生物無限 - 有機資料庫

化學博士。工程。西普里安-加布里埃爾·奇塞加-內格里爾

座右銘：

一開始很簡單。解釋宇宙的起源是相當困難的，無論它多麼簡單。我想每個人都接受這樣的觀點，即解釋具有所有必要設備的複雜秩序（生命）或能夠創造生命的存在的突然出現更加困難。達爾文的自然選擇進化論令人滿意，因為它向我們展示了一種將簡單轉化為複雜的方法，一些無序的原子如何組合成越來越複雜的結構，直到最終創造出人類。

理查‧道金斯 (Richard Dawkins) – 《自私的基因》，第二章 – 複製者，第 14 頁14，布加勒斯特，技術版，2001 年（譯：Dan Crăciun）

一、摘要

逆滲透: 本文主要描述了真核細胞的結構以及細胞質和細胞核的子結構，以幫助理解脫氧核糖核酸/DNA 如何作為包含細胞生長和繁殖所需的所有資訊的資料庫發揮作用。它也描述了 DNA 中包含的訊息被轉錄為核糖核酸/RNA，然後用作核醣體內蛋白質合成模板的機制。文章的架構是描述真核細胞基本訊息的元文本之一，真核細胞是高等生物（包括人類）的組成部分。為了更好地理解所處理的主題，代表深入資訊和參考書目連結的二維碼已插入到文本中。

英語： 本文主要描述了真核細胞的結構以及細胞質和細胞核內的子結構，以幫助理解脫氧核糖核酸 (DNA) 如何作為包含細胞生長和繁殖所需所有資訊的資料庫發揮作用。它還解釋了 DNA 中包含的訊息被轉錄為核糖核酸 (RNA)，然後用作核醣體內蛋白質合成模板的機制。這篇文章的結構是一種元文本，提供了有關真核細胞的基本資訊——高等生物體（包括人類）的組成部分。為了更好地理解該主題，文本中包含了二維碼，可提供深入的資訊和參考書目。

關鍵字： 生物體、細胞、DNA、RNA、蛋白質、資料庫

二.介紹

我們所居住的地球已有大約 45 億年的歷史。會很多嗎？會不會有一點？事實上，它幾乎是宇宙年齡的三分之一。大約 40 億年前，第一種生命形式以單細胞原核生物的形式出現。這種細胞類型包括細菌和古細菌綱的成員。它們的特徵是沒有細胞核，但有鞭毛（大多時候）、細胞膜、細胞質、核醣體和含有分散在細胞質中的遺傳訊息的核苷酸。

地球的歷史

宇宙法則

原核生物

真核生物

II.a.真核生物

真核生物是比原核生物複雜得多的生物。與原核細胞相比，真核細胞約大一萬倍。單細胞和多細胞真核生物都可以包括在這一類中。它們是屬於動物（如人類）、植物（如玉米）和真菌（如香菇）的細胞。

植物

動物

菌

該類的其他代表有：黴菌、原生動物和藻類。

黏菌

原生動物

藻類

II.b.真核細胞的組成部分

真核細胞描述於 圖1。

圖1 – 真核細胞的結構：1 – 核仁，2 – 細胞核，3 – 核醣體，4 – 囊泡，5 和 8 – 內質網，6 – 高爾基體，7 – 細胞骨架，9 – 粒線體，10 – 液泡，11 – 細胞質，12 – 溶小體，13 – 中心體，14 –細胞膜

