Энергетический обмен. Способы питания. Биология 9 класс Мамонтов



Вопрос 1. Что такое диссимиляция?

Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.

Вопрос 2. Изобразите схематично этапы энергетического обмена.

Энергетический обмен обычно делят на 3 этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, крупные молекулы нуклеиновых кислот – на азотистые основания – нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепловой энергии.

Второй этап – бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетке микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов вступают на путь дальнейшего расщепления. В мышцах, например, в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на 2 молекулы молочной кислоты (гликолиз). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена также катализируются ферментами. При доступе О к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н2О и СО2. кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ.

Вопрос 3. В чём заключается роль АТФ в клетке?

Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию.

Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину 8—10 кДж — эти связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия — 25—40 кДж — это так называемые макроэргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из органического основания аденина (I), углевода рибозы (II) и трех остатков фосфорной кислоты (III). Соединение аденина и рибозы называется аденозином. Пирофосфатные группы имеют макроэргические связи, обозначенные значком ~. Разложение одной молекулы АТФ с участием воды сопровождается отщеплением одной молекулы фосфорной кислоты и выделением свободной энергии, которая равна 33—42 кДж/моль.

Все реакции с участием АТФ регулируются ферментными системами.

Вопрос 4. В каких структурах клетки осуществляется синтез АТФ?

Синтез АТФ происходит в мембранах митохондрий в процессе дыхания, поэтому все ферменты и кофакторы дыхательной цепи, все ферменты окислительного фосфорилирования локализованы в данных органеллах.

Вопрос 5. Сравните известные вам типы питания организмов.

По способу получения органических веществ, т. е. по способу питания, все организмы делятся на две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Вопрос 6. Какие организмы называют автотрофными? На какие группы делят автотрофные организмы?

Автотрофы – это организмы, которые способны сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод в виде СO2, воду и минеральные соли. К ним относятся некоторые бактерии и все зелёные растения.

В зависимости от того, какой источник энергии автотрофные организмы используют для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы. Для фототрофов источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях.

Вопрос 7. Почему в результате фотосинтеза у зелёных растений в атмосферу выделяется свободный кислород?

Источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является фотолиз – разложение воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды, энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путём накапливается энергия, необходимая для процессов связывания СO2.

Вопрос 8. Объясните, почему, несмотря на то что в процессе фотосинтеза синтезируется АТФ, фотосинтез относят к пластическому обмену.

Пластическим обменом называют совокупность реакций биохимического синтеза. Вследствие этих реакций из соединений, поступающих в клетку, образуются необходимые для нее вещества. Основные процессы пластического обмена — это биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, а также фотосинтез и хемосинтез. А так, как при фотосинтезе синтезируются органические вещества, то этот процесс относят к пластическому обмену.

Вопрос 9. Что такое хемосинтез? Расскажите о значении хемосинтезирующих бактерий в природе.

Хемосинтез — тип питания бактерий, основанный на усвоении СO2 за счет окисления неорганических соединений.

Многие виды бактерий, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке, относятся к хемотрофам. Захватываемые бактерией вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из CO2 и h3O. Этот процесс носит название хемосинтеза.

Важнейшую группу хемосинтезирующих организмов представляют собой нитрифицирующие бактерии. Исследуя их, С. Н. Виноградский в 1887 г. открыл процесс хемосинтеза.

Эти бактерии, обитая в почве, окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты:

2Nh4 + 3O2 = 2HNO2 + 2h3O + 653,5 кДж.

Затем бактерии других видов этой группы окисляют азотистую кислоту до азотной:

2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 151,1 кДж.

Взаимодействуя с минеральными веществами почвы, азотистая и азотная кислоты образуют соли, которые являются важнейшими компонентами минерального питания высших растений.

Под действием других видов бактерий в почве происходит образование фосфатов, также используемых высшими растениями.

Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрифицирующие, серобактерии и железобактерии.

Например, нитрифицирующие бактерии получают энергию для синтеза органических веществ, окисляя аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты, серобактерии — окисляя сероводород до сульфатов, водородные бактерии — окисляя водород до воды, а железобактерии — превращая закисные соли железа в окисные. Освобожденная энергия аккумулируется в клетках хемобактерий в форме АТФ. Процесс хемосинтеза, при котором из СO2образуется органическое вещество, протекает аналогично темновой фазе фотосинтеза. Благодаря жизнедеятельности бактерий-хемосинтетиков в природе накапливаются большие запасы селитры и болотной руды.

