Inligting

2020_Winter_Bis2A_Facciotti_Lesing_16 - Biologie

2020_Winter_Bis2A_Facciotti_Lesing_16 - Biologie


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.

Leerdoelwitte wat verband hou met 2020_Winter_Bis2A_Facciotti_Lecture_16

  • Skep 'n konsepkaart wat eksplisiet skakelal dievolgende kursusonderwerpe en die konsep van redokschemie: ensieme, termodinamika, gekoppelde reaksies, proteïenchemie en elektrontransport.
  • Verstaan ​​​​dat pigmentstruktuur lei tot sy vermoë om met lig te reageer.
  • Verduidelik waarom organismes verskillende pigmente kan gebruik afhangende van hul habitat.

'n Hipotese vir hoe ETC'e ontwikkel het

'n Voorgestelde skakel tussen SLP/fermentasie en die evolusie van ETC's:

In 'n vorige bespreking van energiemetabolisme het ons substraatvlakfosforilering (SLP) en fermentasiereaksies ondersoek. Terwyl SLP en fermentasie saam heeltemal goeie maniere is om energie te oes, is een byproduk van hierdie reaksies die versuring van die sel. Vroeë selle wat hierdie maniere van energie gebruik het, moes dusmede-ontwikkel meganismes wat gehelp het om protone wat van SLP opgehoopte is en fermentasie uit die sitosol (binnekant van die sel) te verwyder. Een oplossing vir die "protonprobleem" was moontlik die evolusie van die F0F1-ATPase, 'n multi-subeenheid ensiem wat protone van die binnekant van die sel na die buitekant van die sel getranslokeer het deur ATP te hidroliseer (sien die figuur hieronder). Hierdie reëling werk solank as wat klein gereduseerde organiese molekules volop is en vrylik beskikbaar is om ATP-blikkie te genereer deur SLP wat die besigheid van die sel kan "aanvuur". Soos hierdie biologiese prosesse egter voortduur, sal die klein gereduseerde organiese molekules uitgeput raak. Die gevolglike skaarste aan brandstof stel dus 'n eis op selle om alternatiewe meganismes te vind om energie te benut en/of om doeltreffender te word.

In die skema wat hierbo voorgestel is, is een potensiële bron van "vermorste ATP" die gebruik daarvan in die verwydering van protone uit die sel se sitosol; organismes wat ander meganismes kan vind om ophopende protone uit te dryf terwyl ATP steeds bewaar word, kan 'n selektiewe voordeel hê. Ons veronderstel dat hierdie selektiewe evolusionêre druk moontlik gelei het tot die evolusie van die eerste membraangebonde proteïene wat rooi/os-reaksies as hul energiebron (uitgebeeld in 'n tweede prentjie) gebruik het om die ophopende protone uit te pomp. Ensieme en ensiemkomplekse met hierdie eienskappe bestaan ​​vandag in die as elektrontransportkomplekse soos Kompleks I, die NADH-dehidrogenase.

Figuur 1. Voorgestelde evolusie van 'nATP afhanklikproton translokator

Figuur 2. Soos klein gereduseerde organiese molekules beperk word, kan organismes wat alternatiewe meganismes kan vind om protone uit die sitosol te verwyder'n aselektiefvoordeel. Die evolusie van 'n protontranslokatorwat rooi/os-reaksies eerder as ATP-hidrolise gebruik, kan die ATPase vervang.

Gaan voort met hierdie lyn van logika, as organismes ontwikkel het wat nou kan gebruikrooi/os-reaksies om protone oor die membraan te translokeer, sal 'n elektrochemiese gradiënt skep, wat beide lading (positief aan die buitekant en negatief aan die binnekant, wat 'n elektriese potensiaal skep) en pH (lae pH buite, hoër pH binne) skei. Met oormaat protone aan die buitekant van die selmembraan, en die F0F1-ATPase wat nie meer ATP verbruik om protone te translokeer nie, ons veronderstel dat die elektrochemiese gradiënt dan die F kan aandryf0F1-ATPase "agteruit" — dit wil sê om ATP te vorm of te produseer deur die energie te gebruik in die lading/pH-gradiënte wat deur die rooi/os-pompe opgestel is (soos hieronder uitgebeeld). Ons noem hierdie reëling 'n elektron vervoer ketting (ETC).