它由以下組件組成（圖1）：

• 膜 (14) – 它覆蓋細胞、控制物質進入或離開細胞並維持其電位；
• 細胞質－是一種凝膠狀環境，佔據了膜所包圍的大部分空間。它包含以下 12 項所描述的細胞質內亞結構：
  • 核仁 (1) 是真核細胞細胞核中最大的結構。已知它是核醣體生物發生發生的場所；
  • 細胞核 (2) – 包含幾乎 99% 的細胞基因組/資料庫。這是脫氧核糖核酸－核DNA（紅血球/紅血球中不存在）的所在地。它主要以染色體的形式組織/包裝。細胞所需的所有資訊都儲存在這裡。我們將進一步回到這個主題！
  • 核醣體 (3) – 細胞質的子結構，其中以 DNA/RNA 訊息作為模板進行蛋白質合成；
  • 囊泡 (4) – 細胞內部或外部的結構，含有雙層脂質包裹的液體或細胞質。它有助於物質從細胞中去除或進入細胞，以及物質跨膜運輸；
  • 內質網（5 和 8）－是真核細胞運輸系統的一部分，具有蛋白質折疊/包裝等功能；
  • 高爾基體 (6) – 在蛋白質被送到目的地之前將其嵌入囊泡中發揮著非常重要的作用；
  • 細胞骨架 (7) – 是一個由相互連接的蛋白質絲組成的複雜且動態的網絡。在真核細胞內，它從細胞核延伸到細胞膜。賦予電池抗變形能力。它也參與許多其他細胞過程。
  • 粒線體 (9) – 用於在 ATP（三磷酸腺苷）分子中以化學形式產生和儲存能量；
  • 液泡 (10) – 是細胞質中的封閉隔間，可以含有無機或有機物質（通常是酵素溶液，在極少數情況下是固體物質）；
  • 細胞質 (11) – 也稱為細胞質基質。它是溶解在大量水中的複雜物質混合物；
  • 溶小體 (12) – 它們是存在於許多動物細胞中的球形囊泡。它們含有水解酶，可以消化各種生物分子；
  • 中心體 (13) – 是一種具有複雜功能的細胞器。

核仁 (1)	細胞核 (2)	核醣體 (3)	囊泡 (4)
內質網 (5&8)	高爾基體 (6)	細胞骨架 (7)	粒線體 (9)
ATP	液泡 (10)	細胞質 (11)	溶小體 (12)
中心體 (13)	細胞膜 (14)	脫氧核糖核酸	核糖核酸

三．脫氧核糖酸 – DNA – 有機資料庫

DNA 是一種非常複雜的有機分子，但我會盡力盡可能簡單地解釋它！它是在 19 世紀初由瑞士生物化學家 Frederich Miesher 發現的（他，DNA ...☺），但直到 1953 年詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、莫里斯·威爾金斯和羅莎琳德·富蘭克林才破譯了它的結構，他們借助當時的新技術——X 射線衍射研究了這種分子。四位科學家證明DNA由兩個相互「扭曲」的雙螺旋組成，即所謂的α螺旋。

DNA所在的地方是細胞核（圖1），它以代表染色體的幾個 X 形結構的形式包裝（並超級存檔）。具體來說，人類有 46 條這樣的染色體，分成 23 對。這樣的 22 對稱為常染色體，在雌性 (♀) 和雄性 (♂) 中具有相似的結構，第 23 對不同，因為它編碼有關生物體性別的資訊。

我之前談到的所有這些包裝意味著，一個自由的分子，其長度接近2米的「巨大」（分子通常具有奈米甚至微米量級的尺寸）可以被存檔在奈米量級的空間中（這大約是正常真核細胞的細胞核的大小）。包裝是在稱為組蛋白的小分子的幫助下完成的。為了解釋清楚，我在中提供了詳細的圖形表示 圖2。

據觀察，在由糖分子（脫氧核糖，為了完整起見…與RNA中的核糖相似的糖…但失去了羥基-OH基團）和磷酸鹽形成的骨架上， 圖3-4 （源自 ATP－我們先前在簡單介紹粒線體時所討論的三磷酸腺苷：位置 (9) 圖1）是核鹼基，遺傳字母的 4 個字母：A – 腺嘌呤、C – 胞嘧啶、G – 鳥嘌呤和 T – 胸腺嘧啶（圖4）。這些來自遺傳字母表的字符一次組合兩個，以連接 DNA 分子的兩條鏈。腺嘌呤 (A) 與胸腺嘧啶 (T)，透過 2 個氫鍵，A === T 和胞嘧啶 (C) 與鳥嘌呤，透過 3 個氫鍵，C ==== G (圖3-4）。

序列中的幾個核鹼基組成了一個基因，而基因包含了細胞生長和繁殖所需的所有資訊。細胞繁殖時的 DNA 複製不是本文的主題...

其中許多基因編碼蛋白質（一串串的胺基酸長序列），這些蛋白質可以是：酵素、運輸物質、荷爾蒙甚至神經傳導物質（例如在兩個神經元之間的突觸空間中）。 DNA 也編碼精子受精的卵子生長和發育所需的訊息，直到獲得功能齊全的有機體的那一刻 ....但關於這一點在下一章......

