生物无限 - 有机数据库

化学博士。工程。西普里安-加布里埃尔·奇塞加-内格里尔

座右铭：

一开始很简单。解释宇宙的起源是相当困难的，无论它多么简单。我想每个人都接受这样的观点，即解释具有所有必要设备的复杂秩序——生命或能够创造生命的存在的突然出现是更加困难的。达尔文的自然选择进化论令人满意，因为它向我们展示了一种将简单转化为复杂的方法，一些无序的原子如何组合成越来越复杂的结构，直到最终创造出人类。

理查德·道金斯 (Richard Dawkins) – 《自私的基因》，第二章 – 复制者，第 14 页14，布加勒斯特，技术版，2001 年（译：Dan Crăciun）

一、摘要

反渗透： 本文主要描述了真核细胞的结构以及细胞质和细胞核的子结构，以帮助理解脱氧核糖核酸/DNA 如何作为包含细胞生长和繁殖所需的所有信息的数据库发挥作用。它还描述了 DNA 中包含的信息被转录为核糖核酸/RNA，然后用作核糖体内蛋白质合成模板的机制。文章的结构是描述真核细胞基本信息的元文本之一，真核细胞是高等生物体（包括人类）的组成部分。为了更好地理解所处理的主题，代表深入信息和参考文献链接的二维码已插入到文本中。

英语： 本文主要描述了真核细胞的结构以及细胞质和细胞核内的子结构，以帮助理解脱氧核糖核酸 (DNA) 如何作为包含细胞生长和繁殖所需所有信息的数据库发挥作用。它还解释了 DNA 中包含的信息被转录为核糖核酸 (RNA)，然后用作核糖体内蛋白质合成模板的机制。这篇文章的结构是一种元文本，提供了有关真核细胞的基本信息——高等生物体（包括人类）的组成部分。为了更好地理解该主题，文本中包含了二维码，可提供深入的信息和参考书目。

关键词： 生物体、细胞、DNA、RNA、蛋白质、数据库

二.介绍

我们所生活的地球已有大约 45 亿年的历史。会很多吗？会不会有一点？事实上，它几乎是宇宙年龄的三分之一。大约 40 亿年前，第一种生命形式以单细胞原核生物的形式出现。这种细胞类型包括细菌和古细菌纲的成员。它们的特点是没有细胞核，但有鞭毛（大多数时候）、细胞膜、细胞质、核糖体和含有分散在细胞质中的遗传信息的核苷酸。

地球的历史

宇宙法则

原核生物

真核生物

II.a.真核生物

真核生物是比原核生物复杂得多的生物。与原核细胞相比，真核细胞大约大一万倍。单细胞和多细胞真核生物都可以包括在这一类中。它们是属于动物（如人类）、植物（如玉米）和真菌（如香菇）的细胞。

植物

动物

菌

该类的其他代表有：霉菌、原生动物和藻类。

粘菌

原生动物

藻类

II.b.真核细胞的组成部分

真核细胞描述于 图1。

图1 – 真核细胞的结构：1 – 核仁，2 – 细胞核，3 – 核糖体，4 – 囊泡，5 和 8 – 内质网，6 – 高尔基体，7 – 细胞骨架，9 – 线粒体，10 – 液泡，11 – 细胞质，12 – 溶酶体，13 – 中心体，14 –细胞膜

