ข้อมูล

นี่จะเรียกว่าซับซ้อนหรือไม่?


เมื่อตัวกลางก่อตัวขึ้นระหว่างซับสเตรตและเอ็นไซม์ สิ่งนี้เรียกว่าคอมเพล็กซ์ของสารตั้งต้นเอนไซม์

เมื่อโมเลกุลถูกผูกมัดกับโปรตีนถ่ายโอนตามลำดับ (โมเลกุลที่ถูกขนส่งจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อปล่อยออกจากโปรตีนที่ปลายทาง) สิ่งนี้จะเรียกว่าคอมเพล็กซ์หรือไม่? ถ้าไม่อย่างนั้นจะเรียกว่าอะไร?


นี่จะเรียกว่าซับซ้อนหรือไม่? - ชีววิทยา

ไอออนโลหะเชิงซ้อนคืออะไร?

ไอออนเชิงซ้อนมีไอออนของโลหะอยู่ตรงกลางโดยมีโมเลกุลหรือไอออนอื่นๆ ล้อมรอบอยู่ สิ่งเหล่านี้ถือได้ว่าติดอยู่กับไอออนกลางโดยพันธะประสาน (dative covalent) (ในบางกรณี การผูกมัดจริง ๆ แล้วซับซ้อนกว่านั้น)

อย่างที่คุณทราบ พันธะโควาเลนต์เกิดขึ้นจากอะตอมสองอะตอมที่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน อะตอมถูกยึดเข้าด้วยกันเนื่องจากนิวเคลียสดึงดูดคู่อิเล็กตรอน ในการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์อย่างง่าย อะตอมแต่ละอะตอมจะจัดหาอิเล็กตรอนหนึ่งตัวให้กับพันธะ แต่นั่นไม่จำเป็นต้องเป็นอย่างนั้น

พันธะประสาน (เรียกอีกอย่างว่าพันธะโควาเลนต์) เป็นพันธะโควาเลนต์ (อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกัน) ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งสองมาจากอะตอมเดียวกัน

มีการตั้งชื่อเฉพาะสำหรับไอออนเชิงซ้อนเล็กน้อย: โลหะเรียกว่า ไอออนโลหะกลาง. ประจุลบหรือโมเลกุลที่ติดอยู่กับโลหะเรียกว่า ลิแกนด์ NS หมายเลขประสานงาน คือจำนวนตำแหน่งบนไอออนโลหะที่ลิแกนด์ถูกผูกมัด พันธะระหว่างไอออนของโลหะกับลิแกนด์ โดยที่ลิแกนด์ส่งอิเล็กตรอนทั้งสอง เรียกว่า a ประสานพันธะโควาเลนต์ ลิแกนด์อย่างง่าย ได้แก่ ไอออนน้ำ แอมโมเนีย และคลอไรด์

สิ่งเหล่านี้มีเหมือนกันคืออิเล็กตรอนคู่เดียวที่ทำงานอยู่ในระดับพลังงานภายนอก สิ่งเหล่านี้ใช้เพื่อสร้างพันธะประสานกับไอออนของโลหะ

ลิแกนด์ทั้งหมดเป็นผู้บริจาคคู่เดียว กล่าวอีกนัยหนึ่งลิแกนด์ทั้งหมดทำหน้าที่เป็น ฐานลูอิส.

พันธะในไอออนเชิงซ้อนอย่างง่าย

เราจะดูรายละเอียดการยึดเหนี่ยวในไอออนเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลของน้ำเกาะติดกับอลูมิเนียมไอออนเพื่อให้ Al(H2อ)6 3+ .

เริ่มต้นด้วยการคิดถึงโครงสร้างของไอออนอะลูมิเนียมเปล่าก่อนที่โมเลกุลของน้ำจะเกาะติดกัน

อลูมิเนียมมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3pNS 1

เมื่อมันก่อตัวเป็นไอออน Al 3+ มันจะสูญเสียอิเล็กตรอน n=3:

นั่นหมายความว่าตอนนี้ออร์บิทัล 3 ระดับทั้งหมดว่างเปล่า อะลูมิเนียมใช้ 6 อย่างนี้เพื่อรับคู่โดดเดี่ยวจากโมเลกุลของน้ำ 6 โมเลกุล โดยจะจัดเรียง (hybridises) ใหม่ (hybridises) 3s, 3p สาม และ 2 ออร์บิทัล 3d สองออร์บิทัลเพื่อสร้างออร์บิทัลใหม่ 6 ออร์บิทัลทั้งหมดที่มีพลังงานเท่ากัน คุณอาจสงสัย เหตุใดจึงเลือกใช้หกออร์บิทัลมากกว่าสี่หรือแปดหรืออะไรก็ตาม หกคือจำนวนโมเลกุลของน้ำสูงสุดที่สามารถติดตั้งรอบๆ อะลูมิเนียมไอออน (และไอออนโลหะอื่นๆ ส่วนใหญ่) การสร้างพันธะให้ได้จำนวนสูงสุดจะปล่อยพลังงานออกมามากที่สุดและมีเสถียรภาพอย่างมีพลังมากที่สุด

โมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลแสดงเพียงคู่เดียว อีกคู่หนึ่งชี้ออกจากอะลูมิเนียม ดังนั้นจึงไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการยึดติด ไอออนที่ได้จะมีลักษณะดังนี้:

เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปยังจุดศูนย์กลางของไอออน ประจุ 3+ จึงไม่ได้อยู่บนอะลูมิเนียมทั้งหมดอีกต่อไป แต่ขณะนี้ได้แผ่ไปทั่วไอออนทั้งหมด เนื่องจากอะลูมิเนียมสร้างพันธะ 6 พันธะ หมายเลขประสานงาน ของอะลูมิเนียมมีค่าเท่ากับ 6 หมายเลขการประสานกันของไอออนเชิงซ้อนจะนับจำนวนพันธะประสานที่เกิดขึ้นจากไอออนของโลหะที่อยู่ตรงกลาง

ในกรณีง่ายๆ เช่นนี้ เห็นได้ชัดว่านับจำนวนแกนด์ด้วย - แต่นั่นไม่จำเป็นอย่างที่คุณจะเห็นในภายหลัง ลิแกนด์บางตัวสามารถสร้างพันธะประสานกับไอออนของโลหะได้มากกว่าหนึ่งพันธะ

ตัวอย่างนี้ถูกเลือกเนื่องจากคล้ายกับตัวอย่างสุดท้ายมาก ยกเว้นว่าเกี่ยวข้องกับโลหะทรานซิชัน

เหล็กมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์

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

เมื่อมันก่อตัวเป็นไอออน Fe 3+ มันจะสูญเสียอิเล็กตรอน 4s และอิเล็กตรอน 3d ตัวหนึ่งไป

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

แผนภาพการโคจรมีลักษณะดังนี้:

ตอนนี้ระวัง! อิเลคตรอนเดี่ยวในระดับ 3d ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับพันธะแต่อย่างใด ไอออนใช้ 6 ออร์บิทัลจากระดับ 4s, 4p และ 4d เพื่อยอมรับคู่โดดเดี่ยวจากโมเลกุลของน้ำแทน

ก่อนใช้งาน ออร์บิทัลจะถูกจัดระเบียบใหม่ (ไฮบริด) เพื่อผลิตออร์บิทัล 6 ออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากัน

เมื่อเกิดพันธะประสานแล้ว ไอออนจะมีลักษณะเหมือนกันทุกประการกับอะลูมิเนียมไอออนที่เทียบเท่ากัน

เนื่องจากเหล็กเกิดพันธะ 6 ตัว ดังนั้นเลขประสานงานของเหล็กจึงเท่ากับ 6

นี่เป็นตัวอย่างง่ายๆ ของการก่อตัวของไอออนเชิงซ้อนที่มีประจุลบ

ทองแดงมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์

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

เมื่อมันก่อตัวเป็นไอออน Cu 2+ มันจะสูญเสียอิเล็กตรอน 4s และอิเล็กตรอน 3d ตัวหนึ่งไป

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

ในการยึดเหนี่ยวคลอไรด์ไอออนสี่ตัวเป็นลิแกนด์ ออร์บิทัล 4s และ 4p ที่ว่างเปล่าจะถูกใช้ (ในรูปแบบไฮบริไดซ์) เพื่อรับอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจากไอออนคลอไรด์แต่ละตัว เนื่องจากคลอไรด์ไอออนมีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลของน้ำ คุณจึงไม่สามารถใส่ 6 ตัวที่อยู่ตรงกลางไอออนได้ นั่นคือเหตุผลที่คุณใช้เพียง 4 ตัวเท่านั้น

แสดงคู่เดียวจาก 4 คู่บนแต่ละคลอไรด์ไอออนเท่านั้น อีกสามตัวชี้ออกจากไอออนของทองแดงและไม่ได้เกี่ยวข้องกับพันธะ ซึ่งจะทำให้ไอออนเชิงซ้อนแก่คุณ:

ไอออนมีประจุลบทั้งหมด 2 ประจุ นั่นมาจากการรวมกันของประจุบวก 2 ประจุบนไอออนของทองแดงและประจุลบ 4 ประจุจากไอออนคลอไรด์ 4 ตัว

ในกรณีนี้หมายเลขประสานงานของทองแดงคือ 4 แน่นอน

จำนวนจุดยึดกับองค์ประกอบส่วนกลางเรียกว่า หมายเลขประสานงาน และสิ่งนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 2 ถึงมากถึง 16 แต่โดยปกติคือ 6 ในแง่ง่าย ๆ จำนวนการประสานงานของคอมเพล็กซ์ได้รับอิทธิพลจากขนาดสัมพัทธ์ของไอออนโลหะและลิแกนด์และโดยปัจจัยทางอิเล็กทรอนิกส์เช่นประจุซึ่งเป็น ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของไอออนโลหะ ผลกระทบที่แข่งขันกันเหล่านี้อธิบายโดยคำว่าศักย์ไอออนิกซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนประจุต่อรัศมี (q/r)

จากสิ่งนี้ จะเห็นได้ว่ายิ่งประจุบนไอออนกลางมากเท่าใด แรงดึงดูดของลิแกนด์ที่มีประจุลบก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในเวลาเดียวกัน ยิ่งประจุมากเท่าใด ไอออนก็จะยิ่งมีขนาดเล็กลงเท่านั้น ซึ่งจะทำให้จำนวนประจุของลิแกนด์มีขนาดเล็กลง กลุ่มที่สามารถประสานงาน.

หมายเลขประสานงานทั่วไป:

คอมเพล็กซ์โลหะทรานซิชันมีลักษณะเฉพาะด้วยหมายเลขประสานงานที่มีตั้งแต่ 1 ถึง 12 แต่ตัวเลขการประสานงานที่พบบ่อยที่สุดคือ 2, 4 และ 6 ตัวอย่างของคอมเพล็กซ์ที่มีหมายเลขประสานงานเหล่านี้แสดงไว้ในตารางด้านล่าง

ตัวอย่างเลขพิกัดทั่วไป

ไอออนของโลหะ ลิแกนด์ ซับซ้อน การประสานงาน
ตัวเลข
Ag + + 2 NH3 <=> Ag(NH .)3)2 + 2
Ag + + 2 ซ2อู๋3 2- <=> AgCl2 - 2
Ag + + 2 Cl - <=> Ag(S2อู๋3)2 3- 2
PB 2+ + 2 โอเอซี - <=> PB(OAc)2 2
ลูกบาศ์ก + + 2 NH3 <=> Cu(NH3)2 + 2
ลูกบาศ์ก 2+ + 4 NH3 <=> Cu(NH3)4 2+ 4
Zn 2+ + 4 ซีเอ็น - <=> สังกะสี(CN)4 2- 4
ปรอท 2+ + 4 ฉัน - <=> HgI4 2- 4
Co 2+ + 4 เอสซีเอ็น - <=> บริษัท(เอสซีเอ็น)4 2- 4
เฟ 2+ + 6 H2อู๋ <=> เฟ(H2อ)6 2+ 6
เฟ 3+ + 6 H2อู๋ <=> เฟ(H2อ)6 3+ 6
เฟ 2+ + 6 ซีเอ็น - <=> เฟ(CN)6 4- 6
Co 3+ + 6 NH3 <=> Co(NH .)3)6 3+ 6
นิ 2+ + 6 NH3 <=> นิ(NH3)6 2+ 6

โปรดทราบว่าประจุบนสารเชิงซ้อนเป็นผลรวมของประจุบนไอออนหรือโมเลกุลที่สร้างสารเชิงซ้อนเสมอ

โปรดทราบด้วยว่าจำนวนการประสานงานของคอมเพล็กซ์มักจะเพิ่มขึ้นเมื่อประจุบนไอออนของโลหะมีขนาดใหญ่ขึ้น

การก่อตัวของไอออนเชิงซ้อน:

สมมติฐานพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการอภิปรายเรื่องสมดุลความสามารถในการละลายคือแนวคิดที่ว่าเกลือแยกตัวออกเป็นไอออนเมื่อละลายในน้ำ คอปเปอร์ซัลเฟต เช่น แยกตัวออกเป็น Cu 2+ และ SO4 2- ไอออนในน้ำ

ถ้าเราบวก 2 NS NH3 สำหรับวิธีแก้ปัญหานี้ สิ่งแรกที่เราสังเกตเห็นคือการก่อตัวของตะกอนสีน้ำเงินอ่อน เกือบจะเป็นสีขาวอมฟ้า สิ่งนี้สามารถอธิบายได้โดยการรวมสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับกรด-เบสและสมดุลการละลายเข้าด้วยกัน แอมโมเนียทำหน้าที่เป็นฐานสู่น้ำเพื่อสร้างส่วนผสมของไอออนแอมโมเนียมและไฮดรอกไซด์

OH - ไอออนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยานี้รวมกับ Cu 2+ ไอออนในสารละลายเพื่อสร้าง Cu(OH)2 ตะกอน.