圖2 – DNA 在細胞核中的位置及其包裝

染色體

組蛋白

胺基酸

基因

圖3 – 包含兩個捲曲螺旋（α-螺旋）和核鹼基的細節：腺嘌呤 (A)、透過 2 個氫鍵結合的胸腺嘧啶 (T) A === T、胞嘧啶 (C)、透過 3 個氫鍵結合的鳥嘌呤 (G) C == G

圖4 – 核子基地的結構和兩條主鏈的骨架

四． RNA – 核糖核酸胞內轉運蛋白

RNA 是一種比 DNA 稍微簡單的分子。如果DNA有兩條相互纏繞的鏈，那麼RNA就只有一條鏈。 RNA 鏈主鏈中的糖稱為核糖，如上一小節所述。 RNA字母表仍然有4個字符，但有一個鹼基與DNA中的不同。因此，有：腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）和尿嘧啶（U）。請注意，胸腺嘧啶不再出現在該字母中。因此，當DNA轉錄為RNA時，胸腺嘧啶被尿嘧啶取代：腺嘌呤被轉錄為尿嘧啶，胞嘧啶被轉錄為鳥嘌呤，鳥嘌呤被轉錄為胞嘧啶，胸腺嘧啶被轉錄為腺嘌呤。

RNA的主要作用是將訊息從細胞核中的DNA攜帶到細胞質中的核醣體，在那裡它被用來合成細胞在任何給定時間所需的蛋白質。

RNA 有多種類型：

• 信使RNA－將編碼訊息從DNA攜帶到核醣體；
• 轉移RNA－參與蛋白質（核醣體內）中胺基酸有序連接在一起的機制…但我在這裡不會詳細介紹；
• ARN 核醣體等

對於來自DNA上編碼基因的訊息的轉座機制（在真核生物中－包括人類－幾乎97%的DNA訊息在蛋白質合成中沒有作用）我將只進一步討論信使RNA－mRNA。

V. 將訊息從 DNA 轉錄為蛋白質（胺基酸序列）

正如我們之前所說，信使 RNA（mRNA）是細胞內訊息的載體。當需要轉錄基因訊息時，一種稱為 RNA 聚合酶的酵素就會附著在 DNA 結構上。這會解開兩條鏈，並使核鹼基相距 10 – 20 個字元（A、T、G、C）。進行轉錄的鏈稱為模板（反義）鏈，另一個非模板（編碼）鏈。 DNA 上的鹼基如前所述轉錄：腺嘌呤 (A) 為尿嘧啶 (U)，胞嘧啶 (C) 為鳥嘌呤 (G)，鳥嘌呤 (G) 為胞嘧啶 (C)，胸腺嘧啶 (T) 為腺嘌呤 (A)。

例如（這裡我們採用了 27 個字符，但轉錄的基因通常更長）：

如果在編碼鏈上我們有：

在對應模板鏈上產生：

RNA鏈被轉錄：

它被稱為 mRNA 或信使 RNA。

此時，我們繼續進行 mRNA 處理，因為並非所有資訊都是編碼的。 mRNA 的某些部分將被排除，這些部分稱為內含子，剩餘的序列稱為外顯子。這些外顯子聚集在一起形成訊息，這些訊息將到達核醣體進行蛋白質合成。這裡讀取序列上的“字母” 一次 3 個並表示為單一胺基酸。這些字符有64種組合，而氨基酸只有20個，這意味著一個氨基酸可以由多組3個字符編碼。有一個 START 組合：AUG 和 3 個 STOP 組合：UAA、UAG 和 UGA。但是氨基酸將在拉丁字母表中的下一個字符序列中討論！

V.a.氨基

人類遺傳學中有 20 種氨基酸，每種氨基酸都有自己的化學式，如 圖5 並在 表1 從續集。所有這些胺基酸的共同點：鹼性氨基 -NH₂ 和羧酸基團 -COOH （其中R代表此處未指定的某個基團）。

