Genetik so wichtig ist. Und ich werde sagen, dass wir ein gutes Argument dafür vorbringen können, dass die Genetik für den Aufstieg der modernen Zivilisation verantwortlich ist. Der Mensch als Spezies begann, Gene und Genetik zu manipulieren, noch bevor wir überhaupt verstanden hatten, was vor sich ging. Dies ist also eher eine unbewusste Auswahl.

Und so waren die Menschen vor 10.000 Jahren Jäger und Sammler. Sie gingen hinaus und versuchten, Nüsse und Samen zu finden und Tiere zu jagen. Und so haben wir unser Essen bekommen. Aber vor rund 10.000 Jahren war das erste Beispiel dafür, dass der Mensch als Spezies in diesem Fall den Phänotyp einer Pflanze wirklich verändert hat. So entwickeln sich bei Wildweizen und Wildgerste die Samen in einer Schote. Und die Biologie des Wildweizens ist so, dass die Schote zerbricht und sich die Samen dann auf dem Boden ausbreiten, wo sie dann zu neuen Pflanzen keimen können.

Aber vor 10.000 Jahren entschieden die Menschen, dass es idealer wäre, wenn wir eine Form von Weizen hätten, die nicht splittert, die als nicht splitternder Weizen bekannt ist, bei der die Samen an der Pflanze verbleiben. Und das ermöglicht eine problemlose Ernte am Ende der Saison. Vor 10.000 Jahren ist also eines der ersten Beispiele, in denen Menschen den Phänotyp einer Pflanze wirklich genetisch verändert haben. Und sie wählten diesen unverwüstlichen Weizen aus, der dann den Aufstieg der Landwirtschaft ermöglichte.

Neben Weizen haben wir auch - vor etwa 4.000 Jahren kamen domestizierte Früchte und Nüsse auf. Hier sind also einige Mandeln. Wenn Sie eine Mandel möchten, können Sie gerne welche haben. Ihr wollt Mandeln? Nein. Wenn Sie eine Nussallergie haben, essen Sie sie nicht. Groß.

Wenn Sie also wilde Mandeln kauen, gibt es eine enzymatische Reaktion, die zur Bildung von Zyanid führt. Rachel hat einfach aufgehört zu kauen. Mach dir keine Sorge. Dies sind Mandeln, die bei Trader Joe's geerntet werden, damit Sie sicher sind. Und so waren die wilden Mandeln offensichtlich nicht für den Verzehr geeignet. Aber vor 4000 Jahren wählte der Mensch wieder eine Form der Mandel, die nur ein einziges Gen umfasste, die nicht bitter war und als süße Mandel bekannt war, die auch nicht giftig war.

Das gilt also nicht nur für Lebensmittel, sondern auch für Kleidung. Also haben sich die Menschen für Baumwolle mit langen Flusen entschieden. Und das diente als Grundlage für Kleidung und ermöglichte uns, Stoff zu haben. Und ich möchte nur mit einer kleinen Geschichte über die Mandel schließen, die Teil der archäologischen Beweise für die Domestikation von Mandeln ist, als das Grab von König Tut ausgegraben wurde. Und sie fanden einen Haufen Mandeln neben dem Grab, denn in der ägyptischen Kultur begruben sie die Toten mit Nahrung, um sie im Jenseits zu ernähren. Das gibt Ihnen nur eine Vorstellung davon, wie weit die Bedeutung der Genetik zurückreicht.

If we think about nowadays, right now you are always seeing genetics in the news. And you also have the opportunity yourself to sort of do your own genetic experiment. And so now you guys are undoubtedly aware of all these companies that want you to send them your DNA. And they also want you to send them money, such that they can give you information about your family tree and also information about your health.

So this is now a big business. But if you don't understand genetics, this is not as useful as it could be. So I'm just curious. How many people here have used one of these services and had their DNA genotyped? Cool. And do you think that really changed your view of who you are? Or was it kind of, eh?

AUDIENCE: We actually-- I don't know if we even looked at where we came from. We looked for genetic disease.

ADAM MARTIN: So you're looking for genetic disorders. And you don't have to tell me anything about that. Yeah, so I have not done this, but my dad has done it. And he will go find his relatives and bore them with our ancestry. So this is one example of how genetics is really in play today. And not everyone knows how this works. I've had people at Starbucks in the morning come up to me with their 23andMe profile and ask me to explain stuff, because they know who I am. It's a little awkward.

