الأتمتة من الحمض النووي والبروتينات: ما هو الشيء المشترك بينها مع الإلكترونيات؟
(رد عالم الأحياء على مقالة "أنت لا تكتب الحيوانات بشكل صحيح" )هناك آلاف الجينات في كل خلية. لم يكن أبدًا أنهم يعملون جميعًا في وقت واحد. تحمل خلايا العضلات والكبد والدماغ نفس مجموعة الجينات. إنها مختلفة جدًا لأن الجينات المختلفة تعمل فيها. يمكن لجميع الخلايا تشغيل وإيقاف الجينات الفردية استجابة للتأثيرات الخارجية المختلفة. أي أن النظام الذي يتحكم في نشاط الجينات هو نظام تحكم آلي. يرغب العلماء في فهم كيفية عمل هذه الأتمتة من أجل أن يكونوا قادرين على إصلاحها وتكسيرها. على سبيل المثال ، يوجد في الخلايا البشرية نظام يتكون من حوالي ثلاثمائة جين وبروتين يتحكم في انقسام الخلايا. عندما ينهار وتبدأ الخلية في الانقسام طوال الوقت ، يحدث السرطان.رسم تخطيطي مبسط لشبكة الجينات ينظم تقسيم الخلايا البشريةكيف هي الأتمتة داخل الخلايا؟
في "الحديد" يستخدم عادة نبضات كهربائية. عادة ما تكون الإشارات في علم الأحياء كيميائية ، أي التغيرات في تركيز أي مواد. هناك إشارات كهربائية في الجهاز العصبي ، ولكن هذا مجرد جهاز لنقل سريع لمسافات طويلة ، على غرار الألياف الضوئية في التكنولوجيا. يحدث انتقال النبض العصبي من خلية إلى أخرى في شكل كيميائي ، وذاكرة طويلة المدى والتكامل المعقد للإشارات في الخلايا العصبية هو أيضًا مادة كيميائية.عندما تكون هناك إشارات ، ستكون هناك خيوط - الإشارات خارج المكان والضوضاء هي القمامة العشوائية الملتصقة بالإشارات. في الإلكترونيات ، يتم توفير وصول الإشارات إلى العنوان عن طريق الأسلاك والعزل. يحدث التداخل نتيجة الاقتران السعوي والحثي بين الموصلات. في الخلية البكتيرية ، تكون محتوياتها مختلطة بشكل متساوٍ تقريبًا ، وأي إشارة كيميائية (وهناك الآلاف منها) متاحة في أي من نقاطها. تنقسم خلايا الحيوانات والنباتات إلى حجرات ذات تركيبة كيميائية مختلفة ، لكن أنواع هذه الحجرات أقل من اثني عشر وتحتوي كل منها على مئات وآلاف المواد المختلفة.يرجع وصول الإشارة في المكان الصحيح في الخلية إلى التعرف الجزيئي على مبدأ "قفل المفاتيح". يمكن لجزيء بروتين واحد أن يتعرف على بروتين آخر ، ويمكن للبروتين التعرف على تسلسل DNA معين ، ويمكن للبروتين أن يتعرف على جزيئات صغيرة مثل السكريات. هذا التعرف ليس دقيقًا دائمًا ، لذا فإن الجزيئات التي تتشابه في الشكل مع شريك التعرف المنتظم ستخلق نصائح. بالإضافة إلى التداخل ، هناك ضوضاء في الإلكترونيات. تنشأ بسبب الحركة الحرارية للذرات ، والتي تدخل جزءًا من الفوضى في حركة الإلكترونات. في الخلية ، ترتبط الضوضاء الكيميائية أيضًا بالحركة الحرارية. عندما تكون الإشارة ضعيفة ، على سبيل المثال ، عشر قطع من الجزيئات من هذا النوع على الخلية بأكملها ، سوف تنتشر هذه الجزيئات حول الخلية بشكل عشوائي ، وليس حقيقة ذلك بالتساوي. ونتيجة لذلك ، سيتذبذب تركيزها في بعض أركان الخلية بشكل عشوائي ، وسيكون هذا ضوضاء.ما الذي ينظم بالضبط في الخلية الحية؟
يمكن اعتبار القفص بمثابة مصنع ينتج جميع المعدات التي يحتاجها ويمكنه تجميع ثاني من نفس المصنع منه. المعدات الرئيسية هي الريبوسومات - آلات CNC التي تجمع كل البروتينات. يتم تسجيل بنية البروتين الذي تم جمعه على شريط - مصفوفة RNA (mRNA). يتحرك الريبوسوم على طول mRNA ، ووفقًا لتعليماته ، يجمع سلسلة من بروتين جديد من وحدات فردية - الأحماض الأمينية. يتم طي سلسلة البروتين الخارجة من الريبوسوم إلى كرة مضغوطة من البروتين الناضج ، والتي تبدأ في العمل. يمكن للبروتينات تسريع التفاعلات الكيميائية (الإنزيمات) ، وكذلك الانخراط في نقل المواد ، والإشارات ، والدفاع ، وأشياء أخرى كثيرة.