Чрезвычайно широко распространены в почве и в различных водоемах нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе.

Аммиак , образующийся при гниении белков в почве или в водоемах, окисляется нитрифицирующими бактериями, которые С.Н. Виноградский назвал нитросомонас (Nitrosomonas).

Водородные бактерии

2Н2 + O2 → 2Н2O + Q

Водородные бактерии окисляют водород , постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы . Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа и марганца , также открыл С.Н. Виноградский. Они чрезвычайно широко распространены как в пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и руд марганца . Академик В.И. Вернадский — основатель биогеохимии говорил о залежах железных и марганцевых руд как о результате жизнедеятельности этих бактерий в древние геологические периоды.

Железобактерии

4Fe(HCO3)2 + 6h3O + O2 → 4Fe(OH)3 + 4h3CO3 +4CO2 + Q

При этой реакции энергии выделяется немного, поэтому железобактерии окисляют большое количество закисного железа

Вопрос 10. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.

Организмы, не способные сами синтезировать органические вещества из неорганических, нуждаются в поступлении их из окружающей среды. Эти организмы называют гетеротрофными. К ним относят большинство бактерий, грибы и всех животных.

Эукариотическая клетка. Цитоплазма. Биология 9 класс Мамонтов



Вопрос 1. Изобразите схематично строение эукариотической клетки. Обозначьте её основные части и органоиды.

Эукариотические клетки самых разнообразных организмов – от простейших (корненожки, жгутиковые, инфузории и др.) до грибов, высших растений и животных – отличаются формой, размерами и особенностями строения. Типичной клетки в природе не существует, но у тысяч различных типов клеток можно выделить общие черты строения.

В растительной клетке есть все органоиды, свойственные и животной клетке: ядро, эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи. Вместе с тем она отличается от животной клетки существенными особенностями строения:

1) прочной клеточной стенкой;

2) особыми органоидами – пластидами, в которых происходит первичный синтез органических веществ за счёт энергии света;

3) развитой системой вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток.

Каждая клетка состоит из двух важнейших, неразрывно связанных между собой частей – цитоплазмы и ядра, окружённых наружной мембраной.

Вопрос 2. Составьте и заполните таблицу «Органоиды эукариотической клетки и их функции».

Органоиды клетки — постоянные клеточные структуры, клеточные органы, обеспечивающие выполнение специфических функций в процессе жизнедеятельности клетки — хранение и передачу генетической информации, перенос веществ, синтез и превращения веществ и энергии, деление, движение и др.

Вопрос 3. Что такое включения? Чем включения отличаются от органоидов?

Включениями называют относительно непостоянные компоненты цитоплазмы, которые служат запасными питательными веществами (крахмал, гликоген), продуктами, подлежащими выделению из клетки (гранулы секрета), балластными веществами (некоторые пигменты). Органеллы — это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке определенные функции.

Вопрос 4. Сравните принципиальное строение растительной и животной клеток. В чём их сходство и отличия?

Сходство растительных и животных клеток обнаруживается на элементарном химическом уровне. Современными методами химического анализа в составе живых организмов обнаружено около 90 элементов периодической системы. На молекулярном уровне сходство проявляется в том, что во всех клетках найдены белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины и т. д.

Клетки и растений, и животных окружены тонкой цитоплазматической мембраной. Однако у растений имеется еще толстая целлюлозная клеточная стенка. Клетки, окруженные твердой оболочкой, могут воспринимать из окружающей среды необходимые им вещества только в растворенном состоянии. Поэтому растения питаются осмотически. Интенсивность же питания зависит от величины поверхности тела растения, соприкасающейся с окружающей средой. Вследствие этого у большинства растений наблюдается значительно более высокая степень расчлененности, чем у животных, за счет ветвления побегов и корней.

Растительные клетки отличаются от клеток животных особыми органоидами-пластидами, а также развитой сетью вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток. Животные клетки изолированы друг от друга, а у клеток растений каналы эндоплазматической сети через поры в клеточной стенке сообщаются друг с другом. В качестве запасных питательных веществ в клетках животных накапливается гликоген, а в растительных — крахмал.

Вопрос 5. Выскажите предположение, какие органоиды эукариотической клетки называют полуавтономными. Почему они получили такое название?