它由以下组件组成（图1）：

• 膜 (14) – 它覆盖细胞、控制物质进入或离开细胞并维持其电势；
• 细胞质——是一种凝胶状环境，占据了膜所包围的大部分空间。它包含以下 12 项描述的细胞质内亚结构：
  • 核仁 (1) 是真核细胞细胞核中最大的结构。已知它是核糖体生物发生发生的场所；
  • 细胞核 (2) – 包含几乎 99% 的细胞基因组/数据库。这是脱氧核糖核酸——核DNA（红细胞/红细胞中不存在）的所在地。它主要以染色体的形式组织/包装。细胞所需的所有信息都存储在这里。我们将进一步回到这个话题！
  • 核糖体 (3) – 细胞质的子结构，其中以 DNA/RNA 信息作为模板进行蛋白质合成；
  • 囊泡 (4) – 细胞内部或外部的结构，含有双层脂质包裹的液体或细胞质。它有助于物质从细胞中去除或进入细胞，以及物质跨膜运输；
  • 内质网（5 和 8）——是真核细胞运输系统的一部分，具有蛋白质折叠/包装等功能；
  • 高尔基体 (6) – 在蛋白质被送往目的地之前将其嵌入囊泡中发挥着非常重要的作用；
  • 细胞骨架 (7) – 是一个由相互连接的蛋白质丝组成的复杂且动态的网络。在真核细胞内，它从细胞核延伸到细胞膜。赋予电池抗变形能力。它还参与许多其他细胞过程。
  • 线粒体 (9) – 用于在 ATP（三磷酸腺苷）分子中以化学形式产生和储存能量；
  • 液泡 (10) – 是细胞质中的封闭隔室，可以含有无机或有机物质（通常是酶溶液，在极少数情况下是固体物质）；
  • 细胞质 (11) – 也称为细胞质基质。它是溶解在大量水中的复杂物质混合物；
  • 溶酶体 (12) – 它们是存在于许多动物细胞中的球形囊泡。它们含有水解酶，可以消化各种生物分子；
  • 中心体 (13) – 是一种具有复杂功能的细胞器。

核仁 (1)	细胞核 (2)	核糖体 (3)	囊泡 (4)
内质网 (5&8)	高尔基体 (6)	细胞骨架 (7)	线粒体 (9)
ATP	液泡 (10)	细胞质 (11)	溶酶体 (12)
中心体 (13)	细胞膜 (14)	脱氧核糖核酸	核糖核酸

三．脱氧核糖酸 – DNA – 有机数据库

DNA是一种非常复杂的有机分子，但我会尽力尽可能简单地解释它！它是在 19 世纪初由瑞士生物化学家 Frederich Miesher 发现的（他，DNA ...☺），但直到 1953 年詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、莫里斯·威尔金斯和罗莎琳德·富兰克林才破译了它的结构，他们借助当时的新技术——X 射线衍射研究了这种分子。四位科学家证明DNA由两个相互“扭曲”的双螺旋组成，即所谓的α螺旋。

DNA所在的地方是细胞核（图1），它以代表染色体的几个 X 形结构的形式包装（并超级存档）。具体来说，人类有 46 条这样的染色体，分为 23 对。其中 22 对称为常染色体，在女性 (♀) 和男性 (♂) 中具有相似的结构，第 23 对有所不同，因为它编码有关生物体性别的信息。

我之前谈到的所有这些包装意味着，一个自由的分子，其长度接近2米的“巨大”（分子通常具有纳米甚至微米量级的尺寸）可以被存档在纳米量级的空间中（这大约是正常真核细胞的细胞核的大小）。包装是在称为组蛋白的小分子的帮助下完成的。为了解释清楚，我在中提供了详细的图形表示 图2。

据观察，在由糖分子（脱氧核糖，为了完整起见……与RNA中的核糖相似的糖……但失去了羟基-OH基团）和磷酸盐组成的骨架上， 图3-4 （源自 ATP——我们之前在简要介绍线粒体时所讨论的三磷酸腺苷：位置 (9) 图1）是核碱基，遗传字母表的 4 个字母：A – 腺嘌呤、C – 胞嘧啶、G – 鸟嘌呤和 T – 胸腺嘧啶（图4）。这些来自遗传字母表的字符一次组合两个，以连接 DNA 分子的两条链。腺嘌呤 (A) 与胸腺嘧啶 (T)，通过 2 个氢键，A === T 和胞嘧啶 (C) 与鸟嘌呤，通过 3 个氢键，C ==== G (图3-4）。

序列中的几个核碱基组成了一个基因，而基因包含了细胞生长和繁殖所需的所有信息。细胞繁殖时的 DNA 复制不是本文的主题......

