أعيد طبعه من Bridges ، 2001 المجلد 12 (1): 5 ISSEEM
على الرغم من أن الإنسان يتكون من أكثر من خمسين تريليون خلية ، إلا أنه لا توجد وظائف فسيولوجية في أجسامنا لم تكن موجودة مسبقًا في بيولوجيا الخلية الوحيدة النواة (حقيقية النواة). تمتلك الكائنات وحيدة الخلية ، مثل الأميبا أو البراميسيوم ، مكافئات خلوية للجهاز الهضمي ، والجهاز الإخراجي ، والجهاز التنفسي ، والجهاز العضلي الهيكلي ، والجهاز المناعي ، والجهاز التناسلي ، والجهاز القلبي الوعائي ، من بين أشياء أخرى. في البشر ، ترتبط هذه الوظائف الفسيولوجية بنشاط أعضاء معينة. يتم تنفيذ هذه العمليات الفسيولوجية نفسها في الخلايا بواسطة أنظمة عضوية ضيقة تسمى العضيات.
يتم الحفاظ على الحياة الخلوية من خلال التنظيم الصارم لوظائف الأنظمة الفسيولوجية للخلية. يشير التعبير عن الذخيرة السلوكية التي يمكن التنبؤ بها إلى وجود "جهاز عصبي" خلوي. يتفاعل هذا النظام مع المحفزات البيئية عن طريق استنباط الاستجابات السلوكية المناسبة. تمثل العضية التي تنسق تعديلات وتفاعلات الخلية مع بيئتها الداخلية والخارجية المكافئ السيتوبلازمي لـ "الدماغ".
منذ كسر الشفرة الجينية في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، فضل علماء الأحياء الخلوية مفهوم الحتمية الجينية ، فكرة أن الجينات "تتحكم" في علم الأحياء. توجد جميع جينات الخلية تقريبًا داخل أكبر عضية الخلية ، وهي النواة. يعتبر الرأي التقليدي أن النواة هي "مركز القيادة" للخلية. على هذا النحو ، فإن النواة تمثل المكافئ الخلوي لـ "الدماغ".
تستنتج الحتمية الجينية أن تعبير ومصير الكائن الحي "محددان سلفًا" في شفرته الجينية. إن الأساس الجيني للتعبير العضوي متأصل في العلوم البيولوجية كحقيقة توافقية ، وهو اعتقاد نؤطر به مرجعنا للصحة والمرض. ومن هنا جاءت الفكرة القائلة بأن القابلية للإصابة بأمراض معينة أو التعبير عن السلوك المنحرف ترتبط عمومًا بالنسب الجيني ، وفي بعض الأحيان بالطفرات التلقائية. بالامتداد ، يُدرك غالبية العلماء أيضًا أن العقل البشري والوعي "مشفران" في جزيئات الجهاز العصبي. وهذا بدوره يروج لمفهوم أن ظهور الوعي يعكس "الشبح في الآلة".
تستند أولوية الحمض النووي في التأثير على السلوك البيولوجي والتطور وتنظيمهما على افتراض لا أساس له من الصحة. يصف مقال أساسي من تأليف HF Nijhout (BioEssays 1990 ، 12 (9): 441-446) كيف تم تصور المفاهيم المتعلقة بـ "الضوابط" الجينية و "البرامج" في الأصل على أنها استعارات للمساعدة في تحديد وتوجيه مسارات البحث. أدى التكرار الواسع لهذه الفرضية المقنعة على مدى خمسين عامًا إلى تحول "استعارة النموذج" إلى "حقيقة الآلية" ، على الرغم من عدم وجود أدلة داعمة داعمة. نظرًا لأن الافتراض يؤكد على البرنامج الجيني باعتباره "الدرجة الأولى" في سلم التحكم البيولوجي ، فقد اكتسبت الجينات مكانة العوامل المسببة في استنباط التعبير والسلوك البيولوجي (على سبيل المثال ، الجينات المسببة للسرطان ، وإدمان الكحول ، وحتى الإجرام).