К полуавтономным органоидам клетки относят хлоропласты и митохондрии, так как в них содержатся молекулы ДНК и они способны к размножению.

Вопрос 6. Приведите доказательства, что клетка представляет собой целостную систему, т. е. такую систему, в которой строение и функции каждой её части зависят от других частей.

Клетка представляет собой биологическую систему, так как состоит из взаимосвязанных и взаимодействующих элементов — мембраны, ядра, цитоплазмы, различных органелл и других клеточных структур — ресничек, микротрубочек. Клетка обладает свойствами, которыми не обладают ее отдельные части.

Клетка поддерживает свою цельность и создаёт себе подобных (размножается) .

Целостность — свойство системы, первичность целого по отношению к частям; появление у системы новой функции, нового качества, органично вытекающих из составляющих ее элементов, но не присущих ни одному из них, взятому изолированно.

Отдельно взятые составляющие клетки не являются клетками. А все вместе составляющие клетки образуют клетку. Следовательно, клетка (как и всякая система) обладает свойством целостности.

Мамонт возрастом в миллион лет может стать ключом к будущему продуктов питания

Наши современные человеческая диета удивительно разнообразна. Современные агротехнические приемы и технологии инновации позволили беспрецедентно разнообразить диетический выбор. Наш охотник-собиратель предки, однако, не имели такой роскоши. Суровый климат во время холодов времена года заставляли их охотиться за добычей, чтобы удовлетворить свои потребности в калориях, когда растений было слишком мало. Давление охоты было настолько велико, что заставило многих вымирание видов, в том числе мамонтов.

В их шаг, чтобы доказать, что наша цивилизация теперь способна съесть древнюю добычу не занимаясь охотой, наш бельгийский стартап по производству пищевых ингредиентов Paleo реанимировал гем-белок из этих древних толстокожих. Ученые-пищевики воссозданы последовательность миоглобина степного мамонта, Mammuthus trogontherii , в сотрудничестве с Центром палеогенетики в Стокгольме, Швеция. соответствующий генетический материал, выделенный из моляра миллионолетнего мамонта найденная у реки Адыча в Сибири, является древнейшей ДНК, когда-либо секвенированной для дата (van der Valk et al. Nature 2021 — DOI: 10.1038/s41586-021-03224-9).

Так как же они получают животный белок без животного?

С небольшая помощь от дрожжей.

С Правильные инструкции, дрожжевые клетки могут производить большое количество желаемого белка. Эта технология, называемая прецизионной ферментацией, сочетает в себе тщательное генная инженерия с вековым процессом ферментации. Это произвело революцию медицине в 1980-х годах, снабжая диабетиков чистым человеческим инсулином, когда они ранее лечили экстрактом поджелудочной железы свиньи. И это может обеспечить способ революционизировать пищевой белок.

Теперь можно есть даже вымерший вид

Миоглобин содержится в мышцах животных. Группа гема в миоглобине содержит железо. отвечает за связывание кислорода. Таким образом, наличие миоглобина составляет фундаментальный компонент желаемого цвета мяса и рыбы, аромата и содержание питательных веществ.

Мы раскрыли потенциал этой масштабируемой технологической платформы, чтобы предложить более широкий выбор пищевых ингредиентов, начиная с животных миоглобина неживотного происхождения. Дрожжевые клетки получают инструкции для синтеза миоглобина и высвобождают его в ферментационную среду. Затем его очищают и концентрированный. Конечным продуктом является биоидентичный миоглобин, лишенный оставшиеся микробные клетки и ДНК, произведенные лишь с небольшой долей использование земли и воды, необходимых для традиционного производства мяса. Это даже без ГМО, если вы беспокоитесь о таких вещах.

Фото: http://cloudinary.com

Палео производит миоглобин из некоторых наиболее часто потребляемых видов, в том числе говядины, курицы, свинины, овец и тунца, которые будут использоваться в качестве ингредиентов в растительных продуктах. альтернативы мясу и рыбе, чтобы улучшить их органолептические и питательные свойства. ценность. Но мы пошли еще дальше и пришли к выводу, что миоглобин животных с экстремальной потребностью в кислороде — например, из-за гигантизма — демонстрируют отличительные адаптации, которые могут быть выгодно и производителям продуктов питания.