由於胺基酸分子的這種特殊性，幾個這樣的分子可以相互結合形成以下類型的長鏈：

H₂N – C(R₁) – (C=O) – HN – C(R₂) – (C=O) – HN – C(R₃) …….. (C=O) – HN – C(R_n) – 唷……而且......看，這就是我如何「迷惑」你的，直到我描述了蛋白質是如何形成的☺！ 在生物或生化系統中，事情比這更複雜一些，但我將在下面的段落中更詳細地解釋。

圖5 – 最常見的胺基酸

表1 – 胺基酸名稱、符號和分子的電荷

如果在 mRNA 鏈上我們有（先前的例子）：

用胺基酸的語言來說，這可以翻譯為（胺基酸的 3 個字元代碼的組合）：

那是：

開始 – 精胺酸 – 組胺酸 – 天門冬胺酸 – 苯丙胺酸 – 亮胺酸 – 天門冬胺酸 – 脯胺酸 – STOP

或作為極性：

表 1 中的資訊以圖形方式總結在 圖6 來自以下：

圖6 – 密碼子輪

為什麼我們如此堅持 DNA、RNA、mRNA、胺基酸或胺基酸序列（更廣泛地稱為蛋白質）？因為，這些胺基酸序列具有功能，該功能是由它們在空間上折疊或排列的方式賦予的。這種 3D 排列是根據該蛋白質中每個氨基酸的極性來完成的。由於細胞質中的環境是水性的（因此是極性的），因此 3D 結構的出現遵循幾個標準：

• 非極性胺基酸需要盡可能深地隱藏在結構內部，因為它不喜歡水；
• 極性胺基酸會盡可能靠近極性相反的胺基酸；
• 極性氨基酸會盡可能遠離具有相似極性的氨基酸。

這種空間構象決定了活性位點的出現，活性位點允許與另一種蛋白質、酵素（這使得過程運行得更快且能耗更少）、藥物中的活性物質分子偶聯。因為藥物（大多數時候）的工作原理是假鑰匙，適合打開蛋白質的某個青蛙/活性位點。

圖7 – 由於 3D 排列而出現的蛋白質活性位點

對於那些想要深入研究這個主題的人，我將“蛋糕上的糖果”留到了最後，並附上了一些解釋性視頻。

您的基因組—從 DNA 到蛋白質

馬特博士和麥克博士 – DNA 轉錄和翻譯 – DNA 到蛋白質

Dave 教授解釋—轉錄與翻譯：從 DNA 到蛋白質

六．不是結論而是假設！

有一次，我曾說過： DNA 編碼精子受精卵子生長和發育所需的訊息，直到獲得功能齊全的有機體！ 這是確定無疑的事情，可以看出 圖8。

從 Manuela Murariu 和 Gabi Drochioiu 於 2012 年發表在《Biosystems》雜誌（IF 2.0）上的一篇文章中，我了解了生物體的生物結構理論。他們談論生物學中的超分子概念，以及尤金·馬科夫斯基如何嘗試並部分成功地解釋生物系統中「死」和「活」之間的差異。

我想提出的假設是：

與蛋白質合成無關的訊息（在人類中－幾乎97%的DNA訊息在蛋白質合成中沒有作用，但也編碼胚胎生長發育到功能齊全的有機體階段的訊息， 圖8） 這些生物上層結構是否也編碼了生命與非生命之間的差異？這些編碼生物場嗎？

來這裡見你！

圖8 – 人類胚胎從受孕那一刻到出生的發育過程

七．選擇性參考書目

為了方便引用，同時也為了追蹤線上環境中的信息，我們選擇在文本中以二維碼的形式引用提供附加資訊的網頁。

Dawkins, R. – Gena Egoistă，布加勒斯特，技術編輯，2001 年（譯：Dan Crăciun）

Darymple，G.B.，《地球時代》，史丹佛大學，史丹佛大學出版社，1991 年；

Manhesa, G.、Allègre, C.J.、Dupréa, B.、Hamelin, B. – 基性-超基性層狀複合體的鉛同位素研究：關於地球年齡和原始地函特徵的推測 – 地球與行星科學快報，1980 年；

Dinu, V.、Trutia, E.、Popa-Cristea, E.、Popescu, A. – 醫學生物化學，小型論文，布加勒斯特，醫學版，1996 年

Murariu, M., Drochioiu, G. – 生命系統的生物結構理論 – 生物系統, 109-2, 126-132, 2012