Automatisierung aus DNA und Proteinen: Was hat sie mit Elektronik zu tun?
(Antwort des Biologen auf den Artikel "Sie schreiben Tiere nicht richtig" )In jeder Zelle gibt es Tausende von Genen. Es ist nie so, dass sie alle gleichzeitig arbeiten. Muskel-, Leber- und Gehirnzellen tragen den gleichen Satz von Genen. Sie sind so unterschiedlich, weil in ihnen unterschiedliche Gene wirken. Alle Zellen können einzelne Gene als Reaktion auf verschiedene äußere Einflüsse ein- und ausschalten. Das heißt, das System, das die Aktivität von Genen steuert, ist ein solches automatisches Steuersystem. Wissenschaftler wollen verstehen, wie eine solche Automatisierung funktioniert, um sie reparieren und knacken zu können. Zum Beispiel gibt es in menschlichen Zellen ein System von ungefähr dreihundert Genen und Proteinen, das die Zellteilung steuert. Wenn es zusammenbricht und sich die Zelle ständig zu teilen beginnt, tritt Krebs auf.Ein vereinfachtes Diagramm des Gennetzwerks, das die Teilung menschlicher Zellen reguliertWie ist intrazelluläre Automatisierung?
Im "Eisen" werden üblicherweise elektrische Impulse verwendet. Signale in der Biologie sind normalerweise chemisch, dh Änderungen in der Konzentration von Substanzen. Es gibt elektrische Signale im Nervensystem, aber dies ist nur ein Gerät für die schnelle Fernübertragung, ähnlich wie bei Glasfasern in der Technologie. Die Übertragung eines Nervenimpulses von Zelle zu Zelle erfolgt in chemischer Form, im Langzeitgedächtnis und die komplexe Integration von Signalen in ein Neuron ist ebenfalls chemisch.Wo Signale vorhanden sind, gibt es Leitungen - die Signale sind fehl am Platz und das Rauschen ist zufälliger Müll, der an den Signalen haftet. In der Elektronik wird das Eintreffen von Signalen an der Adresse durch Drähte und Isolierung bereitgestellt. Übersprechen tritt aufgrund einer kapazitiven und induktiven Streukopplung zwischen Leitern auf. In einer Bakterienzelle ist ihr Inhalt mehr oder weniger gleichmäßig gemischt, und jedes chemische Signal (und es gibt Tausende von ihnen) ist an jedem ihrer Punkte verfügbar. Die Zellen von Tieren und Pflanzen sind in Kompartimente mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung unterteilt, aber die Arten dieser Kompartimente sind weniger als ein Dutzend und enthalten jeweils Hunderte und Tausende verschiedener Substanzen.Das Eintreffen des Signals an der richtigen Stelle in der Zelle beruht auf der molekularen Erkennung nach dem Prinzip der "Tastensperre". Ein Proteinmolekül kann ein anderes Protein erkennen, ein Protein kann eine bestimmte DNA-Sequenz erkennen, ein Protein kann kleine Moleküle wie Zucker erkennen. Diese Erkennung ist nicht immer genau, daher erzeugen Moleküle, deren Form einem regulären Erkennungspartner ähnelt, Tipps. Neben Störungen treten in der Elektronik Geräusche auf. Sie entstehen durch die thermische Bewegung von Atomen, die einen Bruchteil des Chaos in die Bewegung von Elektronen einführt. In einer Zelle ist chemisches Rauschen auch mit thermischer Bewegung verbunden. Wenn das Signal schwach ist, z. B. zehn Stücke eines solchen Moleküls über die gesamte Zelle, werden diese Moleküle zufällig in der Zelle verteilt und nicht gleichmäßig. Infolgedessen schwankt ihre Konzentration in einer Ecke der Zelle zufällig, und dies ist Rauschen.Was genau ist in einer lebenden Zelle reguliert?