إن الفكرة القائلة بأن النواة وجيناتها هي "دماغ" الخلية هي فرضية لا يمكن الدفاع عنها وغير منطقية. إذا تمت إزالة الدماغ من الحيوان ، فإن تعطيل التكامل الفسيولوجي سيؤدي على الفور إلى موت الكائن الحي. إذا كانت النواة تمثل حقًا دماغ الخلية ، فإن إزالة النواة ستؤدي إلى توقف وظائف الخلية وموت الخلية الفوري. ومع ذلك ، قد تعيش الخلايا المستأصلة تجريبياً لمدة شهرين أو أكثر بدون جينات ، ومع ذلك فهي قادرة على إحداث استجابات معقدة للمحفزات البيئية والهيولية (ليبتون ، وآخرون ، التمايز 1991 ، 46: 117-133). المنطق يكشف أن النواة لا يمكن أن تكون عقل الخلية!
قادتني الدراسات التي أجريت على الخلايا البشرية المستنسخة إلى الإدراك بأن غشاء البلازما في الخلية ، والذي يشار إليه عادة باسم غشاء الخلية ، يمثل "دماغ" الخلية. أغشية الخلايا ، أول عضية بيولوجية تظهر في التطور ، هي العضية الوحيدة المشتركة بين كل كائن حي. تقسم أغشية الخلايا السيتوبلازم ، وتفصله عن تقلبات البيئة الخارجية. في قدرته الحاجزة ، يمكّن الغشاء الخلية من الحفاظ على "تحكم" محكم في البيئة السيتوبلازمية ، وهو أمر ضروري في تنفيذ التفاعلات البيولوجية. أغشية الخلايا رقيقة للغاية بحيث لا يمكن ملاحظتها إلا باستخدام المجهر الإلكتروني. وبالتالي ، فإن الوجود والتعبير العام لهيكل الغشاء كان واضحًا فقط حوالي عام 1950.
في الصور المجهرية الإلكترونية ، يظهر غشاء الخلية كجلد رقيق متلاشي (<10 نانومتر) ، ثلاثي الطبقات (أسود - أبيض - أسود) يغلف الخلية. البساطة الهيكلية الأساسية لغشاء الخلية ، والتي تتطابق مع جميع الكائنات الحية البيولوجية ، خدعت علماء الأحياء الخلوية. في معظم السنوات الخمسين الماضية ، كان يُنظر إلى الغشاء على أنه حاجز "سلبي" وشبه منفذ ، يشبه "غلاف بلاستيكي" قابل للتنفس ، وكانت وظيفته مجرد احتواء السيتوبلازم.
يعكس المظهر الطبقي للغشاء تنظيم اللبنات الفوسفورية. هذه الجزيئات على شكل مصاصة هي amphipathic ، فهي تمتلك كلا من رأس فوسفات قطبي كروي (الشكل أ) واثنين من الأرجل غير القطبية الشبيهة بالعصا (الشكل ب). عندما تهتز في المحلول ، تتجمع الدهون الفوسفورية في طبقة ثنائية بلورية مستقرة (الشكل C).
توفر الأرجل الدهنية التي تشكل لب الغشاء حاجزًا كارهًا للماء (الشكل د) يفصل السيتوبلازم عن البيئة الخارجية المتغيرة باستمرار. بينما يتم الحفاظ على سلامة السيتوبلازم من خلال وظيفة الحاجز السلبي للدهون ، تتطلب عمليات الحياة التبادل النشط للأيضات والمعلومات بين السيتوبلازم والبيئة المحيطة. تتوسط بروتينات الغشاء الأنشطة الفسيولوجية للبلازما.
يتكون كل من حوالي 100,000 بروتين مختلف يوفر لجسم الإنسان من سلسلة خطية من الأحماض الأمينية المرتبطة. يتم تجميع "السلاسل" من عشرين نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة. يتم تحديد الهيكل والوظيفة الفريدة لكل بروتين من خلال التسلسل المحدد للأحماض الأمينية التي تشكل سلسلته. تم تصنيع سلاسل الأحماض الأمينية كسلسلة خطية ، ثم تطوى لاحقًا إلى كريات ثلاثية الأبعاد فريدة من نوعها. يعكس الشكل (الشكل) النهائي للبروتين توازن الشحنات الكهربائية بين الأحماض الأمينية المكونة له.