Для например, миоглобин слонов (и мамонтов) несет фенилаланин в положение 30 аминокислотной цепи. Другие виды имеют лейцин в этом должность. Боковая цепь фенилаланина защищает атом железа от аутоокисление, препятствуя попаданию воды в карман связывания гема. Этот адаптация, в свою очередь, ограничивает нежелательное изменение цвета миоглобина от ярко-красный до коричневого.

Что делает уникальный миоглобин степного мамонта – это гистидин в положении аминокислоты 92, вместо глютамина, обычно встречающегося в других видах. Это положительно заряженный остаток увеличивает суммарный поверхностный заряд белка. Повышенный поверхностный заряд — это адаптация, наблюдаемая у ныряющих млекопитающих, где она коррелирует с повышенной концентрацией миоглобина в мышцах.

По увеличивая электростатическое отталкивание между белковыми молекулами, это предотвращает нарушение самоагрегации миоглобина. Поскольку агрегация белков является обычным проблема при экспрессии экзогенных белков в микробах, миоглобин мамонта оказался идеальным кандидатом для Палео.

Это только первый пример того, как вдохновленные природой инновации могут помочь нам перейти к более разнообразные методы производства продуктов питания. Употребление белка от вымершего вида доказывает, что мы все еще можем иметь мясо или рыбу опыт, являющийся частью человеческой культуры на протяжении тысячелетий, без животных платить за это.

Кто является ближайшим родственником шерстистого мамонта?

Научные проекты

Реферат

Шерстистые мамонты тысячелетиями сотрясали землю тундр ледникового периода, живя рядом с саблезубыми тиграми и доисторическим человеком. Хотя они вымерли уже тысячи лет, ученые продолжают узнавать все больше и больше об этом могучем животном. Некоторые из самых захватывающих новых исследований проводятся путем изучения ДНК, извлеченной из волос и костей шерстистых мамонтов, погребенных во льду. В этом проекте научной ярмарки геномики вы будете использовать инструменты биоинформатики, чтобы определить ближайшего родственника шерстистого мамонта. Вы также оцените скорость накопления мутаций в ДНК шерстистого мамонта.

Краткий обзор

Генетика и геномика

 

Краткий курс (2–5 дней)

Вы должны быть знакомы с основными биологическими понятиями, включая ДНК, белки и мутации.

Должен иметь доступ в Интернет.

Очень низкий (менее 20 долларов США)

Нет проблем

Дэвид Уайт, доктор философии, друзья по науке
Отредактировано: Свенья Лонер, доктор философии, друзья по науке инструмент для определения ближайшего живого родственника вымершего шерстистого мамонта. Вы также оцените частоту мутаций в митохондриальной ДНК шерстистого мамонта.

Введение

Применение методов молекулярного анализа к образцам, извлеченным из волос и костей вымерших животных, вызвало волнение среди палеобиологов и других ученых. Наше понимание шерстистого мамонта , например, , которое раньше основывалось на окаменелостях и сравнении с современными слонами, было обогащено анализом его ДНК.

Шерстистые мамонты (научное название: Mammuthus primigenius ) — вымершие слоноподобные животные, которые бродили по Земле примерно 10 000 лет назад, когда ученые считают, что они вымерли из-за потепления, охотников-людей, болезней или комбинации этих факторов.

Считается, что миллионы мамонтов погребены в вечной мерзлоте Сибири. В малонаселенной местности было обнаружено всего около 100 экземпляров, но некоторые из них прекрасно сохранились. В 1997 году во льдах Сибири был найден целый мумифицированный шерстистый мамонт! Перенесено 19 октября.99 в холодную подземную пещеру, где его тщательно изучат. Ученые надеются клонировать этот замечательный экземпляр.

Мамонтов классифицируются в порядке Procoscidae, , который включает в себя Mammoths, Modern Азиатские слоны (Научное название: Elephas Maximus ) и African Sleephant (Scientific Lise: 7007777070 Africanon . мастодонты (научное название: Mammut americanum ). За последние несколько лет ученые успешно выделили митохондриальных ДНК из волос и костей мамонтов и мастодонтов. Исследование Надин Роланд из Института эволюционной антропологии Макса Планка в Германии и его коллег демонстрирует силу генетических данных для прояснения взаимосвязей. Исследователи использовали информацию о последовательности ДНК из зуба мастодонта, чтобы оценить, что время расхождения мастодонтов произошло около 27 миллионов лет назад. Африканские слоны отделились от азиатских слонов и мамонтов около 7,6 миллионов лет назад. Расхождение между мамонтами и азиатскими слонами, по оценкам, произошло около 6,7 миллионов лет назад (рис. 2).