يتم تشكيل mRNAs كنسخ من الأقسام الفردية من الحمض النووي الخلوي. يمكن مقارنة الحمض النووي بأرشيف التوثيق التكنولوجي في مكتب كبير المهندسين ، ومرنا مع نسخ من الرسومات التي تعطى للورشة. الناسخة التي تنشئ هذه النسخ هي أيضًا بروتين يسمى RNA polymerase. يمكن أن يجلس على DNA ويبدأ في نسخه ليس في كل مكان ، ولكن فقط على أقسام خاصة من DNA - المروجين الذين أمام كل جين أو مجموعة من الجينات تعمل معًا.يتم تحديد تضمين وإلغاء تنشيط الجينات بشكل رئيسي في مرحلة هبوط RNA polymerase على المروج. إذا كان بوليميراز RNA يجلس بسهولة على محفز الجين ، فإن العديد من نسخ mRNA منه تُنتج منه الريبوسومات والعديد من جزيئات البروتين المشفرة بواسطة هذا الجين - سيتم تشغيلها. إذا تداخل شيء مع هبوط بوليميراز RNA ، فسيتم إيقاف تشغيل الجين. أي أن الجينات يتم تشغيلها وإيقافها في مرحلة التفاعل بين بوليميراز RNA والمحفز. يمكن لجزيئات أخرى مختلفة أن تساعد أو تتداخل مع ارتباطها. تشكل هذه الجزيئات الأخرى ، وهي بروتينات تنظيمية خاصة في المقام الأول ، إلى جانب المروج ومناطق الحمض النووي المجاورة عنصرًا منطقيًا يمكنه دمج عدة إشارات إدخال مختلفة.عناصر المنطق على الحمض النووي والبروتينات
ربما يكون المثال الأكثر درسًا لمفتاح الجين هو عمل اللاكتوز في الإشريكية القولونية. حصل الفرنسي جاكوب ومونو على بحثه جائزة نوبل في عام 1965. الإشريكية القولونية ، كما يوحي اسمها ، تعيش في الأمعاء. يمكن أن تكون أمعاء مجموعة متنوعة من الحيوانات ، من النحل إلى البشر. هناك عليها أن تأكل ما حصلت عليه المالك ، حتى تتمكن من تناول العديد من العناصر الغذائية المختلفة.الإشريكية القولونية تحت المجهر وعلى طبق بتري.يمكن أن تنمو الإشريكية القولونية ، على سبيل المثال ، على وسيط مغذي يتكون فقط من الجلوكوز والأملاح المعدنية وإنتاج جميع الأحماض الأمينية والفيتامينات التي يحتاجها. بدلاً من الجلوكوز ، قد يكون هناك سكريات أخرى (الفركتوز وسكر الشعير - المالتوز وسكر الحليب - اللاكتوز وعشرات الآخرين) ، بالإضافة إلى السكريات مثل النشا.لامتصاص كل من هذه السكريات ، تحتاج إلى إنزيماتك الخاصة. يجب أن يبدأ إنتاج هذه الإنزيمات فقط عندما يكون السكر المقابل في البيئة ، وإلا سيتم إهدار المواد والطاقة لإنتاج هذه الإنزيمات. أي أن جينات إنزيمات هضم السكر يجب تشغيلها فقط عند وجود هذا السكر. لاستيعاب كل سكر ، كقاعدة عامة ، هناك حاجة إلى العديد من الإنزيمات ، وليس واحدًا. تقع جيناتهم بالقرب من سلسلة DNA ويتم التحكم في نشاطهم من خلال منطقة تنظيمية مشتركة من DNA في بداية الجين الأول. تسمى هذه المجموعة من الجينات التعاونية التي يتم التحكم فيها بشكل متزامن "أوبرون".مخطط لبروتيناللاكتوز يتكون دكتور اللاكتوز من ثلاثة جينات. يرمز الأول (LacZ) إلى بروتين نقل يضخ اللاكتوز في الخلية ، ويقوم الآخران (LacI و LacA) بترميز الإنزيمات ، التي يعمل المفصل منها على تحويل اللاكتوز إلى "السكر الافتراضي" - الجلوكوز. في بداية منطوق اللاكتوز ، يوجد موقع ربط بوليميراز RNA (مروج) وموقع ربط بروتين (مشغل).يتم التحكم في نشاط أوبرا اللاكتوز بإشارتين. من الواضح أن الإشارة الأولى هي تركيز اللاكتوز. إذا لم يكن هناك لاكتوز ، فلن تكون هناك حاجة إلى إنزيمات استيعابه. الإشارة الثانية أكثر تعقيدًا بقليل. في إحدى التجارب ، نما يعقوب ومونو E. coli على وسط يحتوي على كل من اللاكتوز والجلوكوز. في مثل هذه الظروف ، تستهلك العصا أولاً الجلوكوز ، ويتم إيقاف تشغيله من مادة اللاكتوز. عندما ينتهي الجلوكوز ، يتوقف نمو البكتيريا لمدة 15-20 دقيقة ، ثم يستمر بسبب اللاكتوز. أثناء التوقف ، يتم تشغيل أوبرا اللاكتوز. أي أن المدخل التنظيمي الثاني يوقف تشغيل اللاكتوز عندما تحتوي الخلية على سكريات متاحة أكثر من اللاكتوز (لا يتطلب امتصاص الجلوكوز أي إنزيمات إضافية).