🏙️ 👵🏾 😮 डीएनए और प्रोटीन से स्वचालन: इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ इसका क्या मतलब है? 🤚🏿 👩🏿‍🎨 🤾🏼

( "आप जानवरों को सही तरीके से नहीं लिखते हैं" लेख के लिए जीवविज्ञानी की प्रतिक्रिया )

हर कोशिका में हजारों जीन होते हैं। ऐसा कभी नहीं है कि वे सभी एक साथ काम करते हैं। मांसपेशियों, यकृत और मस्तिष्क की कोशिकाएं जीन का एक ही सेट ले जाती हैं। वे इतने अलग हैं क्योंकि विभिन्न जीन उनमें काम करते हैं। सभी कोशिकाएं विभिन्न बाहरी प्रभावों के जवाब में व्यक्तिगत जीन को चालू और बंद कर सकती हैं। अर्थात्, जीन की गतिविधि को नियंत्रित करने वाली प्रणाली एक ऐसी स्वचालित नियंत्रण प्रणाली है। वैज्ञानिक यह समझना चाहते हैं कि ऐसी स्वचालन कैसे काम करती है ताकि यह मरम्मत और दरार करने में सक्षम हो। उदाहरण के लिए, मानव कोशिकाओं में लगभग तीन सौ जीन और प्रोटीन की एक प्रणाली होती है जो कोशिका विभाजन को नियंत्रित करती है। जब यह टूट जाता है और कोशिका हर समय विभाजित होने लगती है, तो कैंसर होता है।

जीन नेटवर्क का एक सरल आरेख जो मानव कोशिकाओं के विभाजन को नियंत्रित करता है

इंट्रासेल्युलर स्वचालन कैसे है?

"लोहा" में आमतौर पर विद्युत आवेगों का उपयोग किया जाता है। जीव विज्ञान में संकेत आमतौर पर रासायनिक होते हैं, अर्थात किसी भी पदार्थ की एकाग्रता में परिवर्तन होता है। तंत्रिका तंत्र में विद्युत संकेत होते हैं, लेकिन यह केवल लंबी दूरी के संचरण के लिए एक उपकरण है, जो प्रौद्योगिकी में ऑप्टिकल फाइबर के समान है। सेल से सेल में एक तंत्रिका आवेग का संचरण रासायनिक रूप में होता है, दीर्घकालिक स्मृति और एक न्यूरॉन में संकेतों के जटिल एकीकरण भी रासायनिक होता है।

जहां सिग्नल होते हैं, वहां लीड होंगे - सिग्नल जगह से बाहर हैं और शोर सिग्नल से चिपके यादृच्छिक कचरा है। इलेक्ट्रॉनिक्स में, पते पर संकेतों का आगमन तारों और इन्सुलेशन द्वारा प्रदान किया जाता है। कंडक्टरों के बीच आवारा कैपेसिटिव और आगमनात्मक युग्मन के कारण क्रॉसस्टॉक होता है। एक जीवाणु कोशिका में, इसकी सामग्री कम या ज्यादा समान रूप से मिश्रित होती है, और इसके किसी भी बिंदु पर कोई भी रासायनिक संकेत (और हजारों की संख्या में) उपलब्ध है। जानवरों और पौधों की कोशिकाओं को विभिन्न रासायनिक संरचना के साथ डिब्बों में विभाजित किया जाता है, लेकिन इन डिब्बों के प्रकार एक दर्जन से कम हैं और प्रत्येक में सैकड़ों और हजारों विभिन्न पदार्थ शामिल हैं।

सेल में सही जगह पर सिग्नल का आगमन "की-लॉक" के सिद्धांत पर आणविक मान्यता के कारण है। एक प्रोटीन अणु दूसरे प्रोटीन को पहचान सकता है, एक प्रोटीन एक विशिष्ट डीएनए अनुक्रम को पहचान सकता है, एक प्रोटीन शर्करा जैसे छोटे अणुओं को पहचान सकता है। यह मान्यता हमेशा पूरी तरह से सही नहीं होती है, इसलिए अणु जो एक नियमित पहचान साझेदार के आकार के समान होते हैं वे युक्तियां बनाएंगे। हस्तक्षेप के अलावा, इलेक्ट्रॉनिक्स में शोर हैं। वे परमाणुओं के उष्मीय गति के कारण उत्पन्न होते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों की गति में अराजकता का एक अंश पेश करता है। एक सेल में, रासायनिक शोर थर्मल आंदोलन के साथ भी जुड़ा हुआ है। जब संकेत कमजोर होता है, उदाहरण के लिए, पूरे सेल पर इस प्रकार के अणुओं के दस टुकड़े, ये अणु सेल के चारों ओर बेतरतीब ढंग से बिखरे होंगे, और इस तथ्य से नहीं कि समान रूप से। नतीजतन, सेल के किसी कोने में उनकी एकाग्रता में बेतरतीब ढंग से उतार-चढ़ाव होगा, और यह शोर होगा।

एक जीवित कोशिका में वास्तव में क्या विनियमित है?