Ein Käfig kann als eine Anlage betrachtet werden, die alle benötigten Geräte produziert und daraus eine Sekunde derselben Anlage zusammenbauen kann. Die Hauptausrüstung sind Ribosomen - CNC-Maschinen, die alle Proteine sammeln. Die Struktur des gesammelten Proteins wird auf einer Tape-Matrix-RNA (mRNA) aufgezeichnet. Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA und sammelt gemäß seinen Anweisungen eine Kette eines neuen Proteins aus einzelnen Einheiten - Aminosäuren. Die aus dem Ribosom austretende Proteinkette wird zu einer kompakten Kugel aus reifem Protein gefaltet, die zu arbeiten beginnt. Proteine können chemische Reaktionen (Enzyme) beschleunigen sowie den Transport von Substanzen, die Signalübertragung, die Abwehr und viele andere Dinge übernehmen.
Logische Elemente auf DNA und Proteinen
Das vielleicht am besten untersuchte Beispiel für einen Genwechsel ist das Laktoseoperon von Escherichia coli. Der Franzose Jacob und Mono erhielten 1965 für seine Forschungen den Nobelpreis. E. coli lebt, wie der Name schon sagt, im Darm. Es kann der Darm einer Vielzahl von Tieren sein, von Bienen bis zu Menschen. Dort muss sie essen, was der Besitzer hat, damit sie viele verschiedene Nährstoffe essen kann.E. coli unter dem Mikroskop und auf einer Petrischale.E. coli kann beispielsweise auf einem Nährmedium wachsen, das nur aus Glukose und Mineralsalzen besteht, und alle benötigten Aminosäuren und Vitamine produzieren. Anstelle von Glukose können andere Zucker (Fruktose, Malzzucker - Maltose, Milchzucker - Laktose und ein Dutzend andere) sowie Polysaccharide wie Stärke vorhanden sein.Um jeden dieser Zucker aufzunehmen, benötigen Sie Ihre eigenen Enzyme. Die Produktion dieser Enzyme sollte nur begonnen werden, wenn sich der entsprechende Zucker in der Umwelt befindet, da sonst die Materialien und die Energie für die Produktion dieser Enzyme verschwendet werden. Das heißt, die Gene dieser Zuckerverdauungsenzyme sollten nur dann eingeschaltet werden, wenn dieser Zucker vorhanden ist. Um jeden Zucker zu assimilieren, werden in der Regel mehrere Enzyme benötigt und nicht eines. Ihre Gene befinden sich in der Nähe der DNA-Kette und ihre Aktivität wird zu Beginn des ersten Gens durch eine gemeinsame regulatorische Region der DNA gesteuert. Eine solche Gruppe kollaborativer und synchron gesteuerter Gene wird als "Operon" bezeichnet.Schema des Laktoseoperons DasLaktoseoperon besteht aus drei Genen. Das erste (LacZ) codiert ein Transportprotein, das Laktose in die Zelle pumpt, und die anderen beiden (LacI und LacA) codieren Enzyme, die zusammenarbeiten, um Laktose in Standardzucker umzuwandeln - Glukose. Zu Beginn des Lactoseoperons gibt es eine RNA-Polymerase-Bindungsstelle (Promotor) und eine regulatorische Proteinbindungsstelle (Operator).Die Aktivität des Lactoseoperons wird durch zwei Signale gesteuert. Das erste Signal ist offensichtlich die Laktosekonzentration. Wenn es keine Laktose gibt, werden die Enzyme ihrer Assimilation nicht benötigt. Das zweite Signal ist etwas komplizierter. In einem Experiment züchteten Jacob und Mono E. coli auf einem Medium, das sowohl Lactose als auch Glucose enthielt. Unter solchen Bedingungen verbraucht der Stab zuerst Glukose und sein Laktoseoperon wird ausgeschaltet. Wenn die Glukose endet, stoppt das Bakterienwachstum für 15 bis 20 Minuten und setzt sich dann aufgrund von Laktose fort. Während einer Pause wird das Laktoseoperon eingeschaltet. Das heißt, der zweite regulatorische Eingang schaltet das Laktoseoperon aus, wenn die Zelle mehr Zucker als Laktose zur Verfügung hat (die Glukoseaufnahme erfordert keine zusätzlichen Enzyme).Weitere Experimente zeigten, dass das Lactose-Operon nicht