أظهرت التجارب الإضافية أن مُعامِل اللاكتوز لا يستجيب للجلوكوز نفسه. بدلاً من ذلك ، يتم ترميز مستوى الجوع (بشكل أكثر دقة ، "الخير" للسكريات المتاحة) داخل خلية E. coli بواسطة مادة إشارة خاصة. يطلق عليه "أحادي الفوسفات الأدينوزين الحلقي" أو cAMP. بينما تنمو العصا على الجلوكوز ، لا يوجد أي عملية تخدير في الخلية. إذا لم يكن هناك جلوكوز ، ولكن كان هناك مالتوز أو نشا (أصعب قليلاً في امتصاص المواد) ، يتم إنتاج القليل من cAMP. إذا لم يكن هناك مالتوز ، ولكن كان هناك فركتوز أو لاكتوز ، فسيكون مستوى cAMP في الخلية أعلى. إذا لم يكن هناك سكريات ، ولكن هناك حمض اللاكتيك - حتى أعلى ، وأخيرًا ، إذا لم يكن هناك شيء لذيذ ، وعليك أن تأكل الجلسرين ، فإن مستوى cAMP سيكون الأعلى. لذا ، تتحكم إشارتان في عمل اللاكتوز: تركيز اللاكتوز وتركيز cAMP.كيف تؤثر هذه الإشارات على النشاط الجيني؟ الجين النشط هو الجين الذي ينتج عنه بوليميراز RNA العديد من الرنا المرسال. يبدأ RNA polymerase دائمًا العمل على هذا الأوبرون عن طريق الهبوط على نفس منطقة الحمض النووي (يطلق عليه "المروج"). أين مكان اللاكتوز و camp؟ لا يستطيع بوليميراز RNA التعرف على مئات الإشارات التي تنظم نشاط آلاف الجينات. لهذا ، هناك بروتينات تنظيمية خاصة (تسمى "عوامل النسخ"). يشارك بروتينان تنظيميان في إدارة أوبرا اللاكتوز ، واحد لكل إشارة إدخال: مكثف اللاكتوز ومُنشط تقويضي.مُثبط اللاكتوز (أرجواني) على الحمض النوويمُثبط اللاكتوز هو بروتين يمكن أن يرتبط إما اللاكتوز أو تسلسل معين من الحمض النووي. هناك تسلسلين من هذا القبيل في جينوم Escherichia coli ، كلاهما في بداية أوبرا اللاكتوز ، على جانبي المروج. تلتصق جزيئات مثبط اللاكتوز ببعضها البعض في مجموعات من أربعة جزيئات بروتينية. إن ربط مثل هذه الأربعة إلى DNA يلف حبلا DNA في حلقة ضيقة ينتهي بها المروج. لا يمكن أن يجلس بوليميراز RNA على مثل هذا المروج الملتوي وينطفئ الجين. إذا ظهر اللاكتوز في الخلية ، فإنه يرتبط بمثبط اللاكتوز ويسقط من الحمض النووي ، ويحرر المروج لبوليميراز RNA - يبدأ الأوبرون في العمل. هذه هي الطريقة التي يتم بها ترتيب المدخلات التنظيمية للأوبرون من حيث تركيز اللاكتوز.منشط تقويضي على الحمض النووييستجيب منشط تقويضي بطريقة مشابهة لتركيز cAMP. صحيح ، هناك عدة اختلافات في التفاصيل:- المنشط الهضمي يجلس على الحمض النووي فقط إلى جانب المروج ولا يتداخل معه. على العكس من ذلك ، فإنه يعزز ربط بوليميراز الحمض النووي الريبي مع المروج ويزيد من نشاط الأوبرون.- منشط تقويضي يربط cAMP و DNA. بدون cAMP ، لا يمكنه الارتباط بالحمض النووي.- هناك حاجة إلى منشط تقويمي للنشاط الكامل لعامل اللاكتوز ، ولكن حتى بدونه ، سيظل العامل يعمل لحوالي 5 ٪ من إجمالي النشاط. ينظم معزز اللاكتوز الأوبرون في النطاق من 0 إلى 100٪.- ترتبط جزيئات المنشط الهضمي في أزواج وليس أربع. في المنشور التالي سنرى ما يؤدي إليه هذا الاختلاف.أي أننا يمكن أن نكتب جدول الحقيقة لوبرون اللاكتوز:يعمل معمل اللاكتوز تقريبًا مثل عنصر المنطق AND. فقط 5٪ من النشاط في حالة "اللاكتوز + cAMP -" يخرج قليلاً من الصورة المثالية.تابع الرسوم البيانية وماتان: https://geektimes.ru/post/283686/ Source: https://habr.com/ru/post/ar399233/
All Articles