Перадрукавана з "Масты", 2001, т. 12 (1): 5 ISSEEM
Хоць чалавек складаецца з больш чым пяцідзесяці трыльёнаў клетак, у нашым арганізме няма фізіялагічных функцый, якія раней не існавалі ў біялогіі адной ядзернай (эукарыётычнай) клеткі. Аднаклеткавыя арганізмы, такія як амеба або парамецый, валодаюць цыталагічнымі эквівалентамі стрававальнай сістэмы, вылучальнай сістэмы, дыхальнай сістэмы, апорна-рухальнага апарата, імуннай сістэмы, рэпрадуктыўнай сістэмы і сардэчна-сасудзістай сістэмы. У чалавека гэтыя фізіялагічныя функцыі звязаны з дзейнасцю пэўных органаў. Гэтыя ж фізіялагічныя працэсы ажыццяўляюцца ў клетках памяншальнымі сістэмамі органаў, якія называюцца арганэламі.
Клеткавая жыццё падтрымліваецца шляхам жорсткага рэгулявання функцый фізіялагічных сістэм клеткі. Выраз прадказальнага паводніцкага рэпертуару прадугледжвае існаванне клеткавай "нервовай сістэмы". Гэтая сістэма рэагуе на стымулы навакольнага асяроддзя, выклікаючы адпаведныя паводніцкія рэакцыі. Арганэла, якая каардынуе перабудовы і рэакцыі клеткі на яе ўнутранае і знешняе асяроддзе, будзе ўяўляць сабой цытаплазматычны эквівалент "мозгу".
З моманту парушэння генетычнага кода ў пачатку 1950-х гадоў клетачныя біёлагі аддаюць перавагу канцэпцыі генетычнага дэтэрмінізму - уяўлення пра тое, што гены "кіруюць" біялогіяй. Практычна ўсе гены клеткі ўтрымліваюцца ў самай буйной арганэле клеткі - ядры. Звычайнае меркаванне лічыць ядро "камандным цэнтрам" клеткі. Такім чынам, ядро будзе прадстаўляць клеткавы эквівалент "мозгу".
Генетычны дэтэрмінізм мяркуе, што выраз і лёс арганізма ў першую чаргу "прадвызначаны" ў яго генетычным кодзе. Генетычная аснова экспрэсіі арганізма закладзена ў біялагічных навуках як праўда згоды, вера, згодна з якой мы спасылаемся на здароўе і хваробы. Адсюль вынікае меркаванне, што ўспрымальнасць да некаторых хвароб альбо выяўленне аберантных паводзін, як правіла, звязана з генетычным паходжаннем, а часам і са спантаннымі мутацыямі. Большасць навукоўцаў таксама ўспрымае, што чалавечы розум і свядомасць "закадзіраваны" ў малекулах нервовай сістэмы. Гэта, у сваю чаргу, прасоўвае канцэпцыю, паводле якой з'яўленне свядомасці адлюстроўвае "прывід у машыне".
Прымат ДНК у ўплыве і рэгуляванні біялагічных паводзін і эвалюцыі заснаваны на неабгрунтаваным здагадцы. Асноўны артыкул HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) апісвае, як паняцці, якія тычацца генетычных "кантроляў" і "праграм", першапачаткова задумваліся як метафары, якія дапамагаюць вызначыць і накіраваць напрамкі даследаванняў. Шырокае паўтарэнне гэтай важкай гіпотэзы на працягу пяцідзесяці гадоў прывяло да таго, што "метафара мадэлі" стала "ісцінай механізма", нягледзячы на адсутнасць рэальных пацверджанняў. Паколькі ў здагадцы генетычная праграма падкрэсліваецца як "вышэйшая прыступка" на лесвіцы біялагічнага кантролю, гены набылі статус узбуджальнікаў, якія выклікаюць біялагічную экспрэсію і паводзіны (напрыклад, гены, якія выклікаюць рак, алкагалізм і нават злачыннасць).