يمنح الشكل ثلاثي الأبعاد للبروتينات المطوية أسطحها بشقوق وجيوب ذات شكل خاص. سوف ترتبط الجزيئات والأيونات التي تمتلك أشكالًا فيزيائية مكملة وشحنات كهربائية بشقوق وجيوب سطح البروتين بخصوصية القفل والمفتاح. يؤدي ارتباط جزيء آخر إلى تغيير توزيع الشحنة الكهربائية للبروتين. استجابةً لذلك ، فإن سلسلة الأحماض الأمينية للبروتين سوف تعيد تشكيلها تلقائيًا لإعادة توازن توزيع الشحنة. إن الانعكاس يغير شكل البروتين. في التحول من شكل إلى آخر ، يعبر البروتين عن الحركة. يتم تسخير حركات البروتين التوافقية بواسطة الخلية للقيام بالوظائف الفسيولوجية. العمل الناتج عن حركة البروتين مسؤول عن "الحياة".
عدد من الأحماض الأمينية العشرين المكونة لسلسلة البروتين غير قطبية (كارهة للماء ، محبة للزيت). تسعى الأجزاء الكارهة للماء من البروتينات إلى الاستقرار عن طريق إدخال نفسها في لب الغشاء الدهني. تمتد الأجزاء القطبية (المحبة للماء) من هذه البروتينات من أي من الأسطح المغطاة بالماء في الغشاء أو كليهما. تسمى البروتينات الموجودة في الغشاء ببروتينات الغشاء المتكامل (IMPs).
يمكن تقسيم IMPs الغشائي وظيفيًا إلى فئتين: المستقبلات والمؤثرات. المستقبلات هي أجهزة إدخال تستجيب للإشارات البيئية. المستجيبات هي أجهزة إخراج تنشط العمليات الخلوية. تعمل عائلة من بروتينات المعالج ، الموجودة في السيتوبلازم أسفل الغشاء ، على ربط مستقبلات استقبال الإشارات بالمؤثرات المنتجة للعمل.
المستقبلات هي "هوائيات" جزيئية تتعرف على الإشارات البيئية. تمتد بعض هوائيات المستقبلات إلى الداخل من وجه الغشاء السيتوبلازمي. هذه المستقبلات "تقرأ" البيئة الداخلية وتوفر الوعي بالظروف السيتوبلازمية. توفر المستقبلات الأخرى الممتدة من السطح الخارجي للخلية وعيًا بالإشارات البيئية الخارجية.
تعتقد العلوم الطبية الحيوية التقليدية أن "المعلومات" البيئية لا يمكن حملها إلا من خلال مادة الجزيئات (Science 1999 ، 284: 79-109). وفقًا لهذه الفكرة ، لا تتعرف المستقبلات إلا على "الإشارات" التي تكمل سمات سطحها فعليًا. يتم الحفاظ على هذا الاعتقاد المادي على الرغم من أنه قد تم إثبات أن مستقبلات البروتين تستجيب للترددات الاهتزازية. من خلال عملية تُعرف باسم الاقتران الكهربائي (Tsong، Trends in Biochem. Sci. 1989، 14: 89-92) ، يمكن لمجالات الطاقة الاهتزازية الرنانة أن تغير توازن الشحنات في البروتين. في مجال الطاقة التوافقي ، ستغير المستقبلات شكلها. وبالتالي ، تستجيب مستقبلات الغشاء لكل من المعلومات البيئية الفيزيائية والحيوية.
يُعلم التشكل "النشط" للمستقبل الخلية بوجود الإشارة. توفر التغييرات في تكوين المستقبلات "الوعي" الخلوي. في شكله "المنشط" ، قد يرتبط مستقبل استقبال الإشارة إما ببروتين مؤثر ينتج وظيفة معينة أو ببروتين معالج وسيط. تعود بروتينات المستقبل إلى شكلها الأصلي "غير النشط" وتنفصل عن البروتينات الأخرى عندما تتوقف الإشارة.