एक पिंजरे को एक पौधे के रूप में माना जा सकता है जो उसके लिए आवश्यक सभी उपकरणों का उत्पादन करता है और उसी पौधे के एक सेकंड को इकट्ठा कर सकता है। मुख्य उपकरण राइबोसोम है - सीएनसी मशीनें जो सभी प्रोटीन एकत्र करती हैं। एकत्र प्रोटीन की संरचना एक टेप - मैट्रिक्स आरएनए (एमआरएनए) पर दर्ज की जाती है। राइबोसोम एमआरएनए के साथ चलता है और, इसके निर्देशों के अनुसार, अलग-अलग इकाइयों से एक नए प्रोटीन की एक श्रृंखला एकत्र करता है - एमिनो एसिड। राइबोसोम से निकलने वाली प्रोटीन श्रृंखला परिपक्व प्रोटीन की एक कॉम्पैक्ट गेंद में बदल जाती है, जो काम करना शुरू कर देती है। प्रोटीन रासायनिक प्रतिक्रियाओं (एंजाइम) को तेज कर सकते हैं, साथ ही साथ पदार्थों के परिवहन, सिग्नलिंग, रक्षा और कई अन्य चीजों में संलग्न हो सकते हैं।

mRNAs का निर्माण कोशिकीय डीएनए के अलग-अलग वर्गों की प्रतियों के रूप में होता है। डीएनए की तुलना मुख्य अभियंता के कार्यालय में तकनीकी दस्तावेज के संग्रह के साथ की जा सकती है, और कार्यशाला के लिए दिए गए चित्र की प्रतियों के साथ mRNA। इन प्रतियों को बनाने वाला कापियर भी एक प्रोटीन है जिसे आरएनए पोलीमरेज़ कहा जाता है। यह डीएनए पर बैठ सकता है और इसे हर जगह नहीं, बल्कि केवल डीएनए के विशेष खंडों पर प्रमोट करना शुरू कर सकता है - प्रमोटर जो प्रत्येक जीन या जीन के समूह के साथ मिलकर काम कर रहे हैं।

प्रमोटर पर मुख्य रूप से आरएनए पोलीमरेज़ के लैंडिंग के चरण में जीनों को शामिल करना और निष्क्रिय करना निर्धारित किया जाता है। यदि आरएनए पोलीमरेज़ आसानी से एक जीन के प्रमोटर पर बैठता है, तो इससे कई एमआरएनए प्रतियां बनाई जाती हैं और राइबोसोम इस जीन द्वारा एन्कोड किए गए कई प्रोटीन अणुओं का उत्पादन करते हैं - इसे चालू किया जाएगा। यदि आरएनए पोलीमरेज़ की लैंडिंग में कुछ बाधा आती है, तो जीन को बंद कर दिया जाएगा। यही है, जीन को आरएनए पोलीमरेज़ और प्रमोटर के बीच बातचीत के चरण में बंद और चालू किया जाता है। विभिन्न अन्य अणु उनके बंधन में मदद या हस्तक्षेप कर सकते हैं। ये अन्य अणु, मुख्य रूप से विशेष नियामक प्रोटीन, प्रमोटर और पड़ोसी डीएनए क्षेत्रों के साथ मिलकर एक तार्किक तत्व बनाते हैं जो कई अलग-अलग इनपुट संकेतों को एकीकृत कर सकते हैं।

डीएनए और प्रोटीन पर तर्क तत्व

शायद जीन स्विच का सबसे अधिक अध्ययन किया गया उदाहरण एस्चेरिचिया कोलाई का लैक्टोज ऑपेरॉन है। उनके शोध के लिए फ्रांसीसी जैकब और मोनो को 1965 में नोबेल पुरस्कार दिया गया था। ई। कोलाई, जैसा कि इसके नाम का अर्थ है, आंत में रहता है। यह मधुमक्खियों से लेकर इंसानों तक कई तरह के जानवरों की आंतें हो सकती हैं। वहां उसे वही खाना पड़ता है जो मालिक को मिलता है, इसलिए वह कई अलग-अलग पोषक तत्व खा सकती है।

ई। कोलाई एक माइक्रोस्कोप के तहत और पेट्री डिश पर।

ई। कोलाई बढ़ सकता है, उदाहरण के लिए, केवल ग्लूकोज और खनिज लवण से युक्त एक पोषक माध्यम पर और सभी अमीनो एसिड और विटामिन का उत्पादन करते हैं जिनकी इसे आवश्यकता होती है। ग्लूकोज के बजाय, अन्य शर्करा (फ्रुक्टोज, माल्ट शुगर - माल्टोज, दूध चीनी - लैक्टोज और एक दर्जन अन्य) हो सकते हैं, साथ ही स्टार्च जैसे पॉलीसेकेराइड भी हो सकते हैं।