Уяўленне пра тое, што ядро і яго гены з'яўляюцца "мозгам" клеткі, з'яўляецца невытрымлівай і нелагічнай гіпотэзай. Калі мозг выдалены ад жывёлы, парушэнне фізіялагічнай інтэграцыі неадкладна прывядзе да гібелі арганізма. Калі ядро сапраўды ўяўляла мозг клеткі, то выдаленне ядра прывяло б да спынення функцый клетак і неадкладнай гібелі клетак. Аднак эксперыментальна энуклеированные клеткі могуць выжыць два і больш месяцаў без генаў, і пры гэтым здольныя аказваць складаную рэакцыю на стымулы навакольнага асяроддзя і цытаплазмы (Lipton, et al., Differentiation 1991, 46: 117-133). Логіка паказвае, што ядро не можа быць мозгам клеткі!
Даследаванні на кланаваных клетках чалавека прывялі мяне да ўсведамлення таго, што плазмолема клеткі, якую звычайна называюць клеткавай мембранай, уяўляе сабой "мозг" клеткі. Клеткавыя мембраны, першая біялагічная арганела, якая з'явілася ў эвалюцыі, - адзіная агульная арганела, якая распаўсюджана на кожны жывы арганізм. Клеткавыя мембраны падзяляюць цытаплазму, аддзяляючы яе ад капрызаў знешняга асяроддзя. У сваёй бар'ернай здольнасці мембрана дазваляе клетцы падтрымліваць жорсткі "кантроль" над цытаплазматычнай асяроддзем, што неабходна для правядзення біялагічных рэакцый. Клеткавыя мембраны настолькі тонкія, што назіраць іх можна толькі з дапамогай электроннага мікраскопа. Такім чынам, існаванне і ўсеагульнае выяўленне мембраннай структуры было дакладна ўстаноўлена толькі прыблізна ў 1950 годзе.
На электронных мікрафатаграфіях клеткавая мембрана ўяўляецца знікаючай тонкай (<10 нм), трохслаёвай (чорна-бела-чорнай) "скурай", якая ахінае клетку. Прынцыповая структурная прастата клеткавай мембраны, аднолькавая для ўсіх біялагічных арганізмаў, ашаламляла клетачных біёлагаў. Большую частку апошніх пяцідзесяці гадоў мембрана ўспрымалася як "пасіўны", паўпранікальны бар'ер, які нагадвае дыхае "поліэтыленавую плёнку", функцыя якой заключалася ў тым, каб проста ўтрымліваць цытаплазму.
Шматслаёвы выгляд мембраны адлюстроўвае арганізацыю яе фасфаліпідных будаўнічых блокаў. Гэтыя малекулы ў форме лядзяша амфіпатычныя, яны валодаюць як шарападобнай палярнай фасфатнай галоўкай (малюнак А), так і двума непалярнымі ножкамі, падобнымі на палачку (малюнак У). Падтрасаючы ў растворы, фасфаліпіды самастойна збіраюцца ў стабілізуючы крышталічны двухслаёвы слой (малюнак З).
Ліпідныя ножкі, якія змяшчаюць ядро мембраны, забяспечваюць гідрафобны бар'ер (малюнак D), які аддзяляе цытаплазму ад пастаянна зменлівай знешняй асяроддзя. У той час як цытаплазматычная цэласнасць падтрымліваецца пасіўнай бар'ернай функцыяй ліпідаў, жыццёвыя працэсы патрабуюць актыўнага абмену метабалітамі і інфармацыяй паміж цытаплазмай і навакольным асяроддзем. Фізіялагічная дзейнасць плазмалемы апасродкавана бялкамі мембраны.
Кожны з прыблізна 100,000 XNUMX розных бялкоў, якія забяспечваюць чалавечы арганізм, складаецца з лінейнай ланцуга звязаных амінакіслот. "Ланцугі" сабраны з папуляцыі дваццаці розных амінакіслот. Унікальная структура і функцыя кожнага бялку вызначаецца пэўнай паслядоўнасцю амінакіслот, якія складаюць яго ланцуг. Сінтэзуемыя ў выглядзе лінейнай ланцужкі, ланцужкі амінакіслот згортваюцца ва ўнікальныя трохмерныя шарыкі. Канчатковая канфармацыя (форма) бялку адлюстроўвае баланс электрычных зарадаў сярод якія ўваходзяць у яго склад амінакіслот.