So we can also use genetics for forensics. And so this is kind of a-- I had a lab manager in the lab, and he told me that people were doing this in senior homes in Florida, which I thought was kind of funny. What I find hilarious about this is the mug shot of the dog. That dog looks so guilty. But you can use DNA to-- you can use DNA to genotype poop. You can genotype your neighbor's dog. You can get evidence that they're the one that's pooping on your lawn. So that's a not-so-serious example.

But there are more serious examples of where DNA genotyping is really having an effect in our society. And this is something I mentioned in the intro lecture. Just this past spring, someone was suspected as being the Golden State Killer. This is a cold case. The killings happened 40 years ago, but the break came from investigators getting DNA from the suspect's relatives to implicate this person in this crime. So they had DNA from the crime. And they saw that there were matches to the DNA at the crime to certain people. And then they can reconstruct who might be the person in the right place to commit the crime.

So this is-- I think this is interesting, because it also leads to all sorts of privacy issues, right? Who's going to gain access to your genotype if you submitted to these companies, right? I mean, this is probably a case where I'd argue there's probably a beneficial result in that you can actually figure out if someone's committed a crime. But there are other issues in terms of thinking about insurance companies where we might be interested in having our information not publicly available to insurance companies. And maybe this is something we can discuss later on in another lecture.

For today, I want to move on and go through really the fundamentals of genetics. And what I'm going to do is I'm going to start with the answer. OK? I'm going to present to you guys today the physical model for how inheritance happens. OK? So today, we're going to go over the physical model of inheritance.

And this physical model involves cell division, which you saw in the last lecture and also in my opening slide. It involves cell division and the physical segregation of the chromosomes during cell division. So also chromosome segregation.

OK, so this is how I'm going to represent chromosomes. And I just want to step you through what it all means. So I have these two arms that are attached to this central circle. The circle is meant to represent the centromere. So this is the centromere.

And you'll remember from the last lecture on Monday, the centromere is the piece of the chromosome that physically is attached to the microtubules that are going to pull the chromosomes to separate poles. OK? So that's called the centromere. And usually, it's denoted, it's like a constriction in the chromosome or a little circle. OK?

These other parts of the chromosome are the chromosome. So that you have the arms of the chromosome. Now I'm drawing what's known as a metacentric chromosome. It's not important that you know that term. But it just means that the centromere is in the middle of the chromosome. There are other types of chromosomes with the centromere might be at the end. OK? So there are different types of chromosomes.

All right, now, for all of us, we have cells that have different numbers of chromosomes. OK? Some of our cells are what is known as haploid. And what I mean by haploid is there is a single set of chromosomes. Now the cells that we have that are haploid are our gametes, so they're our eggs and our sperm cells. OK? So these include gametes.

OK, but most of the cells in your body are what is known as diploid. And diploid means there's two complete sets of chromosomes. OK, and you get one set from one parent, the other set from the other parent. OK? So one set from each parent.

OK, and I'll draw the other set like this. And what I'll do is I'll just shade in this one to denote that it's different. OK? So these two chromosomes then are what is known as homologous. They're homologous chromosomes. Homologous.

OK, and what I mean by them being homologous is that, basically, these two chromosomes have the same set of genes. OK, so they have the same genes. They have the same genes. But they have different variants of those genes. OK, so different variants of these genes. And these variants are referred to as alleles. OK? So if you have the same gene but they differ slightly in their nucleic acid sequence, then they're distinct alleles of those genes.

So often, the way geneticists refer to these different variants or alleles is we use a capital letter and a lower case letter. OK, so this chromosome over here might have a gene that's allele capital a. And then this homologous chromosome will have the same gene but a different allele, which I'll denote lowercase a. OK?

So in this case, big A and little a are different alleles of the same gene. They might produce a slightly different protein, which would result possibly in a different phenotype. OK? So everyone understand that distinction?

Oh, I want to make one point because this came up last semester and was one of those cases where I forgot the part about the head. So we often just have two alleles when we teach genetics. But I hope you can see that because a gene is a long sequence of DNA, there is a ton of different alleles you can have within a given gene. So one nucleotide difference in that gene would result in a different allele. OK? So we often refer to two alleles, but there can be more than two alleles for a given gene. OK? Does everyone see how that manifests itself? Okay, großartig. Any questions up until now? Yes, Carmen?