इनमें से प्रत्येक शर्करा को अवशोषित करने के लिए, आपको अपने स्वयं के एंजाइमों की आवश्यकता होती है। इन एंजाइमों का उत्पादन तभी शुरू किया जाना चाहिए जब संबंधित चीनी मध्यम में हो, अन्यथा इन एंजाइमों के उत्पादन के लिए सामग्री और ऊर्जा बर्बाद हो जाएगी। यही है, इन चीनी पाचन एंजाइमों के जीन को केवल तभी चालू किया जाना चाहिए जब यह चीनी मौजूद हो। प्रत्येक चीनी को आत्मसात करने के लिए, एक नियम के रूप में, कई एंजाइमों की आवश्यकता होती है, और एक नहीं। उनके जीन डीएनए श्रृंखला में पास में स्थित हैं और उनकी गतिविधि को पहले जीन की शुरुआत में डीएनए के एक सामान्य नियामक क्षेत्र द्वारा नियंत्रित किया जाता है। सहयोगी और समकालिक रूप से नियंत्रित जीन के ऐसे समूह को "ऑपेरॉन" कहा जाता है।

लैक्टोज ऑपेरॉन की योजना

लैक्टोज ऑपेरोन में तीन जीन होते हैं। पहला (LacZ) एक ट्रांसपोर्ट प्रोटीन को एनकोड करता है जो लैक्टोज को सेल में पंप करता है, और दूसरे दो (LacI और LacA) एंजाइमों को एनकोड करते हैं जो लैक्टोज को डिफॉल्ट शुगर - ग्लूकोज में बदलने के लिए एक साथ काम करते हैं। लैक्टोज ऑपेरॉन की शुरुआत में एक आरएनए पोलीमरेज़ बाइंडिंग साइट (प्रमोटर) और एक नियामक प्रोटीन बाइंडिंग साइट (ऑपरेटर) है।

लैक्टोज ऑपेरॉन की गतिविधि को दो संकेतों द्वारा नियंत्रित किया जाता है। पहला संकेत, जाहिर है, लैक्टोज की एकाग्रता है। यदि लैक्टोज नहीं है, तो इसके आत्मसात के एंजाइमों की आवश्यकता नहीं है। दूसरा संकेत थोड़ा अधिक जटिल है। एक प्रयोग में, याकूब और मोनो ने लैक्टोज और ग्लूकोज दोनों युक्त एक माध्यम पर ई। कोलाई का उत्पादन किया। ऐसी स्थितियों के तहत, छड़ी पहले ग्लूकोज की खपत करती है, और इसका लैक्टोज ऑपेरॉन बंद हो जाता है। जब ग्लूकोज समाप्त होता है, तो बैक्टीरिया की वृद्धि 15-20 मिनट के लिए रुक जाती है, और फिर लैक्टोज के कारण जारी रहती है। ठहराव के दौरान, लैक्टोज ऑपेरोन को चालू किया जाता है। यही है, दूसरा नियामक इनपुट लैक्टोज ऑपेरॉन को बंद कर देता है जब सेल में लैक्टोज की तुलना में अधिक शर्करा उपलब्ध होती है (ग्लूकोज अपटेक को किसी अतिरिक्त एंजाइम की आवश्यकता नहीं होती है)।

आगे के प्रयोगों से पता चला है कि लैक्टोज ऑपेरॉन ग्लूकोज में ही प्रतिक्रिया नहीं करता है। इसके बजाय, ई। कोलाई की कोशिका के अंदर भूख का स्तर (अधिक सटीक, उपलब्ध शर्करा की "अच्छाई") एक विशेष संकेतन पदार्थ द्वारा एन्कोड किया गया है। इसे "चक्रीय एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट" या सीएमपी कहा जाता है। जबकि छड़ी ग्लूकोज पर बढ़ती है, सेल में व्यावहारिक रूप से कोई सीएमपी नहीं है। यदि कोई ग्लूकोज नहीं है, लेकिन माल्टोज़ या स्टार्च है (पदार्थों को आत्मसात करने के लिए थोड़ा अधिक कठिन), थोड़ा सा सीएमपी उत्पन्न होता है। यदि कोई माल्टोज नहीं है, लेकिन फ्रुक्टोज या लैक्टोज है, तो सेल में सीएमपी का स्तर अधिक होगा। यदि कोई शर्करा नहीं है, लेकिन लैक्टिक एसिड है - इससे भी अधिक, और अंत में, अगर कोई स्वादिष्ट नहीं है और आपको ग्लिसरीन खाना है, तो सीएमपी का स्तर उच्चतम होगा। तो, दो संकेत लैक्टोज ऑपेरॉन को नियंत्रित करते हैं: लैक्टोज एकाग्रता और सीएमपी एकाग्रता।