Анализ митохондриальной ДНК является ценным инструментом эволюционной биологии. Легче получить хорошие последовательности из митохондриальной ДНК, чем из хромосомной, потому что в каждой клетке есть несколько копий. Митохондриальные ДНК передаются только от одного родителя (матери) их ребенку, что означает, что они не участвуют в рекомбинации . В результате любые изменения в митохондриальной ДНК происходят только из-за мутаций. Мутации, которые накапливаются с течением времени, полезны для филогенетического анализа. Вы можете спросить, что такое филогенетический анализ и как используются мутации? Филогенетический анализ просто означает изучение эволюционных взаимоотношений между организмами. Мутации играют роль в филогенетическом анализе, потому что они являются идеальными «метками» для линий происхождения. Наличие той или иной мутации в группе животных свидетельствует об общем предке. Большинство мутаций не передаются последующим поколениям, но некоторые становятся обычными в популяции. Мутация, присутствующая на значительном уровне (более 1%) в популяции, часто называется полиморфизм. На основе различий в митохондриальной ДНК можно создать филогенетическое дерево , которое представляет собой древовидную диаграмму, показывающую эволюционные отношения между различными биологическими видами, основанные на сходствах и различиях их генетических характеристик. Вы можете посмотреть два видео ниже, чтобы узнать больше о филогенетике и чтении филогенетических деревьев.

В этом научном выставочном проекте по геномике вы сравните митохондриальную ДНК шерстистого мамонта с митохондриальной ДНК других видов Proboscidae, таких как другие вымершие мамонты, мастодонт, азиатский слон и два разных вида африканских слонов. Основываясь на уровне сходства последовательностей, вы сможете определить, насколько близко мамонты связаны с мастодонтами и современными слонами.

Как указано в Процедуре, вы сначала загрузите последовательность митохондриальной ДНК шерстистого мамонта. Затем вы будете использовать BLAST , программный инструмент, доступный на веб-сайте Национального центра биотехнологической информации (NCBI), для поиска в базе данных последовательностей ДНК наилучших совпадений с ДНК мамонта. Вы будете использовать BLAST, чтобы сделать вывод об эволюционных отношениях между современными слонами и их вымершими родственниками.

Для базовой процедуры вы ВЗРЫВИТЕ часть митохондриальной ДНК шерстистого мамонта против небольшого набора связанных последовательностей последовательностей мастодонта и слона. После того, как вы ознакомитесь с инструментами и базами данных, вы можете расширить свой научный проект, включив в него белковые последовательности. Вы также можете увеличить количество искомых организмов с помощью инструмента BLAST.

Термины и понятия

Чтобы начать предварительное исследование, просмотрите приведенные ниже термины. Кроме того, статья Rohland, et al., цитируемая в библиографии, содержит очень полезные данные и справочную информацию.

• Палеобиолог
• Шерстистый мамонт ( Mammuthus primigenius )
• Хоботок
• Азиатский слон ( Elephas maximus )
• Африканский слон ( Loxodonta africanus )
• Мастодонт ( Mammut americanum )
• Митохондриальная ДНК (мтДНК)
• Рекомбинация
• Филогенетический анализ
• Филогенетическое дерево
• Мутация
• Полиморфизм
• ВЗРЫВ
• Геном
• Молекулярные часы
• Базовые пары
• Запрос

Вопросы

• Исходя из диаграммы на рис. 2, как давно мастодонты отделились от слонов и мамонтов?
• Как митохондриальная ДНК используется для создания филогенетических деревьев?
• Какова связь между количеством мутационных различий в двух митохондриальных геномах и продолжительностью времени, прошедшего с момента их дивергенции? Другими словами, как вы можете использовать мутации, чтобы установить молекулярные часы ?