تمثل عائلة بروتينات المستجيب أجهزة "الإخراج". هناك ثلاثة أنواع مختلفة من المؤثرات ، وهي بروتينات النقل والإنزيمات وبروتينات الهيكل الخلوي. تعمل الناقلات ، التي تضم مجموعة واسعة من القنوات ، على نقل الجزيئات والمعلومات من جانب واحد من حاجز الغشاء إلى الجانب الآخر. الإنزيمات مسؤولة عن التوليف الأيضي والتدهور. تنظم بروتينات الهيكل الخلوي شكل الخلايا وحركتها.
تمتلك بروتينات المستجيب عمومًا شكلين: تكوين نشط يعبر فيه البروتين عن وظيفته ؛ والتشكيل "الراحة" حيث يكون البروتين غير نشط. على سبيل المثال ، يمتلك بروتين القناة في شكله النشط مسامًا مفتوحة تمر من خلالها أيونات أو جزيئات معينة عبر حاجز الغشاء. بالعودة إلى التشكل غير النشط ، يقيد إعادة البروتين القناة الموصلة ويتوقف تدفق الأيونات أو الجزيئات.
من خلال وضع كل الأجزاء معًا ، نوفر نظرة ثاقبة حول كيفية معالجة "دماغ" الخلية للمعلومات وإثارة السلوك. تخلق إشارات الطاقة الجزيئية والإشعاعية التي لا حصر لها في بيئة الخلية نشازًا افتراضيًا للمعلومات. بطريقة تشبه تحويل فورييه البيولوجي ، تستشعر مستقبلات السطح الفردية (الشكل ح) البيئة الفوضوية على ما يبدو وتصفية الترددات المحددة كإشارات سلوكية. يؤدي تلقي إشارة طنين (الشكل الأول ، السهم) إلى حدوث تغيير توافقي في الجزء السيتوبلازمي للمستقبل (الشكل الأول ، رأس السهم). يتيح هذا التغيير المطابق للمستقبل أن يصبح معقدًا مع مستجيب محدد IMP (الشكل J ، في هذه الحالة قناة IMP). يؤدي ارتباط بروتين المستقبل (الشكل K) بدوره إلى إحداث تغيير توافقي في بروتين المستجيب (الشكل L ، تفتح القناة). يمكن للمستقبلات المنشطة تشغيل مسارات الإنزيم ، وتحفيز إعادة التنظيم الهيكلي والحركة أو تنشيط نقل الإشارات والأيونات الكهربائية النبضية الفريدة عبر الغشاء.
تعمل بروتينات المعالج كأجهزة "متعددة الإرسال" حيث يمكنها زيادة تعدد استخدامات نظام الإشارة. تتفاعل هذه البروتينات مع مستقبلات البروتينات المستجيبة (P في الشكل M). من خلال "برمجة" اقتران بروتين المعالج ، يمكن ربط مجموعة متنوعة من المدخلات بمجموعة متنوعة من المخرجات. توفر بروتينات المعالج ذخيرة سلوكية كبيرة باستخدام عدد محدود من IMPs.
تقوم IMPs المستجيبة بتحويل الإشارات البيئية بوساطة المستقبلات إلى سلوك بيولوجي. قد تمثل وظيفة الخرج لبعض بروتينات المستجيب المدى الكامل للسلوك المُنتَج. ومع ذلك ، في معظم الحالات ، يكون ناتج IMPs المستجيب بمثابة "إشارة" ثانوية تخترق الخلية وتنشط سلوك مسارات البروتين السيتوبلازمية الأخرى. تعمل بروتينات المستجيب المنشط أيضًا كعوامل نسخ ، وهي إشارات تثير التعبير الجيني.
يتم التحكم في سلوك الخلية من خلال الإجراءات المشتركة للمستقبلات المقترنة و IMPs المستجيبة. توفر المستقبلات "وعيًا بالبيئة" وتحول البروتينات المؤثرة ذلك الوعي إلى "إحساس جسدي". بالتعريف الدقيق ، يمثل مجمع المستقبلات-المستجيب وحدة أساسية للإدراك. توفر وحدات إدراك البروتين أساس الوعي البيولوجي. التصورات "تتحكم" في سلوك الخلية ، على الرغم من أنه في الحقيقة ، يتم "التحكم" في الخلية بالمعتقدات ، نظرًا لأن التصورات قد لا تكون دقيقة بالضرورة.