AUDIENCE: So when you say that there's more than one, more than just the two alleles, I don't have more than one on each chromosome. So they're just more than one--

ADAM MARTIN: In the population. So Carmen asked, well, can I have like five alleles of a gene? And that's a great question. And so thank you, Carmen, for asking that. What I mean is if we consider a population as a whole, right?

You have two alleles of each gene, unless it's a gene that somehow duplicated. And so when we're considering the population, there can be more than-- right? I mean, I see we have people with-- hair color is not a monogenic trait. But we have people with black hair, with blond hair, with brown hair, right? There is more than just two possible alleles with possible phenotypes. OK?

All right, let's go up with this. All right, now I want to start at the beginning. So most of our cells are diploid. And the origin of our first diploid cell is from the union of two gametes. OK? So I'm going to draw two gametes here. Each is one n.

And I'm just going to draw one set of chromosomes for this here. So we might have a male gamete and a female gamete. And what I'm referring to when I say n here, n is basically referring to the number of chromosomes per haploid genome. So when you have one n, it means you're haploid because you have only one set of haploid genome.

But early in your life, we're all the result of a fusion between a male and female gamete. And so that creates a diploid cell. OK, so now, this diploid zygote, so this is referred to as the zygote, is diploid and now has a set of homologous chromosomes. OK? So I'm only drawing one set of homologous chromosomes here.

So on the board, I'm going to stick to just one, so I don't have to draw them all out. In the slides, I have three. OK? So each of these represents a chromosome. These are different chromosomes. Different chromosomes are either different color or have a different centromere position. And then these down here that are colored are going to be the homologous chromosomes. OK? Do you see how I'm representing this?

OK, so once you have the zygote, right, so you guys are no longer one cell, right? You guys each are tens of trillions of cells. So this zygote cell had to reproduce itself, and your cells had to divide, so that you grew into an entire multicellular organism. I'll just quickly erase that.

OK, so when most of your cells divide, and most of your cells are known as somatic cells. When cells of your body or your intestine and your skin, when they divide, they genetically replicate themselves. And they're undergoing a type of cell division known as mitosis. OK?

In mitosis, it's essentially a cloning of a cell. Or ideally, it's the cloning of a cell. So you have a diploid cell. It has to undergo DNA replication . And when a chromosome undergoes DNA replication, it will, during mitosis look like this. OK?

And these two different arms or strands, they're known as sister chromatids. OK? So that's just another term you should know. These are sister chromatids. OK, and the sister chromatids, if DNA replication happens without any errors, should be exactly the same as each other in terms of nucleotide sequence. OK?

So after DNA replication, this cell will essentially have four times the amount of DNA as a haploid cell. And it will split into two cells. And again, they'll both be diploid. OK? And I'll just point out, if we're thinking about our pair of chromosomes here, right, this parent cell has both homologs. And the daughter cells, because they should be genetically identical, also have both homologs.

OK, so that's an example with just one chromosome. I'll take you through an example with these three chromosomes here-- all six chromosomes. So you have-- these are homologs. These are homologs. These are homologs. And during mitosis, all of these chromosomes initially are all over the nucleus.

But during mitosis, they will align along the equator of the cell and what is known as the metaphase plate. Metaphase is just a fancy term for one particular stage in the mitotic cycle. And then what will happen is the spindle will attach to either one side or the other side of these chromosomes.

And it will physically segregate them into different cells, OK? And what I hope you see here is that this has six chromosomes. This has six chromosomes. And these two daughter cells are genetically identical to the parent cell. OK, so this is known as an equational division, because it's totally equal. OK?

And again, the daughter cells are both diploid, OK? So that's mitosis. Any questions about mitosis? OK. Moving on, we're going to talk now about another type of cell. And these are your germ cells. And these germ cells undergo an alternative form of cell division known as meiosis, OK? And your germ cells-- germ cells produce your egg and sperm.

And so meiosis essentially is producing gametes, such as egg and sperm cells, OK? So what's the final product going to be? What should be the genomic content of the final product of meiosis? It should be one end, right? Who said that? Es tut uns leid. Yeah, exactly right. What's your name?

ADAM MARTIN: Jeremy. So Jeremy is exactly right. Rechts? The germ cells-- in order to reproduce sexually, they should be haploid cells, so that they can combine with another haploid to give rise to a diploid, OK? So the ultimate result that we want is to have cells that are one end.