Библиография

• Роланд, Н. (200, 24 июля). Хоботковая митогеномика: хронология и способ эволюции слонов с использованием мастодонта в качестве внешней группы. PLOS Biology, Vol. 5, № 8, е207. Проверено 14 августа 2008 г.
• Орр, И. (2008). Введение в филогенетический анализ. Проверено 15 августа 2008 г.
.
• Веб-проект «Древо жизни». (2008). Исследуйте Древо Жизни. Проверено 15 августа 2008 г.
.
• Купер, А. (2006). Год Мамонта. Проверено 14 августа 2008 г.
.
• НЦБИ. (2008). Национальный центр биотехнологической информации. Проверено 14 августа 2008 г.
.
• Европейский институт биологии Европейской лаборатории молекулярной биологии. (2008). КласталW2. Проверено 13 ноября 2008 г.
• Рамбо, А. (2018). Как читать филогенетическое дерево. Учебник Филогенетика. Проверено 27 августа 2021 г.

Материалы и оборудование

• Компьютер с высокоскоростным подключением к Интернету
• Лабораторный блокнот

Экспериментальная процедура

Во-первых, получить информацию о последовательности митохондриальной ДНК шерстистого мамонта.

1. Чтобы загрузить последовательность митохондриальной ДНК для митохондриальной ДНК шерстистого мамонта, перейдите в базу данных нуклеотидных последовательностей Национального центра биотехнологической информации (NCBI).
2. Убедитесь, что в поле «Поиск» выбрано «Нуклеотид» в раскрывающемся меню.
3. В поле «Поиск» введите «Митохондрия Mammuthus primigenius, полный геном».
4. Вы получите страницу с результатами поиска. Если имеется более одного результата, найдите тот, который имеет номер доступа MF770243.1. Этот номер является уникальным идентификатором для этой записи.
5. Щелкните ссылку на запись для номера доступа MF770243.1.
6. Просканируйте страницу вверх и вниз в поисках MF770243.1. Он содержит большое количество информации, включая имена исследователей, предоставивших последовательность, дату подачи, последовательность белков, закодированных митохондриальной ДНК, и полную последовательность митохондриальной ДНК (внизу страницы).

Теперь, когда у вас есть ДНК, вы можете использовать ее для поиска похожих последовательностей в базе данных последовательностей нуклеотидов.

7. Откройте новое окно или вкладку в своем интернет-браузере, перейдите на главную страницу NCBI и щелкните ссылку BLAST в списке «Популярные ресурсы» справа.
8. На этой странице содержится информация о том, как работает BLAST, а также ссылки на различные инструменты поиска BLAST.

На странице описаны инструменты поиска BLAST следующим образом: «Инструмент поиска базового локального выравнивания (BLAST) находит области локального сходства между последовательностями. Программа сравнивает последовательности нуклеотидов (или белков) с базами данных последовательностей и вычисляет статистическую значимость совпадений. BLAST может использоваться для вывода о функциональных и эволюционных отношениях между последовательностями, а также для идентификации членов генных семейств».

9. Нажмите на поле с надписью «Nucleotide BLAST» под заголовком «Web BLAST».
10. Когда вы закончите, заполните форму запроса BLAST, которая должна выглядеть примерно так, как показано на рисунке 3 ниже.
    1. Введите номер доступа MF770243.1 в поле с надписью «Введите номер доступа, gi или последовательность FASTA».
    2. В полях «От» и «Кому» введите «1» для «От» и «3000» для «Кому». Первые 3000 пар оснований будут использоваться как запрос. BLAST BLAST всего 16 851 нуклеотида замедляет результаты BLAST и не является необходимым для наших целей.
    3. В поле «Должность» введите «Шерстяной мамонт» или другое имя, если хотите.
    4. Для «База данных» оставьте значение по умолчанию «Стандартные базы данных (номер и т. д.)».
    5. В раскрывающемся списке выберите «Коллекция нуклеотидов (nr/nt)». Эта база данных содержит множество последовательностей нуклеотидов, включая единичные копии (эталонные последовательности) митохондриальных геномов для каждого вида, что упрощает эволюционный анализ.
    6. В поле «Организм» введите «Proboscidea (taxid:9779)». Это ограничит ваш BLAST слонами и их вымершими родственниками. Убедитесь, что между «taxid:» и «9779» нет пробела. Вернитесь к этому моменту позже, если вы хотите BLAST против более широкого набора последовательностей.
    7. В поле «Entrez Query» напишите «complete». Это ограничит ваш поиск полными последовательностями генома и исключит частичные последовательности.
    8. Для «Выбор программы, оптимизация для» выберите «Очень похожие последовательности, мегабласт». (Альтернативы более подходят при поиске отдаленных сходств).
    9. Рядом с кнопкой BLAST установите флажок «Показывать результаты в новом окне».
    10. Затем нажмите кнопку BLAST, чтобы начать поиск в базе данных.
    11. Примечание : Вы также можете перейти на страницу BLAST нуклеотидов непосредственно со страницы NCBI для MF770243.1. С правой стороны в разделе «Анализ этой последовательности» нажмите «Запустить BLAST». Вы попадете на страницу BLAST, где поле инвентарного номера уже заполнено.

