Otomasi dari DNA dan protein: apa kesamaannya dengan elektronik?
(tanggapan ahli biologi terhadap artikel "Anda tidak menulis binatang dengan benar" )Ada ribuan gen di setiap sel. Tidak pernah mereka semua bekerja secara bersamaan. Sel otot, hati, dan otak membawa set gen yang sama. Mereka sangat berbeda karena gen yang berbeda bekerja di dalamnya. Semua sel dapat menghidupkan dan mematikan gen individu sebagai respons terhadap berbagai pengaruh eksternal. Yaitu, sistem yang mengontrol aktivitas gen merupakan sistem kontrol otomatis. Para ilmuwan ingin memahami cara kerja otomatisasi semacam itu agar dapat memperbaiki dan memecahkannya. Misalnya, dalam sel manusia ada sistem sekitar tiga ratus gen dan protein yang mengontrol pembelahan sel. Ketika itu rusak dan sel mulai membelah sepanjang waktu, kanker terjadi.Diagram disederhanakan dari jaringan gen yang mengatur pembelahan sel manusiaBagaimana otomatisasi intraseluler?
Dalam "besi" biasanya digunakan impuls listrik. Sinyal dalam biologi biasanya kimia, yaitu perubahan konsentrasi zat apa pun. Ada sinyal listrik di sistem saraf, tetapi ini hanya perangkat untuk transmisi jarak jauh yang cepat, mirip dengan serat optik dalam teknologi. Transmisi impuls saraf dari sel ke sel terjadi dalam bentuk kimia, memori jangka panjang dan integrasi kompleks sinyal dalam neuron juga bersifat kimiawi.Di mana ada sinyal, akan ada arahan - sinyalnya tidak pada tempatnya dan kebisingannya adalah sampah acak yang menempel pada sinyalnya. Dalam elektronik, kedatangan sinyal di alamat disediakan oleh kabel dan isolasi. Crosstalk terjadi karena kopling kapasitif dan induktif yang menyimpang di antara konduktor. Dalam sel bakteri, isinya kurang lebih tercampur secara merata, dan sinyal kimia apa pun (dan ada ribuan) tersedia di titik mana pun. Sel-sel hewan dan tumbuhan dibagi menjadi kompartemen dengan komposisi kimia yang berbeda, tetapi jenis kompartemen ini kurang dari selusin dan masing-masing berisi ratusan dan ribuan zat yang berbeda.Kedatangan sinyal di tempat yang tepat dalam sel adalah karena pengakuan molekuler pada prinsip "kunci-kunci". Satu molekul protein dapat mengenali protein lain, protein dapat mengenali urutan DNA tertentu, protein dapat mengenali molekul kecil seperti gula. Pengakuan ini tidak selalu benar-benar akurat, sehingga molekul yang bentuknya mirip dengan mitra pengenal reguler akan menciptakan tip. Selain gangguan, ada suara bising dalam elektronik. Mereka muncul karena gerakan termal atom, yang memperkenalkan sebagian kecil dari kekacauan dalam gerakan elektron. Dalam sel, noise kimia juga terkait dengan pergerakan termal. Ketika sinyalnya lemah, misalnya, sepuluh potong molekul jenis ini di atas seluruh sel, molekul-molekul ini akan tersebar di sekitar sel secara acak, dan bukan fakta yang merata. Akibatnya, konsentrasi mereka di beberapa sudut sel akan berfluktuasi secara acak, dan ini akan menjadi suara bising.Apa sebenarnya yang diatur dalam sel hidup?
Kandang dapat dianggap sebagai pabrik yang menghasilkan semua peralatan yang dibutuhkannya dan dapat mengumpulkan sedetik dari pabrik yang sama darinya. Peralatan utama adalah ribosom - mesin CNC yang mengumpulkan semua protein. Struktur protein yang dikumpulkan dicatat pada RNA pita - matriks (mRNA). Ribosom bergerak di sepanjang mRNA dan, sesuai dengan instruksinya, mengumpulkan rantai protein baru dari unit individu - asam amino. Rantai protein yang muncul dari ribosom dilipat menjadi bola padat protein matang, yang mulai bekerja. Protein dapat mempercepat reaksi kimia (enzim), serta terlibat dalam pengangkutan zat, pensinyalan, pertahanan, dan banyak hal lainnya.