ตามทฤษฎีแล้ว ความเข้มข้นของ OH - ไอออนควรเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเพิ่มเบสลงในสารละลายมากขึ้น ส่งผลให้ Cu(OH) มากขึ้น2 ควรตกตะกอนจากสารละลาย ในตอนแรกนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้น เมื่อมีแอมโมเนียมากเกินไป Cu(OH)2 ตะกอนจะละลายและสารละลายจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินเข้ม สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามที่สำคัญ: "ทำไม Cu(OH)2 ตกตะกอนละลายในแอมโมเนียส่วนเกิน?"

ขั้นตอนแรกในการตอบคำถามนี้เกี่ยวข้องกับการเขียนโครงอิเล็กตรอนของโลหะทองแดงและไอออน Cu 2+

บางครั้งก็มีประโยชน์ที่จะนึกถึงโครงอิเล็กตรอนของไอออน Cu 2+ ในแง่ของออร์บิทัลของเปลือกวาเลนซ์ทั้งชุด นอกจากอิเล็คตรอนทั้ง 9 ตัวใน 3NS subshell ไอออนนี้มี 4 . ว่างNS ออร์บิทัลและเซตว่าง 3 อัน 4NS ออร์บิทัล

ไอออน Cu 2+ สามารถรับคู่อิเล็กตรอนที่ไม่ผูกมัดจากสี่ NH3 โมเลกุลเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ Cu-N

ดังแสดงในรูปด้านล่าง

การก่อตัวของไอออนเชิงซ้อนเป็นกระบวนการแบบเป็นขั้นเป็นตอน และแต่ละขั้นตอนมีค่าคงที่สมดุลที่มีลักษณะเฉพาะของตัวเอง

สำหรับการก่อตัวของ Ag(NH3)2 + ปฏิกิริยาคือ:

หมายเหตุ: เมื่อรวมสมการสองสมการเข้าด้วยกัน ค่าคงที่สมดุลจะคูณกัน

ไพเพอร์ที่สร้างไอออนเชิงซ้อนที่มี NH . มากเกินไป3 เป็น:

ไอออนบวกที่ก่อตัวเป็นไอออนเชิงซ้อนที่มี OH ส่วนเกิน ได้แก่:

สงสัยว่าจะเกิดการก่อตัวของไอออนเชิงซ้อนเมื่อ:

  1. การเติมตัวทำปฏิกิริยาทำให้เกิดการตกตะกอนตามมาด้วยการละลายของตะกอนจากการเติมตัวทำปฏิกิริยาส่วนเกิน


คอมเพล็กซ์มีค่าคงที่สมดุลสำหรับการก่อตัวเช่นเดียวกับปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ ตัวอย่างเช่น สำหรับ Cd(OH) เชิงซ้อน4 -2 , ปฏิกิริยาการก่อตัวคือ

ซีดี +2 (aq) + 4OH - (aq) -> Cd(OH)4 -2 (aq) ดังนั้นนิพจน์คงที่สมดุลคือ K = [Cd(OH)4 -2 ] / [Cd +2 ][OH - ] 4 ค่าคงที่สมดุลมักเรียกว่า ค่าคงที่ของการก่อตัว สำหรับปฏิกิริยา

ตัวอย่าง: นิพจน์คงที่ของการก่อตัวสำหรับ Co เชิงซ้อนคืออะไร (NH3)5ไม่2 +2 ?

สารละลาย: แค่เขียนปฏิกิริยาการก่อตัวแล้วเขียนนิพจน์ค่าคงที่สมดุลสำหรับปฏิกิริยานั้น ปฏิกิริยาการก่อตัวคือ


สารบัญ

เซลล์มีสองประเภท: ยูคาริโอตซึ่งมีนิวเคลียสและโปรคาริโอตที่ไม่มี โปรคาริโอตเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ในขณะที่ยูคาริโอตอาจเป็นเซลล์เดียวหรือหลายเซลล์ก็ได้

เซลล์โปรคาริโอต

โปรคาริโอตประกอบด้วยแบคทีเรียและอาร์เคีย สองในสามโดเมนของชีวิต เซลล์โปรคาริโอตเป็นรูปแบบแรกของชีวิตบนโลก โดยมีกระบวนการทางชีววิทยาที่สำคัญรวมถึงการส่งสัญญาณของเซลล์ พวกมันง่ายกว่าและเล็กกว่าเซลล์ยูคาริโอต และไม่มีนิวเคลียสและออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรน ดีเอ็นเอของเซลล์โปรคาริโอตประกอบด้วยโครโมโซมทรงกลมเพียงเส้นเดียวที่สัมผัสโดยตรงกับไซโตพลาสซึม บริเวณนิวเคลียร์ในไซโตพลาสซึมเรียกว่านิวเคลียส โปรคาริโอตส่วนใหญ่เป็นสิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุดตั้งแต่เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 ถึง 2.0 ไมโครเมตร [13]

เซลล์โปรคาริโอตมีสามส่วน:

  • สิ่งที่แนบมากับเซลล์คือเปลือกหุ้มเซลล์ – โดยทั่วไปประกอบด้วยเยื่อหุ้มพลาสมาที่หุ้มด้วยผนังเซลล์ ซึ่งสำหรับแบคทีเรียบางชนิด อาจถูกหุ้มเพิ่มเติมด้วยชั้นที่สามที่เรียกว่าแคปซูล แม้ว่าโปรคาริโอตส่วนใหญ่จะมีทั้งเยื่อหุ้มเซลล์และผนังเซลล์ แต่ก็มีข้อยกเว้นเช่น มัยโคพลาสมา (แบคทีเรีย) และ เทอร์โมพลาสมา (อาร์เคีย) ซึ่งมีเฉพาะชั้นเยื่อหุ้มเซลล์เท่านั้น ซองช่วยเสริมความแข็งแกร่งให้กับเซลล์และแยกส่วนภายในของเซลล์ออกจากสภาพแวดล้อม โดยทำหน้าที่เป็นตัวกรองป้องกัน ผนังเซลล์ประกอบด้วย peptidoglycan ในแบคทีเรีย และทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันเพิ่มเติมจากแรงภายนอก นอกจากนี้ยังป้องกันไม่ให้เซลล์ขยายตัวและแตกออก (cytolysis) จากแรงดันออสโมติกอันเนื่องมาจากสภาวะแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน เซลล์ยูคาริโอตบางชนิด (เซลล์พืชและเซลล์เชื้อรา) ก็มีผนังเซลล์เช่นกัน
  • ภายในเซลล์คือบริเวณไซโตพลาสซึมที่มีจีโนม (DNA) ไรโบโซมและการรวมตัวต่างๆ [4] สารพันธุกรรมพบอย่างอิสระในไซโตพลาสซึม โปรคาริโอตสามารถขนส่งองค์ประกอบดีเอ็นเอนอกโครโมโซมที่เรียกว่าพลาสมิดซึ่งมักจะเป็นวงกลม มีการระบุพลาสมิดของแบคทีเรียเชิงเส้นในแบคทีเรียสไปโรเชตหลายสายพันธุ์รวมถึงสมาชิกของสกุล Borrelia สะดุดตา Borrelia burgdorferiซึ่งเป็นสาเหตุของโรคไลม์ [14] แม้ว่าจะไม่ได้ก่อตัวเป็นนิวเคลียส แต่ DNA ก็ถูกควบแน่นในนิวเคลียส พลาสมิดเข้ารหัสยีนเพิ่มเติม เช่น ยีนต้านทานยาปฏิชีวนะ
  • ด้านนอกแฟลเจลลาและพิลิโปรเจ็กต์จากผิวเซลล์ โครงสร้างเหล่านี้เป็นโครงสร้าง (ไม่มีอยู่ในโปรคาริโอตทั้งหมด) ที่ทำจากโปรตีนที่อำนวยความสะดวกในการเคลื่อนไหวและการสื่อสารระหว่างเซลล์

