DNA和蛋白质的自动化：与电子学有何共同点？
（生物学家对文章“您没有正确写动物”的回应）每个细胞中都有成千上万的基因。从来没有他们都同时工作。肌肉，肝和脑细胞携带相同的基因集。它们之所以如此不同是因为不同的基因在其中起作用。所有细胞都可以响应各种外部影响打开和关闭单个基因。即，控制基因活性的系统就是这样的自动控制系统。科学家们想了解这种自动化的工作原理，以便能够对其进行修复和破解。例如，在人类细胞中，存在控制细胞分裂的约三百种基因和蛋白质的系统。当它分解并且细胞一直在分裂时，就会发生癌症。调节人类细胞分裂的基因网络的简化图细胞内自动化如何？
在“铁”中通常使用电脉冲。生物学中的信号通常是化学信号，即任何物质浓度的变化。神经系统中有电信号，但这仅是一种用于快速长距离传输的设备，类似于技术上的光纤。神经冲动从细胞到细胞的传递以化学形式发生，长期记忆并且神经元中信号的复杂整合也是化学的。在有信号的地方，会有引线-信号不正确，并且噪声是随机垃圾附着在信号上。在电子产品中，信号通过导线和绝缘层到达地址。由于导体之间的杂散电容和电感耦合而产生串扰。在细菌细胞中，其内容或多或少均匀地混合在一起，任何化学信号（成千上万种）都可以在其任何位置获得。动植物的细胞被分成具有不同化学成分的隔室，但是这些隔室的类型少于十二个，每个隔室包含成千上万种不同的物质。信号到达细胞正确位置的原因是基于“键锁”原理的分子识别。一个蛋白质分子可以识别另一种蛋白质，一种蛋白质可以识别特定的DNA序列，一种蛋白质可以识别小分子，例如糖。这种识别并不总是完全准确的，因此形状类似于常规识别伙伴的分子将产生提示。除干扰外，电子设备中还存在噪声。它们是由于原子的热运动而产生的，原子的热运动在电子运动中引入了一小部分混沌。在电池中，化学噪声也与热运动有关。当信号微弱时，例如，整个细胞上有十个这种类型的分子，这些分子将随机散布在细胞周围，而不是均匀分散的事实。结果，它们在细胞某个角落的浓度会随机波动，这就是噪音。活细胞中到底受到什么调节？
笼子可以看作是生产所需设备的工厂，并且可以从中组装同一工厂的第二个工厂。主要设备是核糖体-收集所有蛋白质的CNC机器。收集的蛋白质的结构记录在磁带-基质RNA（mRNA）上。核糖体沿着mRNA移动，并根据其指示，从单个单元-氨基酸中收集一串新蛋白质。从核糖体出来的蛋白质链被折叠成成熟蛋白质的紧密球，然后开始起作用。蛋白质可以加速化学反应（酶），并参与物质的运输，信号传递，防御以及许多其他事情。mRNA形成为细胞DNA各个部分的副本。可以将DNA与总工程师办公室的技术文档存档进行比较，并将mRNA与提供给车间的图纸副本进行比较。产生这些拷贝的复印机也是一种称为RNA聚合酶的蛋白质。它可以坐在DNA上，并不会在任何地方复制它，而只能在DNA的特定部分上复制-每个基因或基因组共同作用的启动子。基因的包含和失活主要在RNA聚合酶到达启动子的阶段确定。如果RNA聚合酶很容易地位于基因的启动子上，那么它会产生许多mRNA拷贝，而核糖体会产生许多由该基因编码的蛋白质分子-它将被打开。如果某种干扰RNA聚合酶的着陆，则该基因将被关闭。即，在RNA聚合酶和启动子之间相互作用的阶段打开和关闭基因。各种其他分子可以帮助或干扰其结合。这些其他分子，主要是特殊的调节蛋白，与启动子和邻近的DNA区域一起形成一个逻辑元件，可以整合多个不同的输入信号。DNA和蛋白质的逻辑元素