其中许多基因编码蛋白质（一串串的氨基酸长序列），这些蛋白质可以是：酶、运输物质、激素甚至神经递质（例如在两个神经元之间的突触空间中）。 DNA 还编码精子受精的卵子生长和发育所需的信息，直到获得功能齐全的有机体的那一刻 ......但关于这一点在下一章......

图2 – DNA 在细胞核中的位置及其包装

染色体

组蛋白

氨基酸

基因

图3 – 包括两个卷曲螺旋（α-螺旋）和核碱基的细节：腺嘌呤 (A)、通过 2 个氢键结合的胸腺嘧啶 (T) A === T、胞嘧啶 (C)、通过 3 个氢键结合的鸟嘌呤 (G) C == G

图4 – 核基地的结构和两条主链的骨架

四． RNA – 核糖核酸胞内转运蛋白

RNA 是一种比 DNA 稍微简单的分子。如果DNA有两条相互缠绕的链，那么RNA只有一条链。 RNA 链主链中的糖称为核糖，如上一小节所述。 RNA字母表仍然有4个字符，但有一个碱基与DNA中的不同。因此，有：腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和尿嘧啶（U）。请注意，胸腺嘧啶不再出现在该字母表中。因此，当 DNA 转录为 RNA 时，胸腺嘧啶被尿嘧啶取代：腺嘌呤转录为尿嘧啶，胞嘧啶转录为鸟嘌呤，鸟嘌呤转录为胞嘧啶，胸腺嘧啶转录为腺嘌呤。

RNA的主要作用是将信息从细胞核中的DNA携带到细胞质中的核糖体，在那里它被用来合成细胞在任何给定时间所需的蛋白质。

RNA 有多种类型：

• 信使RNA——将编码信息从DNA携带到核糖体；
• 转移RNA——涉及氨基酸以有序方式连接成蛋白质（核糖体内）的机制……但我不会在这里详细介绍；
• ARN 核糖体等

对于DNA上编码基因信息的转座机制（在真核生物中——包括人类——几乎97%的DNA信息在蛋白质合成中没有作用）我将继续只讨论信使RNA——mRNA。

V. 将信息从 DNA 转录为蛋白质（氨基酸序列）

正如我们之前所说，信使 RNA（mRNA）是细胞内信息的载体。当需要转录基因信息时，一种称为 RNA 聚合酶的酶就会附着在 DNA 结构上。这会解开两条链，并使核碱基相距 10 – 20 个字符（A、T、G、C）。进行转录的链称为模板（反义）链，另一个非模板（编码）链。 DNA 上的碱基如以前一样转录：腺嘌呤 (A) 为尿嘧啶 (U)，胞嘧啶 (C) 为鸟嘌呤 (G)，鸟嘌呤 (G) 为胞嘧啶 (C)，胸腺嘧啶 (T) 为腺嘌呤 (A)。

例如（这里我们采用了 27 个字符，但转录的基因通常更长）：

如果在编码链上我们有：

在对应模板链上产生：

RNA链被转录：

它被称为 mRNA 或信使 RNA。

此时，我们继续进行 mRNA 处理，因为并非所有信息都是编码的。 mRNA 的某些部分将被排除，这些部分称为内含子，剩下的序列称为外显子。这些外显子聚集在一起形成信息，这些信息将到达核糖体进行蛋白质合成。这里读取序列上的“字母” 一次 3 个并表示为单个氨基酸。这些字符有64种组合，而氨基酸只有20个，这意味着一个氨基酸可以由多组3个字符编码。有一个 START 组合：AUG 和 3 个 STOP 组合：UAA、UAG 和 UGA。但是氨基酸将在拉丁字母表中的下一个字符序列中讨论！

V.a.氨基

人类遗传学中有 20 种氨基酸，每种氨基酸都有自己的化学式，如 图5 并在 表1 从续集。所有这些氨基酸的共同点：碱性氨基 -NH₂ 和羧酸基团 -COOH （其中R代表此处未指定的某个基团）。

