Informacja, instrukcja, projekt, biologia II

W pierwszej części tego cyklu zakończyłem na samonaprawie komputera. Jeszcze krótko na czym to polega. Sprawa dotyczy sprawdzenia poprawności zapisu informacji.

Co to jest informacja w komputerze? Na poziomie podstawowym są to słowa składające się z ciągu szesnastu stanów logicznych – zer i jedynek (jest ładunek elektryczny, albo nie ma). We współczesnych komputerach procesory operują na dwu słowach i czwór słowach, co zapewnia  szybsze przetwarzanie informacji – zamiast czytać po słówku i składać w zdania, procek od razu czyta całe zdania.

Czyli jak piszemy notkę, to wyrazy rozkładane są na słowa zrozumiałe dla komputera i zapisywane na dysku. Ale wiemy, że świat jest niedoskonały, my się mylimy to co dopiero taki głupi kawałek krzemu.  I dlatego przed zapisem procesor dyskowy dodaje do naszych „tekstów” dane nadmiarowe (stosując np. algorytm CRC) umożliwiające detekcję a potem korekcję ewentualnych błędów. Jeżeli po iluś próbach nie da się skorygować błędu, obszar na dysku jest oznaczany jako uszkodzony i dane są zapisywane gdzie indziej (relokacja do zarezerwowanego obszaru).
Tak właśnie działa funkcja korekcji/samonaprawy, która sama się nie zrobiła.

Mądrzy ludzie myśleli i wymyślili.

Ok, przejdźmy do przyrody ożywionej.

Co to jest życie?

Najkrócej – to chemia, fizyka i coś jeszcze. Zanim do tego „coś jeszcze” dojdę zajmijmy się chemią i fizyką.

Z czego składa się człowiek (% masy):

• tlen 65
• węgiel 18
• wodór 10
• azot 3
• wapń, fosfor, siarka, potas, sód, chlor, magnez, żelazo, cynk, rubid, stront i inne.

Pierwiastki składające się na organizm są połączone w:

• wodę,
• białka,
• tłuszcze,
• węglowodany,
• sole kwasów nieorganicznych i organicznych.

Woda stanowi podstawowy związek budujący ciało ludzkie. Jej zawartość zmienia się i zależy od wieku; w okresie płodowym ponad 90% masy ciała, w okresie pełnej dojrzałości ok.60%, w okresie starości do 50%. Niestety z czasem usychamy i częste podlewanie nie pomoże.

Jak na razie nie widać abyśmy byli jakoś specjalnie skomplikowani. Komputer na którym działam też złożony jest z bogatej palety pierwiastków.

Ciało od strony fizycznej zbudowane jest z komórek a w komórce jest DNA. Pewnie wszyscy wiedzą co to, ale przypomnę. Na rysunku poniżej znajduje się malusi fragment DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy):

DNA jest  biopolimerem zbudowanym z nukleotydów a nukleotyd to związek składający się z trzech części:
– grupy fosforanowej i  cukru (dezoksyrybozy) – tworzących szkielet fosfosacharydowy
– zasady azotowej: Tyminy, Adeniny, Guaniny i Cytozyny.

Po co jest DNA?
Jest to nośnik informacji genetycznej. Służy do syntetyzowania różnych związków, głównie białek  czyli budulca wszystkich organizmów żywych. Białko – organiczny związek chemiczny składający się z aminokwasów, związków zawierających grupę kwasową i zasadową (życiowych jest 20 rodzajów).

Ale jak się ostatnio okazało do syntetyzowania białek wykorzystywane jest ok. 1,5% DNA. Reszta kiedyś uważana za „junk DNA” (śmieciowe)  ma niezwykle istotną rolę, polegającą na sterowaniu, modyfikowaniu i kontrolowaniu różnych procesów genetycznych. To nie jest tylko matryca do syntezy/powielania białek lecz  komputer wykonujący złożone operacje.

Jak to wszystko działa zapytacie?
Też bym chciał wiedzieć!  Właśnie najciekawsze jest to  „coś jeszcze”.

To co z grubsza wiadomo postaram się jak umiem opisać stosując oczywiście skróty i uproszczenia, bo to nie jest wykład z biologii.
Dosyć dobrze zbadano funkcję DNA związaną z produkcją białek. Fragmenty DNA, które umożliwiają wytworzenie białka, nazywamy genami.  U człowieka znajduje się  20-25 tysięcy genów kodujących białka.  Reszta (98%) to sterowanie i kontrola.

Kod oparty o trójki nukleotydów (zwany kodem genetycznym) jest nadmiarowy, czyli kilka różnych sekwencji (średnio trzy) odpowiada takiemu samemu aminokwasowi np. syntezę aminokwasu glicyny powoduje dowolna sekwencja z czterech GGT, GGC, GGA i GGG (ma to ważne skutki – opis w cz. III).

Przykładowo można tak przepisać fragment genu na aminokwasy tworzące białko:

CGA – GAA – CGU – CAA – CUG – AUG – CUA – GGA – CAC
Arg       Glu      Arg      Gln       Leu       Met     Leu       Gly       His

Przepisywanie genów na białka w procesie ich syntezy, to jak przepisywanie np. tekstu z alfabetu Morse’a (kod trzy znakowy – kreska, kropka, przerwa) na alfabet łaciński.
Weźmy fragment Pana Tadeusza:

I wszystkim się zdawało, że Wojski wciąż gra  jeszcze …

można trójkami znaków tak zapisać:

/ . _ _ / _ _ _ /. _ _ _ /. . . /_ . _ /. . // . _ _ /_ . _ . / . . / . _ / _ _ . . // _ _ . /. _ . /. _ /
w           o          j           s       k       i        w        c        i       a        z          g        r        a

I teraz wyobraźmy sobie że następuje przekłamanie i w znaku /../ oznaczającym literę i druga kropka zamienia się na kreskę. Otrzymujemy literę a i tekst brzmi:

… wojska wcaaz gra …

W wyniku dostaniemy zdefektowany tekst.  W przypadku kodowania białka jest tak samo – np. zamiana C na G spowoduje że zamiast Argininy dostaniemy Glicynę.

Tak właśnie działają mutacje – psują co dobre. Ciężko sobie wyobrazić, żeby w wyniku przypadkowych zmian kresek i kropek z „Pana Tadeusza” Mickiewicza zrobił się „Faraon” Prusa. W replikacji białek jest wiele blokad zatrzymujących mutacje. Ale o tym później.

Na tym na razie skończę. Część III będzie jeszcze ciekawsza.

Ps.1.
W przykładzie na przepisywaniem genów na aminokwasy zamiast  literki T jest U. Wynika to z faktu, że komórka chroni najważniejszy zasób czyli DNA i nie wystawia go na „zewnątrz”. Cała fabryka białek pracuje na kopii DNA czyli RNA (których jest wiele typów). W wyniku kopiowania danych do „produkcji” Tymina jest w RNA zamieniana na Uracyl. To tak jak ze wzorcem metra – główny trzyma się w sejfie w Sevres a wszyscy pracują na kopiach.

Ps.2.
Na rysunku helisy DNA podana jest długość jednego pełnego zwoju – 3,4nm. Taki odcinek może zakodować 3 aminokwasy.
Proszę to zestawić z parametrami procesora najnowszej generacji:
– szerokość ścieżki – 32 nm
– jeden tranzystor (bramka) – 100 nm (rozmiar wirusa grypy)
– szerokość atomu krzemu – 0,26 nm

Dla porównania grubość włosa 0,1 mm = 100 000 nm