เซลล์ยูคาริโอต

พืช สัตว์ เชื้อรา ราเมือก โปรโตซัว และสาหร่ายล้วนเป็นยูคาริโอต เซลล์เหล่านี้กว้างกว่าโปรคาริโอตทั่วไปประมาณ 15 เท่า และอาจมีปริมาตรมากกว่าเดิมถึงพันเท่า ลักษณะเด่นที่สำคัญของยูคาริโอตเมื่อเปรียบเทียบกับโปรคาริโอตคือการแบ่งส่วน: การปรากฏตัวของออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรน (ช่อง) ซึ่งมีกิจกรรมเฉพาะเกิดขึ้น ที่สำคัญที่สุดในหมู่เหล่านี้คือนิวเคลียสของเซลล์ [4] ออร์แกเนลล์ที่มี DNA ของเซลล์ นิวเคลียสนี้ตั้งชื่อให้ยูคาริโอต ซึ่งหมายความว่า "เคอร์เนลที่แท้จริง (นิวเคลียส)" ความแตกต่างอื่นๆ ได้แก่:

  • พลาสมาเมมเบรนคล้ายกับโปรคาริโอตในการทำงาน โดยมีความแตกต่างเล็กน้อยในการตั้งค่า ผนังเซลล์อาจมีหรือไม่มีก็ได้
  • ดีเอ็นเอของยูคาริโอตจัดอยู่ในโมเลกุลเชิงเส้นหนึ่งโมเลกุลหรือมากกว่าที่เรียกว่าโครโมโซม ซึ่งสัมพันธ์กับโปรตีนฮิสโตน DNA โครโมโซมทั้งหมดถูกเก็บไว้ในนิวเคลียสของเซลล์ โดยแยกจากไซโตพลาสซึมด้วยเมมเบรน [4] ออร์แกเนลล์ยูคาริโอตบางชนิด เช่น ไมโทคอนเดรียก็มี DNA เช่นกัน
  • เซลล์ยูคาริโอตจำนวนมากมี ciliated กับซิเลียปฐมภูมิ ตาปฐมภูมิมีบทบาทสำคัญในการทำเคมีบำบัด ด้วยเหตุนี้ซีเลียมแต่ละตัวจึงอาจ "ถูกมองว่าเป็นเสาอากาศเซลล์ประสาทสัมผัสที่ประสานเส้นทางการส่งสัญญาณของเซลล์จำนวนมาก บางครั้งรวมสัญญาณเข้ากับการเคลื่อนที่ของเลนส์ปรับเลนส์ หรืออีกทางหนึ่งคือการแบ่งเซลล์และการสร้างความแตกต่าง" [15]
  • ยูคาริโอตที่เคลื่อนที่ได้สามารถเคลื่อนที่ได้โดยใช้ตาเคลื่อนที่หรือแฟลเจลลา เซลล์เคลื่อนที่ไม่มีอยู่ในต้นสนและไม้ดอก [16] ยูคาริโอตแฟลกเจลลามีความซับซ้อนมากกว่าโปรคาริโอต [17]

เซลล์ทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นโปรคาริโอตหรือยูคาริโอต มีเยื่อหุ้มเซลล์ที่ห่อหุ้มเซลล์ ควบคุมสิ่งที่เคลื่อนที่เข้าและออก (เลือกซึมผ่านได้) และคงไว้ซึ่งศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ ภายในเมมเบรน ไซโตพลาสซึมใช้ปริมาตรส่วนใหญ่ของเซลล์ เซลล์ทั้งหมด (ยกเว้นเซลล์เม็ดเลือดแดงที่ไม่มีนิวเคลียสของเซลล์และออร์แกเนลล์ส่วนใหญ่เพื่อรองรับพื้นที่สูงสุดสำหรับเฮโมโกลบิน) มี DNA ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมของยีน และ RNA ที่มีข้อมูลที่จำเป็นในการสร้างโปรตีนต่างๆ เช่น เอนไซม์ เครื่องจักรหลักของเซลล์ . นอกจากนี้ยังมีสารชีวโมเลกุลชนิดอื่นๆ ในเซลล์อีกด้วย บทความนี้แสดงรายการส่วนประกอบหลักของเซลลูลาร์ จากนั้นจะอธิบายการทำงานโดยสังเขป

เมมเบรน

เยื่อหุ้มเซลล์หรือพลาสมาเมมเบรนเป็นเมมเบรนชีวภาพที่ล้อมรอบไซโตพลาสซึมของเซลล์ ในสัตว์ พลาสมาเมมเบรนเป็นขอบเขตภายนอกของเซลล์ ในขณะที่พืชและโปรคาริโอตมักจะถูกปกคลุมด้วยผนังเซลล์ เมมเบรนนี้ทำหน้าที่แยกและปกป้องเซลล์จากสภาพแวดล้อมโดยรอบ และส่วนใหญ่ทำจากฟอสโฟลิปิดสองชั้น ซึ่งเป็นแอมฟิฟิลิค (บางส่วนไม่ชอบน้ำและบางส่วนชอบน้ำ) ดังนั้น ชั้นนี้จึงเรียกว่า ฟอสโฟลิปิด bilayer หรือบางครั้งเมมเบรนโมเสคของไหล ที่ฝังอยู่ภายในเมมเบรนนี้เป็นโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เรียกว่า porosome ซึ่งเป็นพอร์ทัลสารคัดหลั่งสากลในเซลล์และโมเลกุลโปรตีนหลายชนิดที่ทำหน้าที่เป็นช่องทางและปั๊มที่เคลื่อนย้ายโมเลกุลต่างๆ เข้าและออกจากเซลล์ [4] เมมเบรนเป็นแบบกึ่งซึมผ่านได้ และคัดเลือกได้โดยการซึมผ่าน โดยสามารถปล่อยให้สาร (โมเลกุลหรือไอออน) ผ่านได้อย่างอิสระ ผ่านไปยังระดับที่จำกัด หรือไม่ผ่านเลยก็ได้ เยื่อหุ้มเซลล์ผิวยังมีโปรตีนตัวรับที่ช่วยให้เซลล์สามารถตรวจจับโมเลกุลส่งสัญญาณภายนอก เช่น ฮอร์โมน