由于氨基酸分子的这种特殊性，几个这样的分子可以相互结合形成以下类型的长链：

H₂N – C(R₁) – (C=O) – HN – C(R₂) – (C=O) – HN – C(R₃) …….. (C=O) – HN – C(R_n）——噗……而且......看，这就是我如何“迷惑”你的，直到我描述了蛋白质是如何形成的☺！ 在生物或生化系统中，事情比这更复杂一些，但我将在下面的段落中更详细地解释。

图5 – 最常见的氨基酸

表1 – 氨基酸名称、符号和分子的电荷

如果在 mRNA 链上我们有（之前的例子）：

用氨基酸的语言来说，这可以翻译为（氨基酸的 3 个字符代码的组合）：

那是：

开始 – 精氨酸 – 组氨酸 – 天冬氨酸 – 苯丙氨酸 – 亮氨酸 – 天冬酰胺 – 脯氨酸 – STOP

或作为极性：

表 1 中的信息以图形方式总结在 图6 来自以下：

图6 – 密码子轮

为什么我们如此坚持 DNA、RNA、mRNA、氨基酸或氨基酸序列（更广泛地称为蛋白质）？因为，这些氨基酸序列具有功能，该功能是由它们在空间上折叠或排列的方式赋予的。这种 3D 排列是根据该蛋白质中每个氨基酸的极性来完成的。由于细胞质中的环境是水性的（因此是极性的），因此 3D 结构的出现遵循几个标准：

• 非极性氨基酸需要尽可能深地隐藏在结构内部，因为它不喜欢水；
• 极性氨基酸会尽可能靠近极性相反的氨基酸；
• 极性氨基酸会尽可能远离具有相似极性的氨基酸。

这种空间构象决定了活性位点的外观，活性位点允许与另一种蛋白质、酶（使过程运行得更快且能耗更少）、药物中的活性物质分子偶联。因为药物（大多数时候）的工作原理是一把假钥匙，适合打开蛋白质的特定锁/活性位点。

图7 – 由于 3D 排列而出现的蛋白质活性位点

对于那些想要深入研究这个主题的人，我在最后留下了“蛋糕上的糖果”，一些解释视频。

您的基因组——从 DNA 到蛋白质

马特博士和迈克博士 – DNA 转录和翻译 – DNA 到蛋白质

Dave 教授解释——转录和翻译：从 DNA 到蛋白质

六．不是结论而是假设！

有一次，我曾说过： DNA 编码精子受精卵子生长和发育所需的信息，直至获得功能齐全的有机体！ 这是确定无疑的事情，可以看出 图8。

从 Manuela Murariu 和 Gabi Drochioiu 于 2012 年发表在《Biosystems》杂志（IF 2.0）上的一篇文章中，我了解了生物体的生物结构理论。他们谈论生物学中的超分子概念，以及尤金·马科夫斯基如何尝试并部分成功地解释生物系统中“死”和“活”之间的差异。

我想提出的假设是：

与蛋白质合成无关的信息（在人类中——几乎97%的DNA信息在蛋白质合成中没有作用，但也编码胚胎生长发育到功能齐全的有机体阶段的信息， 图8） 这些生物上层结构是否也编码了生命与非生命之间的差异？这些编码生物场吗？

来这里见你！

图8 – 人类胚胎从受孕到出生的发育过程

七．选择性参考书目

为了便于引用，同时也为了在在线环境中跟踪信息，我们选择在文本中以二维码的形式引用提供附加信息的网页。

Dawkins, R. – Gena Egoistă，布加勒斯特，技术编辑，2001 年（译：Dan Crăciun）

Darymple, G.B.，《地球时代》，斯坦福大学，斯坦福大学出版社，1991 年；

Manhesa, G.、Allègre, C.J.、Dupréa, B.、Hamelin, B. – 基性-超基性层状复合体的铅同位素研究：关于地球年龄和原始地幔特征的推测 – 地球与行星科学快报，1980 年；

Dinu, V.、Trutia, E.、Popa-Cristea, E.、Popescu, A. – 医学生物化学，小论文，布加勒斯特，医学版，1996 年

Murariu, M., Drochioiu, G. – 生命系统的生物结构理论 – 生物系统, 109-2, 126-132, 2012