Трохмерная марфалогія складчатых бялкоў надзяляе іх паверхні спецыфічнымі расколінамі і кішэнямі. Малекулы і іёны, якія валодаюць дадатковымі фізічнымі формамі і электрычнымі зарадамі, будуць звязвацца з расколінамі і кішэнямі бялку на паверхні са спецыфічнасцю замка. Звязванне іншай малекулы змяняе размеркаванне электрычнага зарада бялку. У адказ ланцужок амінакіслот бялку спантанна перапрафілюецца, каб збалансаваць размеркаванне зарада. Перагортванне змяняе канфармацыю бялку. Пераходзячы ад адной канфармацыі да другой, бялок выказвае рух. Канфармацыйныя рухі бялку выкарыстоўваюцца клеткай для выканання фізіялагічных функцый. Праца, якая ствараецца рухам бялку, адказвае за "жыццё".
Шэраг з дваццаці амінакіслот, якія ўваходзяць у ланцуг бялку, непалярныя (гідрафобныя, алейныя). Гідрафобныя часткі бялкоў шукаюць стабільнасці, устаўляючы сябе ў ліпіднае ядро мембраны. Палярныя (вадзяныя) часткі гэтых бялкоў праходзяць ад адной альбо абедзвюх паверхняў мембраны, пакрытых вадой. Вавёркі, уключаныя ў мембрану, называюцца інтэгральнымі мембраннымі вавёркамі (ІМП).
Мембранныя ИМП можна функцыянальна падзяліць на два класы: рэцэптары і эфектары. Рэцэптары - гэта прылады ўводу, якія рэагуюць на экалагічныя сігналы. Эфектары - гэта выхадныя прылады, якія актывуюць клеткавыя працэсы. Сямейства працэсарных бялкоў, размешчанае ў цытаплазме пад мембранай, служыць для сувязі рэцэптараў, якія прымаюць сігнал, з эфектарамі, якія вырабляюць дзеянне.
Рэцэптары - гэта малекулярныя «антэны», якія распазнаюць экалагічныя сігналы. Некаторыя рэцэптарныя антэны праходзяць унутр ад цытаплазматычнага твару мембраны. Гэтыя рэцэптары "счытваюць" унутранае асяроддзе і забяспечваюць усведамленне стану цытаплазмы. Іншыя рэцэптары, якія выходзяць з вонкавай паверхні клеткі, забяспечваюць усведамленне знешніх экалагічных сігналаў.
Звычайныя біямедыцынскія навукі лічаць, што "інфармацыя пра навакольнае асяроддзе" можа пераносіцца толькі рэчывам малекул (Science 1999, 284: 79-109). Згодна з гэтым паняццем, рэцэптары распазнаюць толькі «сігналы», якія фізічна дапаўняюць іх асаблівасці паверхні. Гэта матэрыялістычнае перакананне захоўваецца, нягледзячы на тое, што было дастаткова прадэманстравана, што бялковыя рэцэптары рэагуюць на частоты ваганняў. З дапамогай працэсу, вядомага як электраканфармацыйная сувязь (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), рэзанансныя вагальныя вібрацыйныя палі могуць змяніць баланс зарадаў у бялку. У гарманічным энергетычным полі рэцэптары зменяць сваю канфармацыю. Такім чынам, мембранныя рэцэптары рэагуюць як на фізічную, так і на энергетычную інфармацыю навакольнага асяроддзя.
"Актываваная" канфармацыя рэцэптара паведамляе клетцы пра існаванне сігналу. Змены ў канфармацыі рэцэптараў забяспечваюць клеткавую "дасведчанасць". У сваёй «актываванай» канфармацыі рэцэптар, які прымае сігнал, можа звязвацца альбо з канкрэтным эфектарным бялком, які прадукуе функцыю, альбо з бялком-пасярэднікам працэсара. Вавёркі-рэцэптары вяртаюцца да сваёй першапачатковай "неактыўнай" канфармацыі і адлучаюцца ад іншых бялкоў, калі сігнал спыняецца.