基因开关研究最多的例子可能是大肠杆菌的乳糖操纵子。法国人雅各布和莫诺的研究获得1965年诺贝尔奖。顾名思义，大肠杆菌生活在肠道中。它可以是从蜜蜂到人类的多种动物的肠道。她必须在那里吃主人所得到的，所以她可以吃许多不同的营养素。大肠杆菌可以在显微镜下和培养皿上生长，例如，它可以在仅包含葡萄糖和矿盐的营养培养基上生长，并产生其所需的所有氨基酸和维生素。除了葡萄糖以外，可能还有其他糖（果糖，麦芽糖-麦芽糖，牛奶糖-乳糖等十几种糖）以及多糖，例如淀粉。要吸收每种糖，您需要自己的酶。仅当环境中存在相应的糖时，才应开始生产这些酶，否则会浪费生产这些酶的材料和能量。即，仅当存在这种糖时，才应打开这些糖消化酶的基因。通常，要吸收每种糖，需要几种酶，而不是一种。它们的基因位于DNA链的附近，其活性受第一个基因开始时DNA的一个共同调控区域控制。这样一组协同和同步控制的基因称为“操纵子”。乳糖操纵子的方案乳糖操纵子由三个基因组成。第一个（LacZ）编码将乳糖泵入细胞的转运蛋白，其他两个（LacI和LacA）编码酶，其联合作用将乳糖转变为“默认糖”-葡萄糖。乳糖操纵子的开始处有一个RNA聚合酶结合位点（启动子）和一个调节蛋白结合位点（操纵子）。乳糖操纵子的活性受两个信号控制。显然，第一个信号是乳糖的浓度。如果没有乳糖，则不需要其同化酶。第二个信号稍微复杂一些。在一个实验中，雅各布和莫诺在含有乳糖和葡萄糖的培养基上生长大肠杆菌。在这种情况下，棒先消耗葡萄糖，然后关闭其乳糖操纵子。当葡萄糖终止时，细菌的生长停止15-20分钟，然后由于乳糖而继续生长。暂停期间，乳糖操纵子会打开。也就是说，当细胞具有比乳糖更多的可用糖时，第二个调节输入将关闭乳糖操纵子（葡萄糖摄取不需要任何其他酶）。进一步的实验表明乳糖操纵子对葡萄糖本身没有反应。取而代之的是，大肠杆菌细胞内部的饥饿水平（更准确地说，是可用糖的“好处”）由一种特殊的信号物质编码。它称为“环状单磷酸腺苷”或cAMP。尽管棒在葡萄糖上生长，但实际上细胞中没有cAMP。如果没有葡萄糖，但是有麦芽糖或淀粉（稍难吸收物质），就会产生少量的cAMP。如果没有麦芽糖，但是有果糖或乳糖，则细胞中的cAMP水平会更高。如果没有糖，但是有乳酸-甚至更高，最后，如果没有什么好吃的，而您必须吃甘油，那么cAMP的水平将是最高的。因此，有两个信号控制乳糖操纵子：乳糖浓度和cAMP浓度。这些信号如何影响基因活性？活性基因是一种RNA聚合酶在其上产生许多信使RNA的基因。 RNA聚合酶总是通过着陆在相同的DNA区域（称为“启动子”）而开始对该操纵子起作用。乳糖和cAMP的地方在哪里？ RNA聚合酶无法识别调节数千个基因活性的数百种信号。为此，存在特殊的调节蛋白（它们称为“转录因子”）。乳糖操纵子的管理涉及两种调节蛋白，一种针对每种输入信号：一种乳糖抑制子和一种分解代谢活化剂。DNA上的乳糖阻遏物（紫色）乳糖阻遏物是一种可以结合乳糖或特定DNA序列的蛋白质。大肠杆菌基因组中有两个这样的序列，都在乳糖操纵子的开始，在启动子的任一侧。乳糖阻抑剂分子以四个蛋白质分子为一组牢固地相互粘附。这样的四个与DNA的结合将DNA链扭曲成紧密的环，其中启动子终止。 RNA聚合酶不能坐在这种扭曲的启动子上，并且基因关闭。如果乳糖出现在细胞中，它会与乳糖阻遏物结合，并脱落到DNA上，从而释放出RNA聚合酶的启动子-操纵子开始起作用。这是操纵子关于乳糖浓度的调节输入的方式。DNA上的分解代谢活化剂A分解代谢活化剂对cAMP浓度的反应相似。的确，在细节上存在几个差异：-分解代谢激活剂仅位于启动子侧面的DNA上，并且不与启动子重叠。相反，它增强了RNA聚合酶与启动子的结合并增加了操纵子的活性。-分解代谢激活剂结合cAMP和DNA。没有cAMP，它将无法与DNA结合。-乳糖操纵子的全部活性需要分解代谢活化剂，但是即使没有乳糖操纵子，操纵子仍可发挥约5％的总活性。乳糖阻遏剂调节操纵子的范围是0到100％。-分解代谢活化剂的分子成对连接，而不是成对连接。在下一篇文章中，我们将看到这种差异会导致什么。也就是说，我们可以为乳糖操纵子编写一个真值表：乳糖操纵子的作用几乎类似于AND逻辑元素。在“乳糖+，cAMP-”状态下，只有5％的活性稍微偏离理想状态。续图和Matan：https ://geektimes.ru/post/283686/ Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN399233/
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