Elemen logika pada DNA dan protein
Mungkin contoh gen yang paling banyak dipelajari adalah operon laktosa Escherichia coli. Jacob Perancis dan Mono untuk penelitiannya dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1965. E. coli, seperti namanya, hidup di usus. Ini bisa menjadi usus berbagai binatang, dari lebah hingga manusia. Di sana dia harus makan apa yang didapat pemiliknya, sehingga dia bisa makan banyak nutrisi berbeda.E. coli di bawah mikroskop dan di cawan PetriE. coli dapat tumbuh, misalnya, pada media nutrisi yang hanya terdiri dari glukosa dan garam mineral dan menghasilkan semua asam amino dan vitamin yang dibutuhkannya. Alih-alih glukosa, mungkin ada gula lain (fruktosa, gula malt - maltosa, gula susu - laktosa, dan selusin lainnya), serta polisakarida, seperti pati.Untuk menyerap masing-masing gula ini, Anda membutuhkan enzim Anda sendiri. Produksi enzim ini harus dimulai hanya ketika gula yang sesuai berada di lingkungan, jika tidak bahan dan energi untuk produksi enzim ini akan terbuang sia-sia. Yaitu, gen dari enzim pencernaan gula ini harus dinyalakan hanya ketika gula ini ada. Untuk mengasimilasi setiap gula, sebagai aturan, beberapa enzim diperlukan, dan bukan satu. Gen-gen mereka terletak di dekat rantai DNA dan aktivitas mereka dikendalikan oleh satu wilayah pengatur DNA yang umum pada awal gen pertama. Sekelompok gen kolaboratif dan terkontrol secara sinkron disebut "operon".Skema operonlaktosa Operon laktosa terdiri dari tiga gen. Yang pertama (LacZ) mengkodekan protein transpor yang memompa laktosa ke dalam sel, dan dua lainnya (LacI dan LacA) menyandikan enzim, kerja bersama yang mengubah laktosa menjadi "gula default" - glukosa. Pada awal operon laktosa ada situs pengikatan RNA polimerase (promotor) dan situs pengikatan protein pengatur (operator).Aktivitas operon laktosa dikendalikan oleh dua sinyal. Sinyal pertama, jelas, adalah konsentrasi laktosa. Jika tidak ada laktosa, maka enzim asimilasi tidak diperlukan. Sinyal kedua sedikit lebih rumit. Dalam satu percobaan, Jacob dan Mono menumbuhkan E. coli pada media yang mengandung laktosa dan glukosa. Dalam kondisi seperti itu, tongkat pertama mengkonsumsi glukosa, dan operon laktosa dimatikan. Ketika glukosa berakhir, pertumbuhan bakteri berhenti selama 15-20 menit, dan kemudian berlanjut karena laktosa. Selama jeda, operon laktosa dihidupkan. Yaitu, input pengaturan kedua mematikan operon laktosa ketika sel memiliki lebih banyak gula yang tersedia daripada laktosa (pengambilan glukosa tidak memerlukan enzim tambahan).Eksperimen lebih lanjut menunjukkan bahwa operon laktosa tidak merespon glukosa itu sendiri. Sebaliknya, tingkat kelaparan (lebih tepatnya, "kebaikan" gula yang tersedia) di dalam sel E. coli dikodekan oleh zat pensinyalan khusus. Ini disebut "cyclic adenosine monophosphate," atau cAMP. Sementara tongkat tumbuh pada glukosa, praktis tidak ada cAMP dalam sel. Jika tidak ada glukosa, tetapi ada maltosa atau pati (sedikit lebih sulit untuk mengasimilasi zat), dihasilkan sedikit cAMP. Jika tidak ada maltosa, tetapi ada fruktosa atau laktosa, tingkat cAMP dalam sel akan lebih tinggi. Jika tidak ada gula, tetapi ada asam laktat - bahkan lebih tinggi, dan akhirnya, jika tidak ada yang enak dan Anda harus makan gliserin, maka tingkat cAMP akan menjadi yang tertinggi. Jadi, dua sinyal mengontrol operon laktosa: konsentrasi laktosa dan konsentrasi cAMP.Bagaimana sinyal-sinyal ini memengaruhi aktivitas gen? Gen aktif adalah gen di mana RNA polimerase menghasilkan banyak RNA messenger. RNA polimerase selalu mulai bekerja pada operon ini dengan mendarat di wilayah DNA yang sama (disebut "promotor"). Di mana tempat laktosa dan cAMP? RNA polimerase tidak dapat mengenali semua ratusan sinyal yang mengatur aktivitas ribuan gen. Untuk ini, ada protein pengaturan khusus (mereka disebut "faktor transkripsi"). Dua protein pengatur terlibat dalam pengelolaan operon laktosa, satu untuk setiap sinyal input: penekan laktosa dan aktivator katabolik.Penekan laktosa (ungu) pada DNAPenekan laktosa adalah protein yang dapat mengikat laktosa atau urutan DNA tertentu. Ada dua sekuens seperti itu dalam genom Escherichia coli, keduanya pada awal operon laktosa, di kedua sisi promotor. Molekul penekan laktosa dengan kuat saling menempel dalam kelompok empat molekul protein. Pengikatan empat DNA seperti itu memutar untai DNA menjadi lingkaran yang ketat di mana promotor berakhir. RNA polimerase tidak dapat duduk pada promotor yang bengkok seperti itu dan gennya mati. Jika laktosa muncul dalam sel, ia berikatan dengan represor laktosa dan jatuh dari DNA, membebaskan promotor untuk RNA polimerase - operon mulai bekerja. Ini adalah bagaimana pengaturan input operon dalam hal konsentrasi laktosa diatur.Aktivator katabolik pada DNAAktivator katabolik merespons dengan cara yang mirip dengan konsentrasi cAMP. Benar, ada beberapa perbedaan dalam detailnya:- aktivator katabolik duduk di DNA tepat di samping promotor dan tidak tumpang tindih. Sebaliknya, itu meningkatkan pengikatan RNA polimerase ke promotor dan meningkatkan aktivitas operon.- aktivator katabolik mengikat cAMP dan DNA. Tanpa cAMP, ia tidak dapat berikatan dengan DNA.- aktivator katabolik diperlukan untuk aktivitas penuh operon laktosa, tetapi bahkan tanpa operonnya masih akan bekerja sekitar 5% dari total aktivitas. Penekan laktosa mengatur operon dalam kisaran dari 0 hingga 100%.- Molekul-molekul aktivator katabolik terhubung berpasangan, bukan merangkak. Pada posting selanjutnya kita akan melihat apa yang menyebabkan perbedaan ini.Artinya, kita bisa menulis tabel kebenaran untuk operon laktosa:Operon laktosa bekerja hampir seperti elemen logika AND. Hanya 5% aktivitas dalam keadaan "laktosa +, cAMP -" sedikit keluar dari gambaran ideal.Dilanjutkan dengan grafik dan matan: https://geektimes.ru/post/283686/ Source: https://habr.com/ru/post/id399233/
All Articles