Сямейства эфектарных бялкоў уяўляюць сабой "выхадныя" прылады. Існуе тры розныя тыпы эфектараў, транспартныя бялкі, ферменты і бялкі цытаскелета. Транспарцёры, якія ўключаюць шырокае сямейства каналаў, служаць для пераносу малекул і інфармацыі з аднаго боку мембраннага бар'ера на другі. Ферменты адказваюць за метабалічны сінтэз і дэградацыю. Вавёркі цытаскелета рэгулююць форму і рухомасць клетак.
Эфектарныя вавёркі звычайна маюць дзве канфармацыі: актыўную канфігурацыю, у якой бялок выказвае сваю функцыю; і "спакойная" канфармацыя, пры якой бялок неактыўны. Напрыклад, бялок канала ў сваёй актыўнай канфармацыі валодае адкрытай порай, праз якую пэўныя іёны альбо малекулы перасякаюць мембранны бар'ер. Вяртаючыся да неактыўнай канфармацыі, перапрацоўка бялку звужае праводзіць канал і паток іёнаў або малекул спыняецца.
Складаючы ўсе часткі, мы атрымліваем разуменне таго, як "мозг" клеткі апрацоўвае інфармацыю і выклікае паводзіны. Незлічоныя малекулярныя і прамяністыя энергетычныя сігналы ў асяроддзі клеткі ствараюць віртуальную какафонію інфармацыі. Падобна на біялагічнае пераўтварэнне Фур'е, асобныя паверхневыя рэцэптары (мал. Н) адчуваюць хаатычнае асяроддзе і адфільтроўваюць пэўныя частоты як паводніцкія сігналы. Атрыманне рэзананснага сігналу (мал. I, стрэлка) выклікае канфармацыйнае змяненне цытаплазматычнай часткі рэцэптара (мал. I, наканечнік стрэлкі). Гэта канфармацыйнае змяненне дазваляе рэцэптару комплексаваць са спецыфічным эфектарам IMP (мал. J, у дадзеным выпадку канал IMP). Звязванне рэцэптарнага бялку (мал. K), у сваю чаргу, выклікае канфармацыйнае змяненне эфектарнага бялку (мал. L, канал адкрываецца). Актываваныя рэцэптары могуць уключыць ферментныя шляхі, выклікаць структурную перабудову і рухомасць альбо актываваць транспарт адназначна імпульсных электрычных сігналаў і іёнаў праз мембрану.
Вавёркі працэсара служаць прыладамі "мультыплекса", дзякуючы чаму яны могуць павялічыць універсальнасць сігнальнай сістэмы. Такія бялкі звязваюць рэцэптары з эфектарнымі вавёркамі (Р на малюнку М). Шляхам "праграмавання" злучэння бялкоў працэсара розныя ўваходы могуць быць звязаны з рознымі выхадамі. Вавёркі-працэсары забяспечваюць вялікі паводніцкі рэпертуар з выкарыстаннем абмежаванай колькасці IMP.
Эфектар IMP пераўтварае апасродкаваныя рэцэптарамі сігналы навакольнага асяроддзя ў біялагічныя паводзіны. Выхадная функцыя некаторых эфектарных бялкоў можа прадстаўляць усю ступень выкліканага паводзінаў. Аднак у большасці выпадкаў выхад эфектарных ІМП на самай справе служыць другасным "сігналам", які пранікае ў клетку і актывуе паводзіны іншых шляхоў бялку цытаплазмы. Актываваныя эфектарныя бялкі таксама служаць фактарам транскрыпцыі, сігналамі, якія выклікаюць экспрэсію генаў.
Паводзіны клеткі кантралюецца сумеснымі дзеяннямі спалучаных рэцэптараў і эфектарных ИМП. Рэцэптары забяспечваюць "ўсведамленне навакольнага асяроддзя", а эфектарныя вавёркі ператвараюць гэта ўсведамленне ў "фізічнае адчуванне". Па строгаму вызначэнню, рэцэптарна-эфектарны комплекс уяўляе сабой асноўную адзінку ўспрымання. Адзінкі ўспрымання бялку ствараюць аснову біялагічнай свядомасці. Успрыманне «кантралюе» паводзіны клеткі, хаця на самой справе клетка на самой справе «кіруецца» перакананнямі, паколькі ўспрыманне не абавязкова можа быць дакладным.