11. Будьте терпеливы. Алгоритму поиска потребуется около минуты, чтобы завершить поиск в базе данных. Страница результатов будет похожа на показанную ниже на рисунке 4. 9.0133

12. В левом верхнем углу страницы результатов BLAST вы найдете раздел сводки (синий на рис. 4), в котором представлена ​​информация о различных аспектах вашего поиска. В правом верхнем углу есть поле, позволяющее фильтровать результаты по определенным критериям (красный цвет на рис. 4). Под верхней частью показаны результаты BLAST (желтый цвет на рис. 4). Существует четыре разных вкладки, которые называются «Описание», «Графическая сводка», «Выравнивания» и «Таксономия». Каждая вкладка представляет результаты поиска по-своему.
    1. Вкладка «Описание» содержит сводную таблицу совпадений, найденных BLAST, и является отображаемой вкладкой по умолчанию.
    2. На вкладке «Графическая сводка» показан цветовой ключ выравниваний. Цветовой ключ показывает степень сходства последовательностей.
    3. Раздел «Выравнивание» содержит подробные парные сопоставления между последовательностями запроса и базы данных.
    4. В разделе «Таксономия» представлены сведения о таксономическом распределении совпадений, найденных BLAST.
13. Посмотрите таблицу данных на вкладке «Описание». «Покрытие запроса» отмечает, какая часть запроса была связана с попаданием в базу данных — для этого проекта научной ярмарки этот показатель должен быть близок к 100 %. «Пер. Идент.» В столбце указан процент идентичности между ДНК шерстистого мамонта и другими последовательностями, найденными в базе данных нуклеотидов, которые соответствуют критериям BLAST.
    1. Присмотревшись к результатам, перечисленным в таблице описания, вы заметите, что есть несколько результатов для каждого вида. Каждая из этих последовательностей обычно происходит из другого образца одного и того же вида или изолята другого вида. Вы можете игнорировать последовательности из изолятов для целей этого научного проекта.
    2. Отмените выбор всех последовательностей в таблице результатов, сняв флажок «Выбрать все» в верхнем левом углу таблицы результатов. Затем выберите одну репрезентативную последовательность для каждого интересующего вас вида ( Mammuthus jeffersonii, Mammuthus columbi, Mammuthus primigenius, Elephas maximus, Loxodonta Africana, Loxodonta cyclotis, и Mammut americanum ) из вашего списка и установите соответствующий флажок. Убедитесь, что выбранный результат последовательности включает название вида и слова «митохондрия» и «полный геном». Например, описанием последовательности может быть «митохондрия Elephas maximus, полный геном». Если вы не найдете последовательности для каждого вида, ничего страшного.
    3. Просмотрите и запишите значения % идентичности для каждой из выбранных последовательностей. Основываясь на этих данных, можете ли вы уже сказать, с каким животным наиболее тесно связан шерстистый мамонт?
14. Не снимая выделения с выбранных последовательностей, щелкните вкладку «Выравнивание» и просмотрите выравнивания последовательностей запроса и базы данных.
    1. Выравнивание является сердцевиной выходных данных BLAST. Он связывает каждое основание в запросе с его аналогом в последовательности базы данных.
    2. Ищите несоответствия и пробелы в выравниваниях, чтобы получить представление о типе происходящих изменений.
    3. В верхней части каждого выравнивания имеется информация о % идентичности и количестве несоответствий между запросом и последовательностью базы данных.
15. Составьте таблицу данных в своей лабораторной тетради с фактическим количеством изменений между ДНК мамонта и ДНК других животных. Например, данные могут говорить: «Идентификаций = 2941/3000 (98%), Пробелы = 3/3000 (0%)». Таким образом, изменений 59 (3000 — 2941).
16. Используя приблизительное время расхождения этих животных друг от друга (из раздела «Введение») и фактическое количество различий в ДНК, вы можете оценить скорость, с которой митохондриальная ДНК приобретает мутации. См. пример ниже.