غشاء الخلية هو معالج معلومات عضوي. إنه يستشعر البيئة ويحول ذلك الوعي إلى "معلومات" يمكن أن تؤثر على نشاط مسارات البروتين وتتحكم في تعبير الجينات. وصف لبنية الغشاء ووظيفته على النحو التالي: (أ) بناءً على تنظيم جزيئات الفوسفوليبيد ، الغشاء عبارة عن بلورة سائلة ؛ ب) النقل المنظم للمعلومات عبر الحاجز الكارهة للماء بواسطة بروتينات مؤثر IMP يجعل الغشاء شبه موصل ؛ و © تم تزويد الغشاء بـ IMPs التي تعمل كبوابات (مستقبلات) وقنوات. باعتباره أشباه موصلات بلورية سائلة مع بوابات وقنوات ، فإن الغشاء عبارة عن ترانزستور لمعالجة المعلومات ، وهو عبارة عن شريحة كمبيوتر عضوية.
يمثل كل معقد للمستقبل-المستجيب BIT البيولوجية ، وحدة واحدة من الإدراك. على الرغم من تقديم هذه الفرضية رسميًا لأول مرة في عام 1986 (Lipton 1986، Planetary Assoc. for Clean Energy Newsletter 5: 4) ، فقد تم التحقق من المفهوم تقنيًا منذ ذلك الحين. كورنيل وآخرون (Nature 1997 ، 387: 580-584) ، ربطوا غشاءًا بركيزة من رقائق الذهب. من خلال التحكم في الإلكتروليتات بين الغشاء والرقائق ، تمكنوا من رقمنة فتح وإغلاق القنوات التي تنشط بالمستقبلات. الخلية والرقائق هياكل متجانسة.
والخلية عبارة عن "شريحة كمبيوتر" تعتمد على الكربون وتقرأ البيئة. تتكون "لوحة المفاتيح" الخاصة به من مستقبلات. يتم إدخال المعلومات البيئية عن طريق "مفاتيح" البروتين. يتم تحويل البيانات إلى سلوك بيولوجي بواسطة بروتينات المستجيب. تعمل IMP BITs كمفاتيح تنظم وظائف الخلية والتعبير الجيني. تمثل النواة "قرصًا صلبًا" به برنامج مشفر للحمض النووي. تؤكد التطورات الحديثة في البيولوجيا الجزيئية على طبيعة القراءة / الكتابة لهذا القرص الصلب.
ومن المثير للاهتمام ، أن سمك الغشاء (حوالي 7.5 نانومتر) يتم تحديده بواسطة أبعاد طبقة ثنائية الفسفوليبيد. نظرًا لأن IMPs الغشائية يبلغ قطرها حوالي 6-8 نانومتر ، فإنها يمكن أن تشكل فقط طبقة أحادية في الغشاء. لا يمكن أن تتراكم وحدات IMP على بعضها البعض ، فإن إضافة المزيد من وحدات الإدراك يرتبط ارتباطًا مباشرًا بزيادة مساحة سطح الغشاء. من خلال هذا الفهم ، فإن التطور والتوسع في الوعي (أي إضافة المزيد من IMPs) سيكون أكثر فاعلية في نمذجة باستخدام الهندسة الكسورية. يمكن ملاحظة الطبيعة الكسورية للبيولوجيا في التكرارات الهيكلية والوظيفية التي لوحظت بين التسلسل الهرمي للخلية والكائنات متعددة الخلايا (الإنسان) ومجتمعات الكائنات متعددة الخلايا (المجتمع البشري).
هذا التصور الجديد لآليات التحكم في الخلية يحررنا من قيود الحتمية الجينية. بدلاً من التصرف كآلات جينية مبرمجة ، يرتبط السلوك البيولوجي ديناميكيًا بالبيئة. على الرغم من أن هذا النهج الاختزالي قد سلط الضوء على آلية بروتينات الإدراك الفردي ، إلا أن فهم آلية المعالجة يؤكد على الطبيعة الكلية للكائنات البيولوجية. يعكس تعبير الخلية التعرف على جميع المحفزات البيئية المتصورة ، الجسدية والحيوية. وبالتالي ، فإن "قلب طب الطاقة" يمكن أن يوجد حقًا في سحر الغشاء.