Клеткавая мембрана - гэта арганічны працэсар інфармацыі. Ён адчувае навакольнае асяроддзе і ператварае гэта ўсведамленне ў "інфармацыю", якая можа ўплываць на актыўнасць бялковых шляхоў і кантраляваць экспрэсію генаў. Апісанне структуры і функцыі мембраны выглядае наступным чынам: (А) на аснове арганізацыі малекул яе фасфаліпідаў мембрана ўяўляе сабой вадкі крышталь; Б) рэгуляваны перанос інфармацыі праз гідрафобны бар'ер з дапамогай эфектарных бялкоў IMP робіць мембрану паўправадніком; і © мембрана надзелена ІМП, якія функцыянуюць як вароты (рэцэптары) і каналы. Як вадкакрысталічны паўправаднік з засаўкамі і каналамі, мембрана ўяўляе сабой транзістар для апрацоўкі інфармацыі, арганічны камп'ютэрны чып.
Кожны рэцэптарна-эфектарны комплекс уяўляе біялагічны BIT, адзіную адзінку ўспрымання. Хоць гэтая гіпотэза была ўпершыню афіцыйна прадстаўлена ў 1986 г. (Lipton 1986, Planetary Assoc. For Clean Energy Newsletter 5: 4), з тых часоў канцэпцыя была тэхналагічна праверана. Корнэл і іншыя (Nature 1997, 387: 580-584), звязалі мембрану з падкладкай з залатой фальгі. Кіруючы электралітамі паміж мембранай і фальгой, яны змаглі лічбаваць адкрыццё і закрыццё каналаў, актываваных рэцэптарам. Клетка і чып - гамалагічныя структуры.
Клетка - гэта «камп'ютэрны чып» на аснове вугляроду, які счытвае навакольнае асяроддзе. Яго "клавіятура" складаецца з рэцэптараў. Экалагічная інфармацыя ўводзіцца з дапамогай бялковых "ключоў". Дадзеныя ператвараюцца ў біялагічныя паводзіны эфектарнымі вавёркамі. IMP BIT служаць перамыкачамі, якія рэгулююць функцыі клетак і экспрэсію генаў. Ядро ўяўляе сабой "жорсткі дыск" з праграмным забеспячэннем, кадаваным ДНК. Апошнія дасягненні ў галіне малекулярнай біялогіі падкрэсліваюць характар чытання / запісу гэтага жорсткага дыска.
Цікава, што таўшчыня мембраны (каля 7.5 нм) фіксуецца памерамі фасфаліпіднага біслоя. Паколькі мембранныя IMP маюць дыяметр прыблізна 6-8 нм, яны могуць утвараць у мембране толькі аднаслаёвы слой. IMP-адзінкі не могуць складацца адзін на аднаго, даданне большай колькасці адзінак успрымання непасрэдна звязана з павелічэннем плошчы паверхні мембраны. Згодна з гэтым разуменнем, эвалюцыя, пашырэнне ўсведамлення (г.зн. даданне больш IMP) найбольш эфектыўна змадэляваліся б з выкарыстаннем фрактальнай геаметрыі. Фрактальны характар біялогіі можна назіраць у структурных і функцыянальных паўтарэннях, якія назіраюцца сярод іерархіі клеткі, мнагаклетачных арганізмаў (чалавек) і супольнасцей мнагаклетачных арганізмаў (чалавечае грамадства).
Гэта новае ўспрыманне механізмаў кіравання клеткамі вызваляе нас ад абмежаванняў генетычнага дэтэрмінізму. Замест таго, каб паводзіць сябе як запраграмаваныя генетычныя аўтаматы, біялагічныя паводзіны дынамічна звязана з навакольным асяроддзем. Хоць гэты рэдукцыянісцкі падыход падкрэсліў механізм індывідуальнага ўспрымання бялкоў, разуменне механізму перапрацоўкі падкрэслівае цэласную прыроду біялагічных арганізмаў. Выраз клеткі адлюстроўвае распазнаванне ўсіх успрыманых стымулаў навакольнага асяроддзя, як фізічных, так і энергетычных. Такім чынам, "Сэрца энергетычнай медыцыны" сапраўды можа быць знойдзена ў магіі мембраны.