But most of our cells to start out with are diploid, so they're two end, OK? So what's special about meiosis is you're not just going from two end to two end, but you're reducing the genetic content of the cells. You're going from two end to a one end content, OK?

So again, meiosis starts with DNA replication. But in this case, the first division, which is meiosis I, is not equal. And it actually segregates the homologs, such that you get one cell that has one of the homologs duplicated and another cell that has the other homolog duplicated. OK?

And I'll show this. I'll show it right now. So this is the same cell now. It's undergone DNA replication. As you can see, each chromosome has two copies. But instead of all the chromosomes lining up in the same position of the metaphase plate, what you see is that homologous chromosomes pair at the metaphase plate.

And what happens here is that the homologous chromosomes are separated-- two different cells. And now, you have two cells that are not genetically identical, OK? So because there is not equational and there's a reduction in the genetic material that's present in the cells, this is known as a reductional division, OK?

So that's meiosis I. And that's a reductional division. And then-- but this is not yet haploid. And so-- here, I'll just stick another one in here. These cells then undergo another round of division, which is known as meiosis II. And during this meiosis, these sister chromatids are separated, such that you're left with one chromosome.

And my drawing-- at least one chromosome per gamete, OK? So each of these, then, is 1n. OK? So again, you have the chromosomes. But this time, you have them aligned like in mitosis. They align. The sister chromatids are physically separated.

And now, you see this cell is genetically identical to this cell. And this cell here is genetically identical to this cell, OK? So that's meiosis II. And that's an equational division much more like mitosis, OK? Because the product of the division of those two cells-- each of those is equal, OK?

And finally, the result of meiosis II is that you're then left with gametes that have a haploid content of their genome. OK, I want to end lecture by doing a demonstration. Mal sehen. So this could either be amazing, or it will be a complete disaster. So we're totally going to do it. So everyone come up. Right here. Hier.

Evelyn, you can leave when you have to go. And we'll have a chromosome loss event. OK? It has to be a multiple of four. If we have extra people label, then the people can supervise. Go. Oops, sorry. Gut. What do we got here? Here you go, Bret, Andrew. Es tut uns leid. I hope I'm not hitting anybody.

ADAM MARTIN: What's that? Yeah, that's the advantage of these. Gut. Here you go, Myles. Mal sehen. Here you go. Es tut uns leid. Someone take this. Gut. What do we got here? Just got a little chromosome here.

ADAM MARTIN: Oops, sorry. Gut. Who doesn't have a chromosome? Everyone in the class has a chromosome? Gut. One of you want to come in here? Gut. We'll see how constrained we are in terms of space.

I've never been this ambitious and had this many chromosomes before, so I'm excited to see how this works. So you each have a Swim Noodle. They're different colors, so different colors represent different chromosomes. And then you also have Swim Noodles that have tape on them.

And these represent different alleles from your other chromosomes. So these two chromosomes would be homologs of each other, OK? Does that make sense? Okay, großartig. Gut. Now, the metaphase plate will be along the center of the room.

So let's first reenact mitosis. So why don't you guys find your sister chromatid and then sort of align in the middle of the room here? Sister or brother chromatid. How are we doing? Do we have enough space there? It's a little packed. You can see how the cell-- can you imagine how packed it is inside a cell?

OK, everyone found their sister chromatid. Normally, the sister chromatids-- they replicate and they get held together. So there's no finding of sister chromatids, but-- all right. Groß. So segregate and we'll see how you guys did. Gut. And the goal is that you guys would be genetically identical. So how-- OK, great.

That looks like one short red, one short red. OK, that's good. They look genetically identical to me. Gut. So that was my mitosis. Now, we're going to do meiosis. OK, why don't you guys align, like what would happen during meiosis I. OK, you guys can come back. Think about who you're going to pair with.

Gut. So what were you looking for when you were pairing? Who were you looking for?

AUDIENCE: Longest chromosome.

ADAM MARTIN: Your longest chromosome, right? Okay, großartig. Gut. Why don't you guys segregate? All right, so that was meiosis I. Meiosis I looks successful to me. And now, we have to undergo meiosis II. So maybe what we could do is you guys can rotate. And the metaphase spindle can be sort of in this orientation.

ADAM MARTIN: Yeah, that will-- we want a group over there, a group over there, a group here, a group here. And those will be our four gametes.

Gut. You guys set? Gut. Go.

OK, terrific. Everyone haploid? Looks like everyone is haploid, which is good. Rechts? So let's just take a minute and think about probability here. So what was the probability that a gamete would end up with this orange allele on the red chromosome?