โครงร่างโครงร่าง

โครงร่างของเซลล์ทำหน้าที่จัดระเบียบและรักษารูปร่างของเซลล์ที่ยึดออร์แกเนลล์ไว้ในสถานที่ซึ่งช่วยในระหว่าง endocytosis การดูดซึมของวัสดุภายนอกโดยเซลล์ และ cytokinesis การแยกเซลล์ลูกสาวหลังจากการแบ่งเซลล์และเคลื่อนย้ายส่วนต่าง ๆ ของเซลล์ในกระบวนการของการเจริญเติบโตและการเคลื่อนไหว . โครงร่างของเซลล์ยูคาริโอตประกอบด้วยไมโครทูบูล ฟิลาเมนต์ระดับกลาง และไมโครฟิลาเมนต์ ในโครงร่างโครงร่างของเซลล์ประสาท ฟิลาเมนต์ระดับกลางเรียกว่านิวโรฟิลาเมนต์ มีโปรตีนจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับพวกมัน แต่ละชนิดควบคุมโครงสร้างของเซลล์โดยการควบคุม การรวมกลุ่ม และการจัดแนวเส้นใย [4] โครงร่างเซลล์โปรคาริโอตมีการศึกษาน้อยแต่เกี่ยวข้องกับการรักษารูปร่างของเซลล์ ขั้ว และไซโตไคเนซิส [19] โปรตีนหน่วยย่อยของไมโครฟิลาเมนต์เป็นโปรตีนโมโนเมอร์ขนาดเล็กที่เรียกว่าแอคติน หน่วยย่อยของไมโครทูบูลเป็นโมเลกุลไดเมอร์ที่เรียกว่าทูบูลิน ฟิลาเมนต์ขั้นกลางคือเฮเทอโรโพลีเมอร์ซึ่งมีหน่วยย่อยแตกต่างกันไปตามประเภทเซลล์ในเนื้อเยื่อต่างๆ แต่โปรตีนยูนิตย่อยของเส้นใยขั้นกลางบางส่วน ได้แก่ วิเมนติน เดมิน ลามิน (ลามิน A, B และ C), เคราติน (เคราตินที่เป็นกรดและด่างหลายตัว) โปรตีนนิวโรฟิลาเมนต์ (NF–L, NF–M)

วัสดุทั่วไป

มีสารพันธุกรรมสองชนิดที่แตกต่างกัน: กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) และกรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) เซลล์ใช้ DNA ในการจัดเก็บข้อมูลระยะยาว ข้อมูลทางชีววิทยาที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตนั้นถูกเข้ารหัสในลำดับดีเอ็นเอของมัน [4] RNA ใช้สำหรับการขนส่งข้อมูล (เช่น mRNA) และการทำงานของเอนไซม์ (เช่น ribosomal RNA) โมเลกุลทรานสเฟอร์ RNA (tRNA) ถูกใช้เพื่อเพิ่มกรดอะมิโนระหว่างการแปลโปรตีน

สารพันธุกรรมโปรคาริโอตจัดอยู่ในโครโมโซมแบคทีเรียทรงกลมอย่างง่ายในบริเวณนิวคลีออยด์ของไซโตพลาสซึม สารพันธุกรรมของยูคาริโอตแบ่งออกเป็น [4] โมเลกุลเชิงเส้นตรงที่เรียกว่าโครโมโซมภายในนิวเคลียสที่ไม่ต่อเนื่อง โดยปกติจะมีสารพันธุกรรมเพิ่มเติมในออร์แกเนลล์บางชนิด เช่น ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ (ดู ทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก)

เซลล์ของมนุษย์มีสารพันธุกรรมอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ (จีโนมนิวเคลียร์) และในไมโตคอนเดรีย (จีโนมของยล) ในมนุษย์ จีโนมนิวเคลียร์แบ่งออกเป็น 46 โมเลกุลดีเอ็นเอเชิงเส้นที่เรียกว่าโครโมโซม รวมถึงโครโมโซมที่คล้ายคลึงกัน 22 คู่และโครโมโซมเพศ 1 คู่ จีโนมของไมโตคอนเดรียเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอแบบวงกลมที่แตกต่างจากดีเอ็นเอของนิวเคลียส แม้ว่า DNA ของไมโตคอนเดรียจะมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับโครโมโซมนิวเคลียร์ [4] มันเข้ารหัสโปรตีน 13 ชนิดที่เกี่ยวข้องกับการผลิตพลังงานยลและ tRNA จำเพาะ

สารพันธุกรรมจากต่างประเทศ (โดยปกติคือ DNA) ยังสามารถถูกนำเข้าสู่เซลล์โดยกระบวนการที่เรียกว่าการทรานส์เฟกชัน ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นได้ชั่วคราว หากไม่มีการใส่ DNA เข้าไปในจีโนมของเซลล์ หรือเสถียร หากเป็นเช่นนั้น ไวรัสบางชนิดยังแทรกสารพันธุกรรมเข้าไปในจีโนมอีกด้วย

ออร์แกเนลล์

ออร์แกเนลล์คือส่วนต่าง ๆ ของเซลล์ที่ได้รับการดัดแปลงและ/หรือเฉพาะเพื่อทำหน้าที่สำคัญอย่างน้อยหนึ่งอย่าง ซึ่งคล้ายกับอวัยวะของร่างกายมนุษย์ (เช่น หัวใจ ปอด และไต โดยแต่ละอวัยวะทำหน้าที่ต่างกัน) [4] ทั้งเซลล์ยูคาริโอตและโปรคาริโอตมีออร์แกเนลล์ แต่ออร์แกเนลล์โปรคาริโอตโดยทั่วไปจะง่ายกว่าและไม่ได้จับกับเมมเบรน

มีออร์แกเนลล์หลายประเภทในเซลล์ บางชนิด (เช่น นิวเคลียสและกลไกกอลจิ) มักจะอยู่โดดเดี่ยว ในขณะที่บางชนิด (เช่น ไมโทคอนเดรีย คลอโรพลาส เปอร์รอกซิโซม และไลโซโซม) สามารถมีได้มากมาย (หลายร้อยถึงหลายพัน) ไซโตซอลเป็นของเหลวเจลาตินที่เติมเซลล์และล้อมรอบออร์แกเนลล์