Сосредоточьтесь на полных последовательностях генома различных представителей Proboscidae, которых вы выбрали из списка.

Уравнение 1:

Частота мутаций ~

Количество изменений из отчета BLAST Количество нуклеотидов × количество лет

Уравнение 2:

Частота мутаций ~

60       3 000 × 6 700 000

17. Вы можете сравнить свой результат по частоте мутаций с опубликованной в статье частотой мутаций. Надин Роланд и его коллеги, найденные в библиографии выше. Вам нужно будет найти ссылку на таблицу S3 ниже на веб-странице. Вычисленная вами скорость не будет идентична опубликованной скорости из-за различий в используемых методах и участках ДНК.

Затем используйте выходные данные BLAST для создания филогенетического дерева ваших результатов. Для этого вы будете использовать выбранные вами последовательности.

18. Вернитесь на вкладку «Описание» и убедитесь, что выбранные вами последовательности по-прежнему выбраны. В таблице результатов (справа вверху) нажмите на ссылку «Дистанционное дерево результатов». Это создаст дерево расстояний только для выбранных вами результатов. Если щелкнуть «Дерево результатов расстояний» над таблицей результатов (слева), дерево расстояний будет включать все результаты.
19. Ваше дерево расстояний должно выглядеть примерно так, как показано на рис. 5. Оставьте значения по умолчанию для «Метод дерева» и «Максимальная разница последовательностей», но измените «Метку последовательности» на «Таксономическое имя (идентификатор последовательности)», используя раскрывающийся список. Если вам нравится, вы также можете попробовать различные форматы.

20. Добавьте времена и мутации к созданному вами дереву. Обсудите степень родства между последовательностями, как показано на дереве.
21. Что филогенетическое древо говорит вам о том, как связаны между собой различные виды в группе Proboscidae? Если вам нужна помощь в чтении филогенетического дерева, вы можете просмотреть видео Филогенетика и Чтение филогенетических деревьев или Филогенетический анализ патогенов.

Задать вопрос эксперту

У вас есть конкретные вопросы о вашем научном проекте? Наша команда ученых-добровольцев может помочь. Наши эксперты не сделают всю работу за вас, но они сделают предложения, дадут рекомендации и помогут устранить неполадки.

Опубликовать вопрос

Варианты

Эти вариации предлагают способы, которыми вы можете расширить свой анализ митохондриального генома шерстистого мамонта.

• В основной экспериментальной процедуре вы использовали участок митохондриальной ДНК, чтобы установить семейную структуру хоботных. Расширьте этот анализ, используя митохондриальные белки. Получите запись из NCBI для нуклеотидной последовательности MF770243.1. Скопируйте последовательность белка, например, для белка «субъединица 1 НАДН-дегидрогеназы» со страницы NCBI для MF770243.1. Введите последовательность на странице BLAST, нажав на этот раз на «Protein BLAST». Введите другие настройки, как вы это делали для DNA BLAST. Сравните результаты вашего белкового BLAST и ДНК BLAST.
• В статье Роланда, на которую есть ссылка в библиографии, они исключили область D-петли митохондриальной ДНК, поскольку она накапливает мутации с большей скоростью, чем остальная часть генома. Повторите анализ, исключив D-петлю (на странице NCBI для MF770243.1 указаны границы D-петли).
• Увеличьте количество организмов, которые вы сравниваете с мамонтом. Вы можете сделать это, выбрав больший набор животных в поле «Организмы». (Мамонты классифицируются следующим образом: Eukaryota, Metazoa, Chordata, Craniata, Vertebrata, Euteleostomi, Mammalia, Eutheria, Afrotheria, Proboscidea).
• Загрузите последовательности ДНК или белков из результатов BLAST и создайте дерево с помощью инструментов Европейского института биоинформатики.
• Повторите этот анализ с набором геномов приматов. Как отмечается в статье Роланда, скорость накопления мутаций в линии приматов резко отличается от таковой в линии слонов. Причина неизвестна.

Вакансии

Если вам нравится этот проект, вы можете изучить следующие родственные профессии:

• Руководство по проекту научной ярмарки
• Другие подобные идеи
• Идеи проекта в области генетики и геномики
• Мои любимые

Лента новостей по этой теме

 

, ,

Процитировать эту страницу

Общая информация о цитировании представлена ​​здесь. Обязательно проверьте форматирование, включая заглавные буквы, для используемого метода и при необходимости обновите цитату.