Figuur 3. Die evolusie van die ENS; die kombinasie van die rooi/os-aangedrewe protontranslokeerdersgekoppel aan die produksie van ATP deur die F0F1-ATPase.

LET WEL: Uitgebreide leeswerk oor die evolusie van elektronvervoerkettings

As jy belangstel indie dieevolusie van elektronvervoerkettings, kyk na hierdie meer in-diepte bespreking van die onderwerp by NCBI.


Moontlik NB Bespreking Punt

Dinitrofenol (DNP) is 'n klein chemikalie wat dien om die vloei van protone oor die binneste mitochondriale membraan na die ATP-sintase te ontkoppel, wat die membraan aan protone laat lek. Mense het dit tot 1938 as 'n gewigsverliesmiddel gebruik. Watter effek sou jy verwag om DNP te hê op die verskil in pH oor beide kante van die binneste mitochondriale membraan? Hoekom dink jy kan dit 'n effektiewe gewigsverliesmiddel wees? Hoekom kan dit gevaarlik wees? Kan jy aan enige scenario's dink waar dit nie-skadelik, of selfs voordelig, is om protonvloei met ATP-sintase te ontkoppel?


Lig energie en pigmente

LigEnergie

Die son straal 'n enorme hoeveelheid elektromagnetiese straling (sonenergie) uit wat oor 'n breë strook van die elektromagnetiese spektrum, die omvang van alle stralingsfrekwensies. Wanneer sonstraling die aarde bereik, is 'n fraksie van hierdie energie in wisselwerking met en kan dit oorgedra word na die materie op die planeet. Hierdie energie-oordrag lei tot 'n wye verskeidenheid verskillende verskynsels, van die beïnvloeding van weerpatrone tot die aandryf van talle biologiese prosesse. In BIS2A het onsis grootliks bekommerdmet laasgenoemde, en hieronder, bespreek ons ​​'n paar baie basiese konsepte wat verband hou met lig en die interaksie daarvan met biologie.

Eerstens,egterons moet 'n paar sleutel eienskappe van lig verfris:

  1. Lig in 'n vakuum beweeg teen 'n konstante spoed van 299,792,458m/s. Ons verkort dikwels die spoed van lig met die veranderlike "c".
  2. Lig het eienskappe van golwe. 'n Spesifieke "kleur" van lig het 'n kenmerkende golflengte.

Ons verwys na die afstand tussen pieke in 'n golf as die golflengte en verkort dit met die Griekse letter lambda (Ⲗ). Erkenning:Marc T. Facciotti (oorspronklike werk)

Die omgekeerde eweredigheid van frekwensie en golflengte. Golf 1 het 'n golflengte wat 2x dié van golf 2 is (Ⲗ1 > Ⲗ2). As die twee golwe teen dieselfde spoed beweeg (c)verbeel jou dat beide van die hele lyne watgesleep wordverby die vaste vertikale lyn teen dieselfde spoed—dan is die aantal kere wat 'n golfpiek 'n vaste punt verbygaan groter vir golf 2 as golf 1 (f2 > f1). Erkenning:Marc T. Facciotti (oorspronklike werk)

3. Laastens, elke frekwensie (of golflengte) van liggeassosieer wordmet 'n spesifieke energie. Ons sal energie noem "E". Die verhouding tussen frekwensie en energie is:

[E = h maal f]

waarhis 'n konstante wat die Planck-konstante genoem word (~6.626x10-34Joule•tweedewanneer frekwensieuitgedruk wordin siklusse per sekonde). Gegewe die verband tussen frekwensie en golflengte, kan jy ook E = skryfh*c/Ⲗ. Daarom, hoe groter die frekwensie (of korter die golflengte), hoe meer energiegeassosieer wordmet 'n spesifieke "kleur".Golf 2 in die figuur hierbo word geassosieermet groter energie as golf 1.

Die son straal energie uit in die vorm van elektromagnetiese straling. Alle elektromagnetiese straling, insluitend sigbare lig,word gekenmerkvolgens sy golflengte. Hoe langer die golflengte, hoe minder energie dra dit. Hoe korter die golflengte,hoe meer energie word geassosieermet daardie band van die elektromagnetiese spektrum.