ยูคาริโอต

  • นิวเคลียสของเซลล์: ศูนย์ข้อมูลของเซลล์ นิวเคลียสของเซลล์เป็นออร์แกเนลล์ที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดที่พบในเซลล์ยูคาริโอต เป็นที่อยู่ของโครโมโซมของเซลล์ และเป็นที่ที่การจำลองดีเอ็นเอและการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอเกือบทั้งหมด (การถอดความ) เกิดขึ้น นิวเคลียสเป็นทรงกลมและแยกออกจากไซโตพลาสซึมด้วยเมมเบรนสองชั้นที่เรียกว่าซองจดหมายนิวเคลียร์ เปลือกหุ้มนิวเคลียสจะแยกและปกป้อง DNA ของเซลล์จากโมเลกุลต่างๆ ที่อาจสร้างความเสียหายให้กับโครงสร้างโดยไม่ได้ตั้งใจหรือรบกวนการประมวลผล ในระหว่างการประมวลผล DNA จะถูกคัดลอกหรือคัดลอกไปยัง RNA พิเศษที่เรียกว่า messenger RNA (mRNA) จากนั้น mRNA นี้จะถูกขนส่งออกจากนิวเคลียส ซึ่งจะถูกแปลเป็นโมเลกุลโปรตีนจำเพาะ นิวเคลียสเป็นบริเวณเฉพาะภายในนิวเคลียสที่ประกอบหน่วยย่อยของไรโบโซม ในโปรคาริโอต การประมวลผล DNA เกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม [4]
  • ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์: สร้างพลังงานให้กับเซลล์ ไมโทคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ที่จำลองตัวเองซึ่งเกิดขึ้นในจำนวน รูปร่าง และขนาดต่างๆ ในไซโตพลาสซึมของเซลล์ยูคาริโอตทั้งหมด [4]การหายใจเกิดขึ้นในไมโทคอนเดรียของเซลล์ ซึ่งสร้างพลังงานของเซลล์โดยออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน โดยใช้ออกซิเจนเพื่อปลดปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ในสารอาหารของเซลล์ (โดยทั่วไปเกี่ยวกับกลูโคส) เพื่อสร้างเอทีพี ไมโตคอนเดรียคูณด้วยฟิชชันแบบไบนารี เช่น โปรคาริโอต คลอโรพลาสต์สามารถพบได้ในพืชและสาหร่ายเท่านั้น และพวกมันจับพลังงานจากดวงอาทิตย์เพื่อสร้างคาร์โบไฮเดรตผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง
  • เอ็นโดพลาสมิกเรติคูลัม: เอนโดพลาสมิกเรติคิวลัม (ER) เป็นเครือข่ายการขนส่งสำหรับโมเลกุลที่มีเป้าหมายสำหรับการดัดแปลงบางอย่างและปลายทางเฉพาะ เมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลที่ลอยอย่างอิสระในไซโตพลาสซึม ER มีสองรูปแบบ: ER แบบหยาบซึ่งมีไรโบโซมบนพื้นผิวที่หลั่งโปรตีนเข้าสู่ ER และ ER เรียบซึ่งไม่มีไรโบโซม [4] ER ที่ราบรื่นมีบทบาทในการกักเก็บและปลดปล่อยแคลเซียม
  • เครื่องมือกอลจิ: หน้าที่หลักของเครื่องมือ Golgi คือการประมวลผลและบรรจุโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น โปรตีนและไขมันที่สังเคราะห์โดยเซลล์
  • ไลโซโซมและเปอร์รอกซิโซม: ไลโซโซมมีเอนไซม์ย่อยอาหาร (กรดไฮโดรเลส) พวกมันย่อยออร์แกเนลล์ส่วนเกินหรือเสื่อมสภาพ เศษอาหาร และไวรัสหรือแบคทีเรียที่กลืนกิน เปอร์รอกซิโซมมีเอนไซม์ที่กำจัดเซลล์ของเปอร์ออกไซด์ที่เป็นพิษ เซลล์ไม่สามารถเก็บเอ็นไซม์ทำลายล้างเหล่านี้ได้ หากไม่มีอยู่ในระบบที่จับกับเมมเบรน [4]
  • เซนโทรโซม: ตัวจัดระเบียบโครงร่างโครงกระดูก: เซนโทรโซมผลิตไมโครทูบูลของเซลล์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของโครงร่างไซโต มันนำการขนส่งผ่าน ER และอุปกรณ์ Golgi เซนโตรโซมประกอบด้วยเซนทริโอลสองอัน ซึ่งแยกระหว่างการแบ่งเซลล์และช่วยในการสร้างแกนไมโทติค มีเซนโตรโซมเดียวในเซลล์สัตว์ พวกเขายังพบในเซลล์เชื้อราและสาหร่ายบางชนิด
  • แวคิวโอล: Vacuoles sequester ของเสียและในเซลล์พืชจะกักเก็บน้ำ มักถูกอธิบายว่าเป็นพื้นที่เติมของเหลวและล้อมรอบด้วยเมมเบรน บางเซลล์ที่โดดเด่นที่สุดคือ อะมีบามีแวคิวโอลหดตัวซึ่งสามารถสูบน้ำออกจากเซลล์ได้หากมีน้ำมากเกินไป แวคิวโอลของเซลล์พืชและเซลล์เชื้อรามักจะมีขนาดใหญ่กว่าเซลล์สัตว์

ยูคาริโอตและโปรคาริโอต

  • ไรโบโซม: ไรโบโซมเป็นคอมเพล็กซ์ขนาดใหญ่ของอาร์เอ็นเอและโมเลกุลโปรตีน [4] แต่ละหน่วยประกอบด้วยสองหน่วยย่อย และทำหน้าที่เป็นสายการประกอบที่อาร์เอ็นเอจากนิวเคลียสใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนจากกรดอะมิโน ไรโบโซมสามารถพบได้ทั้งลอยอย่างอิสระหรือจับกับเมมเบรน (เอนโดพลาสมาเรติเคิลที่หยาบในยูคาริโอต (20)

เซลล์จำนวนมากยังมีโครงสร้างที่อยู่ภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งหมดหรือบางส่วน โครงสร้างเหล่านี้มีความโดดเด่นเนื่องจากไม่ได้รับการปกป้องจากสภาพแวดล้อมภายนอกโดยเยื่อหุ้มเซลล์แบบกึ่งซึมผ่านได้ เพื่อประกอบโครงสร้างเหล่านี้ ส่วนประกอบต้องถูกขนส่งข้ามเยื่อหุ้มเซลล์โดยกระบวนการส่งออก

ผนังเซลล์

เซลล์โปรคาริโอตและยูคาริโอตหลายชนิดมีผนังเซลล์ ผนังเซลล์ทำหน้าที่ปกป้องเซลล์ทั้งทางกลไกและทางเคมีจากสภาพแวดล้อม และเป็นชั้นป้องกันเพิ่มเติมสำหรับเยื่อหุ้มเซลล์ เซลล์ประเภทต่างๆ มีผนังเซลล์ที่ประกอบด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน ผนังเซลล์พืชประกอบด้วยเซลลูโลสเป็นหลัก ผนังเซลล์ของเชื้อราประกอบด้วยไคติน และผนังเซลล์แบคทีเรียประกอบด้วย peptidoglycan