auf Glucose selbst reagiert. Stattdessen wird das Ausmaß des Hungers (genauer gesagt die „Güte“ des verfügbaren Zuckers) in der Zelle von E. coli von einer speziellen Signalsubstanz kodiert. Es wird als "cyclisches Adenosinmonophosphat" oder cAMP bezeichnet. Während der Stick auf Glukose wächst, befindet sich praktisch kein cAMP in der Zelle. Wenn es keine Glukose gibt, aber Maltose oder Stärke (etwas schwieriger zu assimilierende Substanzen), wird ein wenig cAMP produziert. Wenn es keine Maltose gibt, aber Fructose oder Lactose, ist der cAMP-Spiegel in der Zelle höher. Wenn es keinen Zucker gibt, aber Milchsäure - noch höher - und wenn es nichts Leckeres gibt und Sie Glycerin essen müssen, ist der cAMP-Spiegel am höchsten. Zwei Signale steuern also das Laktoseoperon: die Laktosekonzentration und die cAMP-Konzentration.Wie wirken sich diese Signale auf die Genaktivität aus? Ein aktives Gen ist eines, auf dem die RNA-Polymerase viele Messenger-RNAs produziert. Die RNA-Polymerase beginnt immer mit der Arbeit an diesem Operon, indem sie auf derselben DNA-Region landet (sie wird als "Promotor" bezeichnet). Wo ist der Platz für Laktose und cAMP? Die RNA-Polymerase kann nicht alle Hunderte von Signalen erkennen, die die Aktivität von Tausenden von Genen regulieren. Hierfür gibt es spezielle regulatorische Proteine (sie werden als „Transkriptionsfaktoren“ bezeichnet). An der Verwaltung des Laktoseoperons sind zwei regulatorische Proteine beteiligt, eines für jedes Eingangssignal: ein Laktoserepressor und ein katabolischer Aktivator.Laktoserepressor (lila) auf DNA EinLaktoserepressor ist ein Protein, das entweder an Laktose oder eine bestimmte DNA-Sequenz binden kann. Es gibt zwei solche Sequenzen im Genom von Escherichia coli, beide zu Beginn des Lactose-Operons, auf beiden Seiten des Promotors. Die Laktoserepressormoleküle haften in Gruppen von vier Proteinmolekülen fest aneinander. Die Bindung eines solchen Vierers an DNA verdreht den DNA-Strang in eine enge Schleife, in der der Promotor endet. Die RNA-Polymerase kann nicht auf einem solchen verdrehten Promotor sitzen und das Gen schaltet sich aus. Wenn Laktose in der Zelle erscheint, bindet sie an den Laktoserepressor und fällt von der DNA ab, wodurch der Promotor für die RNA-Polymerase freigesetzt wird - das Operon beginnt zu arbeiten. Auf diese Weise wird der regulatorische Input des Operons in Bezug auf die Laktosekonzentration angeordnet.Ein katabolischer Aktivator auf DNA Einkatabolischer Aktivator reagiert ähnlich wie die cAMP-Konzentration. Es stimmt, es gibt verschiedene Unterschiede in den Details:- Der katabolische Aktivator sitzt auf der DNA direkt neben dem Promotor und überlappt ihn nicht. Im Gegenteil, es verstärkt die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor und erhöht die Aktivität des Operons.- Ein katabolischer Aktivator bindet cAMP und DNA. Ohne cAMP kann es nicht an DNA binden.- Für die volle Aktivität des Laktoseoperons wird ein katabolischer Aktivator benötigt, aber auch ohne diesen wirkt das Operon noch etwa 5% der Gesamtaktivität. Der Laktoserepressor reguliert das Operon im Bereich von 0 bis 100%.- Die Moleküle des katabolen Aktivators sind paarweise verbunden, nicht zu viert. Im nächsten Beitrag werden wir sehen, wozu dieser Unterschied führt.Das heißt, wir können eine Wahrheitstabelle für das Laktoseoperon schreiben:Das Laktoseoperon funktioniert fast wie ein UND-Logikelement. Nur 5% der Aktivität im Zustand von "Lactose +, cAMP -" fallen leicht aus dem Idealbild heraus.Fortsetzung mit Grafiken und Matan: https://geektimes.ru/post/283686/ Source: https://habr.com/ru/post/de399233/
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