Die Lig wat ons sien

Die sigbare lig wat deur mense as wit lig gesien word, is saamgestelvan 'n reënboog van kleure, elk met 'n kenmerkende golflengte. Sekere voorwerpe, soos 'n prisma of 'n druppel water, versprei wit lig om die kleure aan die menslike oog te openbaar. In die sigbare spektrum het violet en blou lig korter (hoër energie) golflengtes terwyl die oranje en rooi ligalanger (laer energie) golflengtes.

Die kleure van sigbare lig dra nie dieselfde hoeveelheid energie nie. Viooltjie het die kortste golflengte en dra dus die meeste energie, terwyl rooi die langste golflengte het en die minste hoeveelheid energie dra. Krediet: wysiging van werk deurNASA

Absorpsie deur pigmente

Die interaksie tussen lig en biologiese sisteme vind plaas deur middel van verskeie meganismes, waarvan jy sommige kan leer in hoër-afdeling kursusse in sellulêre fisiologie of biofisiese chemie. In BIS2A bemoei ons ons ons meestal met die interaksie tussen lig en biologiese pigmente. Hierdie interaksies kan 'n verskeidenheid lig-afhanklike biologiese prosesse begin wat kangrof gegroepeer wordin twee funksionele kategorieë: sellulêre sein en energie-oes. Seinmolekules neem veranderinge in die omgewing waar (in hierdie geval, veranderinge in lig). 'n Voorbeeld van 'n seininteraksie kan die interaksie tussen lig en die pigmente wat in 'n oog uitgedruk word, wees. Lig/pigment interaksies watbetrokke isin energie-oesword gebruikvir-nie verbasend- om die energie in die lig vas te vang en dit na die sel oor te dra om biologiese prosesse aan te wakker. Fotofosforilering, waaroor ons binnekort meer sal leer, is een voorbeeld van 'n energie-oes-interaksie.


Moontlik NB Bespreking Punt

Fotofosforilering is 'n proses wat 'n elektronvervoerketting behels wat organismes toelaat om energie uit lig te oes. Sommige van julle is dalk reeds vertroud met hierdie proses. Baie van julle leer vir die eerste keer hieroor. Gegewe jou huidige kennisbasis, bied jou beste verduideliking of hipotese oor hoe lig met die ENS in wisselwerking tree. Jy sal binnekort 'n kans hê om hierdie onderwerp te herbesoek.


In die middel van die biologiese interaksies met lig is groepe molekules wat ons organiese pigmente noem. Hetsy in die menslike retina, chloroplasttilakoïed, of mikrobiese membraan, organiese pigmente het dikwels spesifieke reekse van energie of golflengtes wat hulle kan absorbeer. Die sensitiwiteit van hierdie molekules vir verskillende golflengtes van lig is te danke aan hul unieke chemiese middelgrimeringen strukture. 'n Reeks van die elektromagnetiese spektrumis gegee'n paar vanspesiale name as gevolg van die sensitiwiteit van sommige belangrike biologiese pigmente: Die retinale pigment in ons oë, wanneer dit gepaard gaan met 'nopsinsensorproteïen, "sien" (absorbeer) lig hoofsaaklik tussen die golflengtes tussen 700 nm en 400 nm. Omdat hierdie reeks die fisiese grense van die elektromagnetiese spektrum definieer wat ons kaneintlikmet ons oë sien, verwys ons na hierdie golflengtereeks as die "sigbare reeks". Om soortgelyke redes, as plante pigmentmolekulesneig omabsorbeer golflengtes van lig meestal tussen 700 nm en 400 nm, plantfisioloë verwys na hierdie reeks golflengtes as "fotosintetiesaktiewe bestraling".

Drie sleuteltipes pigmente wat ons in BIS2A bespreek

Chlorofille

Chlorofille (insluitend bakteriochlorofille) is deel van 'n groot familie van pigmentmolekules. Daar is vyf hoofchlorofilpigmente wat genoem word: a,b, c, d, en f. Chlorofil ais verwantna 'n klas van meer antieke molekules gevind in bakterieë genoem bakteriochlorofille. Chlorofilleword struktureel gekenmerkdeurring-agtige porfiriengroep wat 'n metaalioon koördineer. Hierdie ringstruktuuris chemies verwantaan die struktuur van heemverbindings wat ook 'n metaal koördineer enbetrokke isin suurstofbinding en/of vervoer in baie organismes. Ons onderskei verskillende chlorofille van mekaar deur verskillende "versierings"/chemiese groepe op die porfirienring.