โปรคาริโอต

แคปซูล

แคปซูลเจลาตินมีอยู่ในแบคทีเรียบางชนิดที่อยู่นอกเยื่อหุ้มเซลล์และผนังเซลล์ แคปซูลอาจเป็นพอลิแซ็กคาไรด์เช่นเดียวกับในปอดบวม เยื่อหุ้มสมองอักเสบ หรือโพลีเปปไทด์ as บาซิลลัส แอนทราซิส หรือกรดไฮยาลูโรนิกเช่นเดียวกับในสเตรปโทคอกคัส แคปซูลไม่ได้ถูกทำเครื่องหมายโดยโปรโตคอลการย้อมสีปกติและสามารถตรวจพบได้ด้วยหมึกอินเดียหรือเมทิลบลูซึ่งช่วยให้มีความคมชัดสูงระหว่างเซลล์สำหรับการสังเกต [21] : 87

แฟลกเจลลา

แฟลกเจลลาเป็นออร์แกเนลล์สำหรับการเคลื่อนที่ของเซลล์ แฟลเจลลัมของแบคทีเรียขยายจากไซโตพลาสซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และขับออกมาทางผนังเซลล์ พวกมันเป็นอวัยวะที่ยาวและหนาเหมือนเส้นด้าย โปรตีนในธรรมชาติ พบแฟลเจลลัมชนิดต่าง ๆ ในอาร์เคียและพบชนิดต่าง ๆ ในยูคาริโอต

ฟิมเบรีย

fimbria (พหูพจน์ fimbriae หรือที่รู้จักในชื่อ pilus, พหูพจน์ pili) เป็นเส้นใยสั้นบางคล้ายขนที่พบบนพื้นผิวของแบคทีเรีย Fimbriae ประกอบด้วยโปรตีนที่เรียกว่า pilin (แอนติเจน) และมีหน้าที่ในการเกาะติดของแบคทีเรียกับตัวรับจำเพาะในเซลล์ของมนุษย์ (การยึดเกาะของเซลล์) มีพิลีชนิดพิเศษที่เกี่ยวข้องกับการผันคำกริยาของแบคทีเรีย

การจำลองแบบ

การแบ่งเซลล์เกี่ยวข้องกับเซลล์เดียว (เรียกว่า a เซลล์แม่) แบ่งออกเป็นสองเซลล์ลูกสาว สิ่งนี้นำไปสู่การเจริญเติบโตในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (การเติบโตของเนื้อเยื่อ) และการสืบพันธุ์ (การสืบพันธุ์ของพืช) ในสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียว เซลล์โปรคาริโอตหารด้วยการแบ่งตัวแบบไบนารี ในขณะที่เซลล์ยูคาริโอตมักจะผ่านกระบวนการแบ่งนิวเคลียสที่เรียกว่าไมโทซิส ตามด้วยการแบ่งเซลล์ที่เรียกว่าไซโตไคเนซิส เซลล์ดิพลอยด์อาจได้รับไมโอซิสเพื่อผลิตเซลล์เดี่ยว โดยปกติสี่เซลล์ เซลล์แฮพลอยด์ทำหน้าที่เป็นเซลล์สืบพันธุ์ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ หลอมรวมเพื่อสร้างเซลล์ซ้ำใหม่

การจำลองแบบดีเอ็นเอหรือกระบวนการทำซ้ำจีโนมของเซลล์ [4] มักเกิดขึ้นเมื่อเซลล์แบ่งตัวผ่านไมโทซิสหรือฟิชชันแบบไบนารี สิ่งนี้เกิดขึ้นในช่วง S ของวัฏจักรเซลล์

ในไมโอซิส DNA จะถูกจำลองเพียงครั้งเดียวในขณะที่เซลล์แบ่งสองครั้ง การจำลองแบบดีเอ็นเอเกิดขึ้นก่อนไมโอซิส I เท่านั้น การจำลองดีเอ็นเอไม่เกิดขึ้นเมื่อเซลล์แบ่งตัวเป็นครั้งที่สองในไมโอซิส II [22] การจำลองแบบ เช่นเดียวกับกิจกรรมของเซลล์ทั้งหมด ต้องใช้โปรตีนเฉพาะสำหรับการทำงาน [4]

การซ่อมแซมดีเอ็นเอ

โดยทั่วไป เซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดประกอบด้วยระบบเอนไซม์ที่สแกนดีเอ็นเอของพวกมันเพื่อตรวจหาความเสียหายและดำเนินการตามกระบวนการซ่อมแซมเมื่อตรวจพบความเสียหาย [23] กระบวนการซ่อมแซมที่หลากหลายได้พัฒนาขึ้นในสิ่งมีชีวิตตั้งแต่แบคทีเรียไปจนถึงมนุษย์ ความชุกอย่างแพร่หลายของกระบวนการซ่อมแซมเหล่านี้บ่งชี้ถึงความสำคัญของการรักษา DNA ของเซลล์ให้อยู่ในสภาพที่ไม่เสียหาย เพื่อหลีกเลี่ยงการตายของเซลล์หรือข้อผิดพลาดในการจำลองแบบอันเนื่องมาจากความเสียหายที่อาจนำไปสู่การกลายพันธุ์ อี. โคไล แบคทีเรียเป็นตัวอย่างที่ดีของสิ่งมีชีวิตในเซลล์ที่มีกระบวนการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ซึ่งรวมถึง (1) การซ่อมแซมการตัดตอนนิวคลีโอไทด์ (2) การซ่อมแซม DNA ที่ไม่ตรงกัน (3) การต่อปลายที่ไม่สัมพันธ์กันของการแยกเกลียวคู่ (4) การซ่อมแซมแบบรีคอมบิเนชันและ (5) การซ่อมแซมที่ขึ้นกับแสง (การกระตุ้นด้วยแสง)

การเจริญเติบโตและการเผาผลาญ

ระหว่างการแบ่งเซลล์ที่ต่อเนื่องกัน เซลล์จะเติบโตผ่านการทำงานของเมแทบอลิซึมของเซลล์ เมแทบอลิซึมของเซลล์เป็นกระบวนการที่แต่ละเซลล์ประมวลผลโมเลกุลสารอาหาร เมตาบอลิซึมแบ่งออกเป็นสองส่วนที่แตกต่างกัน: แคแทบอลิซึม ซึ่งเซลล์สลายโมเลกุลที่ซับซ้อนเพื่อผลิตพลังงานและพลังงานลด และแอแนบอลิซึม ซึ่งเซลล์ใช้พลังงานและพลังงานลดเพื่อสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนและทำหน้าที่อื่นๆ ทางชีววิทยา น้ำตาลเชิงซ้อนที่ร่างกายบริโภคสามารถแบ่งออกเป็นโมเลกุลน้ำตาลที่เรียกว่าโมโนแซ็กคาไรด์ เช่น กลูโคส เมื่อเข้าไปในเซลล์ กลูโคสจะถูกย่อยสลายเพื่อสร้างอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) [4] เป็นโมเลกุลที่มีพลังงานที่หาได้ง่าย ผ่านสองวิถีทางที่แตกต่างกัน