ये संकेत जीन गतिविधि को कैसे प्रभावित करते हैं? एक सक्रिय जीन वह है जिस पर आरएनए पोलीमरेज़ कई दूत आरएनए का उत्पादन करता है। आरएनए पोलीमरेज़ हमेशा एक ही डीएनए क्षेत्र (इसे "प्रमोटर" कहा जाता है) पर उतरकर इस ऑपेरॉन पर काम शुरू करता है। लैक्टोज और सीएमपी के लिए जगह कहां है? आरएनए पोलीमरेज़ उन सभी सैकड़ों संकेतों को नहीं पहचान सकता जो हजारों जीनों की गतिविधि को नियंत्रित करते हैं। इसके लिए, विशेष नियामक प्रोटीन हैं (उन्हें "प्रतिलेखन कारक" कहा जाता है)। लैक्टोज ऑपेरॉन के प्रबंधन में दो नियामक प्रोटीन शामिल होते हैं, प्रत्येक इनपुट सिग्नल के लिए एक: एक लैक्टोज रिप्रेसर और एक कैटाबोलिक एक्टिवेटर।

डीएनए पर लैक्टोज रिप्रेसर (बैंगनी) एक

लैक्टोज रिप्रेसर एक प्रोटीन है जो लैक्टोज या एक विशिष्ट डीएनए अनुक्रम को बांध सकता है। एस्चेरिचिया कोलाई के जीनोम में इस तरह के दो क्रम हैं, दोनों लैक्टोज ऑपेरॉन की शुरुआत में, प्रमोटर के दोनों ओर। लैक्टोज रिप्रेसर अणु चार प्रोटीन अणुओं के समूहों में दृढ़ता से एक दूसरे का पालन करते हैं। डीएनए में इस तरह के चार का बंधन डीएनए को एक तंग लूप में बदल देता है जिसमें प्रमोटर समाप्त हो जाता है। आरएनए पोलीमरेज़ ऐसे मुड़ प्रमोटर पर नहीं बैठ सकता है और जीन बंद हो जाता है। यदि लैक्टोज सेल में दिखाई देता है, तो यह लैक्टोज रिप्रेसर को बांधता है और आरएनए पोलीमरेज़ के लिए प्रमोटर को मुक्त करते हुए, यह डीएनए से गिर जाता है - ऑपेरॉन काम करना शुरू कर देता है। यह है कि लैक्टोज एकाग्रता के संदर्भ में ओपेरॉन के विनियामक इनपुट को कैसे व्यवस्थित किया जाता है।

डीएनए पर एक

कैटाबोलिक एक्टीवेटर एक कैटाबोलिक एक्टीवेटर समान रूप से सांद्रता के प्रति प्रतिक्रिया करता है। सच है, विवरण में कई अंतर हैं:

- प्रमोटर के किनारे पर catabolic उत्प्रेरक डीएनए पर बैठता है और इसे ओवरलैप नहीं करता है। इसके विपरीत, यह प्रवर्तक को आरएनए पोलीमरेज़ के बंधन को बढ़ाता है और ऑपेरॉन की गतिविधि को बढ़ाता है।
- एक कैटाबोलिक एक्टीवेटर सीएमपी और डीएनए को बांधता है। सीएमपी के बिना, यह डीएनए से नहीं जुड़ सकता है।
- लैक्टोज ऑपेरॉन की पूर्ण गतिविधि के लिए एक कैटाबोलिक एक्टिवेटर की आवश्यकता होती है, लेकिन इसके बिना भी ऑपेरोन अभी भी कुल गतिविधि के लगभग 5% के लिए काम करेगा। लैक्टोज रिप्रेसर 0 से 100% तक की सीमा में ऑपेरॉन को नियंत्रित करता है।
- कैटाबोलिक एक्टीवेटर के अणु जोड़े में जुड़े होते हैं, न कि चौके से। अगली पोस्ट में हम देखेंगे कि यह अंतर किस ओर जाता है।

यही है, हम लैक्टस ऑपेरॉन के लिए एक सत्य तालिका लिख सकते हैं:

लैक्टोज ऑपेरॉन लगभग एक AND तर्क तत्व की तरह काम करता है। "लैक्टोज +, सीएमपीए -" की स्थिति में केवल 5% गतिविधि आदर्श चित्र से थोड़ा बाहर आती है।

रेखांकन और मटन के साथ जारी: https://geektimes.ru/post/283686/

डीएनए और प्रोटीन से स्वचालन: इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ इसका क्या मतलब है?

इंट्रासेल्युलर स्वचालन कैसे है?

एक जीवित कोशिका में वास्तव में क्या विनियमित है?

डीएनए और प्रोटीन पर तर्क तत्व

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