Die struktuur van heem en chlorofila molekules.Die algemeneporfirienring is gekleurin rooi. Erkenning:Marc T. Facciotti (oorspronklike werk)

Karotenoïede

Karotenoïede is die rooi/oranje/geel pigmente wat in die natuur voorkom. Hulleword gevindin vrugte - die rooi van tamatie (lycopeen), die geel van mieliesade (zeaxanthin), of die lemoen van 'n lemoenskil (β-karoteen) - wat as biologiese "advertensies" dien om saadverspreiders (diere of insekte wat sade elders kan dra) te lok. In fotosintese funksioneer karotenoïede as fotosintetiese pigmente. Daarbenewens, wanneer 'n blaaris blootgestelaanvolson, daardie oppervlakword benodigom 'n enorme hoeveelheid energie te verwerk; As daardie energieword nie bestuur niebehoorlik kan dit aansienlike skade aanrig. Daarom help baie karotenoïede om oortollige energie in lig te absorbeer en daardie energie veilig as hitte te versprei.

Flavonoïede

Flavonoïede is 'n baie breë klas verbindings watword gevindin groot diversiteit in plante. Hierdie molekules kom in baie vorme voor, maar almal deel 'n gemeenskaplike kernstruktuur wat hieronder getoon word. Die diversiteit van flavonoïede kom van die baie kombinasies van funksionele groepe wat die kernflavone kan "versier".

Die kern ring struktuur vanflavane.

Elke tipe pigment kan geïdentifiseer word deur die spesifieke patroon van golflengtes wat dit van sigbare lig absorbeer. Ons definieer hierdie eienskap as die pigment s'n absorpsiespektrum. Die grafiek in die figuur hieronder toon die absorpsiespektra vir chlorofil a,chlorofil b, en asoortkarotenoïed pigment genoemβ-karoteen (wat blou en groen lig absorbeer). Let op hoe elke pigment 'n duidelike stel pieke en dal het, wat 'n hoogs spesifieke patroon van absorpsie openbaar. Hierdie verskille in absorpsie is as gevolg van verskille in chemiese struktuur (sommige hiervan word uitgeligin die figuur). Chlorofil a absorbeer golflengtes van weerskante van die sigbare spektrum (blou en rooi), maar nie groen nie. Omdat chlorofil groen lig weerkaats en ander golflengtes lig absorbeer, lyk dinge wat hierdie pigment bevat groen. Karotenoïede absorbeer in die kortgolflengte blou streek en reflekteer die langer geel, rooi en oranje golflengtes.

(a) Chlorofil'n,(b) chlorofilb, en (c)β-karoteen is hidrofobiese organiese pigmente wat in die tilakoïedmembraan voorkom. Chlorofil a enb, wat identies is behalwe vir die deelaangeduiin die rooi boks, is verantwoordelik vir die groen kleur van blare. Let op hoe die klein hoeveelheid verskil in chemiese samestelling tussen verskillende chlorofille tot verskillende absorpsiespektra lei.β-karoteen is verantwoordelik vir die oranje kleur in wortels. Elke pigment het 'n unieke absorpsiespektrum (d).

Belangrikheid om verskeie verskillende pigmente te hê

Nie alle fotosintetiese organismes het volle toegang tot sonlig nie. Sommige organismes groei onder water waar ligintensiteit en die aantal golflengtes onderskeidelik afneem en verander met diepte. Ander organismes groei in kompetisie vir lig. Plante op die reënwoudvloer moet byvoorbeeld enige bietjie lig wat deurkom, kan absorbeer omdat die hoër bome die meeste van die sonlig absorbeer en die oorblywende sonstraling verstrooi. Om vir hierdie veranderlike ligtoestande rekening te hou, het baie fotosintetiese organismes 'n mengsel van pigmente wie se uitdrukking hulle kan instel om die organisme se vermoë te verbeter om energie van 'n wyer reeks golflengtes te absorbeer as wat moontlik sou wees met een pigment alleen.