การสังเคราะห์โปรตีน

เซลล์มีความสามารถในการสังเคราะห์โปรตีนใหม่ ซึ่งจำเป็นสำหรับการปรับและบำรุงรักษากิจกรรมของเซลล์ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของโมเลกุลโปรตีนใหม่จากการสร้างกรดอะมิโนตามข้อมูลที่เข้ารหัสใน DNA/RNA การสังเคราะห์โปรตีนโดยทั่วไปประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก: การถอดความและการแปล

การถอดความเป็นกระบวนการที่ใช้ข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA เพื่อสร้างสาย RNA เสริม จากนั้นสาย RNA นี้จะถูกประมวลผลเพื่อให้ RNA ของผู้ส่งสาร (mRNA) ซึ่งสามารถย้ายผ่านเซลล์ได้อย่างอิสระ โมเลกุล mRNA จับกับสารเชิงซ้อนของโปรตีน-RNA ที่เรียกว่าไรโบโซมที่อยู่ในไซโตซอล ซึ่งจะถูกแปลเป็นลำดับโพลีเปปไทด์ ไรโบโซมเป็นสื่อกลางในการก่อตัวของลำดับโพลีเปปไทด์ตามลำดับ mRNA ลำดับ mRNA เกี่ยวข้องโดยตรงกับลำดับพอลิเปปไทด์โดยการจับเพื่อถ่ายโอนโมเลกุลตัวปรับต่อ RNA (tRNA) ในกระเป๋าสำหรับจับภายในไรโบโซม จากนั้นโพลีเปปไทด์ใหม่จะพับเป็นโมเลกุลโปรตีนสามมิติที่ใช้งานได้

การเคลื่อนไหว

สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวสามารถเคลื่อนที่เพื่อหาอาหารหรือหลบหนีผู้ล่า กลไกการเคลื่อนไหวทั่วไป ได้แก่ แฟลกเจลลาและซีเลีย

ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เซลล์สามารถเคลื่อนที่ได้ในระหว่างกระบวนการต่างๆ เช่น การรักษาบาดแผล การตอบสนองของภูมิคุ้มกัน และการแพร่กระจายของมะเร็ง ตัวอย่างเช่น ในการรักษาบาดแผลในสัตว์ เซลล์เม็ดเลือดขาวจะเคลื่อนไปที่บริเวณแผลเพื่อฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดการติดเชื้อ การเคลื่อนที่ของเซลล์เกี่ยวข้องกับตัวรับจำนวนมาก, การเชื่อมขวาง, การรวมกลุ่ม, การจับ, การยึดเกาะ, มอเตอร์และโปรตีนอื่นๆ [24] กระบวนการแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน – การยื่นออกมาของขอบชั้นนำของเซลล์ การยึดเกาะของขอบชั้นนำและการยึดเกาะที่ร่างกายและด้านหลังของเซลล์ และการหดตัวของโครงร่างเซลล์เพื่อดึงเซลล์ไปข้างหน้า แต่ละขั้นตอนขับเคลื่อนด้วยแรงทางกายภาพที่สร้างขึ้นโดยส่วนเฉพาะของโครงร่างโครงร่าง [25] [26]

การนำทาง การควบคุม และการสื่อสาร

ในเดือนสิงหาคม 2020 นักวิทยาศาสตร์ได้บรรยายถึงเซลล์ทางเดียว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเซลล์ของราเมือกและเซลล์ที่ได้จากมะเร็งตับอ่อนของเมาส์ สามารถนำทางผ่านร่างกายได้อย่างมีประสิทธิภาพและระบุเส้นทางที่ดีที่สุดผ่านเขาวงกตที่ซับซ้อน: ทำให้เกิดการไล่ระดับสีหลังจากทำลายสารดูดกลืนเคมีที่กระจายตัวซึ่ง ช่วยให้พวกเขาสัมผัสทางแยกเขาวงกตที่กำลังจะเกิดขึ้นก่อนจะไปถึง รวมถึงบริเวณหัวมุม [27] [28] [29]


ปฏิสัมพันธ์ระหว่าง DNA-เปปไทด์สร้างพฤติกรรมที่ซับซ้อนซึ่งอาจกำหนดรูปแบบทางชีววิทยา

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์โพลาไรเซชันแสดงพื้นผิวลายนิ้วมือทั่วไปซึ่งบ่งชี้ถึงการประกอบของหยดผลึกเหลวที่มีความเข้มข้นสูง เครดิต: Tommaso P Fraccia

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างดีเอ็นเอกับโปรตีนมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านชีววิทยา ตัวอย่างเช่น เซลล์ของมนุษย์แต่ละเซลล์มี DNA ประมาณ 2 เมตร แต่สิ่งนี้ถูกบรรจุลงในช่องว่างที่เล็กกว่าประมาณ 1 ล้านเท่า ข้อมูลใน DNA นี้ทำให้เซลล์สามารถคัดลอกตัวเองได้ การบรรจุหีบห่อที่รุนแรงนี้สามารถทำได้ในเซลล์เป็นหลักโดยห่อหุ้ม DNA ไว้รอบๆ โปรตีน ดังนั้นวิธีที่ DNA และโปรตีนโต้ตอบกันจึงเป็นที่สนใจอย่างมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่พยายามทำความเข้าใจว่าชีววิทยาจัดระเบียบตัวเองอย่างไร งานวิจัยใหม่โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ Earth-Life Science Institute (ELSI) ที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียวและ Institut Pierre-Gilles de Gennes, ESPCI Paris, Université PSL ชี้ให้เห็นว่าปฏิสัมพันธ์ของ DNA และโปรตีนมีแนวโน้มที่จะก่อตัวขึ้น โครงสร้างที่สั่งการเช่นที่อนุญาตให้บรรจุ DNA ที่รุนแรงในเซลล์

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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

Bound to 2 organic side groups

คำถามฝึกหัด

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

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


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

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

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

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

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

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


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

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

แถลงการณ์ความขัดแย้งทางผลประโยชน์

The authors declare no competing financial interests.

ตัวเลข

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

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

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

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

Figure 3. C16orf62, DSCR3 and VPS29 form…

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

Figure 4. The retriever complex requires the…

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

Figure 5. The evolutionary conserved carboxy-terminal tail…

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

Figure 6. The interaction between SNX17 and…

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

Figure 7. Global, quantitative analysis of the…

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Historical background

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


DNA is in Living Things

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

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

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

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

Discovery of DNA - History

Genes and Genomes

Gene Editing and CRISPR

DNA Activities at Ask A Biologist

ต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมหรือไม่?

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