ADAM MARTIN: Half, right? Because there are two, right? So these two gametes have that allele. These two should not, right? Okay, großartig. And we just had a chromosome loss, so that gamete is in trouble. But maybe we could get a TA to rescue this chromosome. Either one of you is fine. There you go, David.

Gut. That was great. Now, let's-- as you're doing this, you get a sense as to how things could get mixed up, right? And you think inside the cell, right? So I don't-- I've lost track of how many chromosomes. We have 1, 2, 3, 4, 5, 6, right? How many chromosomes do we have?

ADAM MARTIN: We are-- a haploid set for us is how many chromosomes?

ADAM MARTIN: 23. Exactly. Rechts? So it'd be even worse for a human cell to get this to go right. So why don't you guys line up in the mitosis configuration? And we'll consider some things that could go wrong. Gut. Who here is good friends with their sister or brother chromatid? Is anyone very good friends with their sister or brother chromatid?

ADAM MARTIN: Yeah. Someone become good friends and become inseparable, OK? Would someone volunteer to be inseparable? Okay, großartig. You guys are now inseparable, OK? Now, segregate. Okay, großartig. Now, what happened there?

ADAM MARTIN: Yeah, that's cell stole her. OK. So now, we have two-- a duplication of that chromosome. What's happened over here with this daughter cell?

AUDIENCE: It's missing a chromosome.

ADAM MARTIN: It's missing a chromosome, right?

ADAM MARTIN: So these are the types of mistakes that can be associated with a cell becoming cancerous, right? Because let's say there was a gene that suppresses growth on that chromosome. And it wasn't on that homolog. Then you might result in a genetic sort of mutant or loss of that gene that would result in uncontrolled proliferation.

Also, picking up the extra copies of genes that promote growth could allow that cell to have a proliferative advantage, OK? We're going to-- this is sort of foreshadowing what we're going to talk about later. But I just want to plant the seed now. OK. Why don't we go back and do meiosis?

OK. Now, anyone see any friends looking across the aisle now? Gut. Groß. You guys are now inseparable. Why don't you guys segregate, except the inseparable ones? Oh, but your sister chromatids still have to stay attached. There you go. Sehen? Groß. Rechts. So just like last time, this is known as a non-disjunction event where the chromosomes don't separate when they should, OK? Groß. Now, why don't you guys do meiosis II?

Gut. You can segregate. Gut. Now, you see these two gametes over here are lacking an entire orange chromosome. And these two gametes here have picked up an additional copy of an orange chromosome, OK?

So these two gametes are no longer haploid for the orange chromosome. And if one of these gametes were to fuse with a haploid gamete that has an orange chromosome, then now you have a zygote that has three copies of the orange chromosome, which is abnormal, OK?

So if that were chromosome 21 in humans, that would result in something that's called trisomy 21, which is down syndrome, OK? So you see how mistakes in how chromosomes segregate can result in human disease. OK. Why don't we give yourselves a hand? Gut gemacht.

OK, you can just throw the Pool Noodles on the side. And I just have one slide to show you where we're going next. [INAUDIBLE]

AUDIENCE: So I have a question.

AUDIENCE: When the homologous chromosomes split, can you share alleles? Are there alleles preserved in this portion?

ADAM MARTIN: You're asking if there's crossing over?

ADAM MARTIN: There is crossing over. Jawohl. And that will get its own entire lecture. Yes, good question. OK, so just to give you guys a preview of what's up next. So in the next lecture, we're going to talk about Mendel and Mendel's peas. And we'll talk about the laws of inheritance, OK?

And realize Mendel was way before DNA or what our knowledge of a gene was, OK? Next, we'll talk about fruit flies, and Thomas Hunt Morgan, and seminal work that led to the chromosome model of inheritance and also resulted in the concepts of linkage and also genetic maps.

OK, we're going to go-- well, just to sort of anchor yourself, the structure of DNA was published in 1953. So these seminal genetic studies up here were done before we knew about DNA. So geneticists were studying genes and their behavior well before we knew DNA was what was responsible.

And then we'll talk about sequencing and the sequencing revolution. We'll talk about cloning, and molecular biology, and how one might go from a human disease to a specific gene that causes it. And then, finally, we'll start talking about entire human genome and genome sequences. OK, so that's just a preview of where we're going, so have a great weekend.