Přetištěno z Bridges, 2001 Vol 12 (1): 5 ISSEEM
I když se člověk skládá z více než padesáti bilionů buněk, v našich tělech neexistují žádné fyziologické funkce, které by v biologii jediné jaderné (eukaryotické) buňky již dříve neexistovaly. Jednobuněčné organismy, jako je améba nebo paramecium, mají mimo jiné cytologické ekvivalenty trávicího systému, vylučovacího systému, dýchacího systému, muskuloskeletálního systému, imunitního systému, reprodukčního systému a kardiovaskulárního systému. U lidí jsou tyto fyziologické funkce spojeny s aktivitou konkrétních orgánů. Stejné fyziologické procesy se provádějí v buňkách prostřednictvím maličkých orgánových systémů zvaných organely.
Buněčný život je udržován přísnou regulací funkcí fyziologických systémů buňky. Výraz předvídatelných behaviorálních repertoárů implikuje existenci buněčného „nervového systému“. Tento systém reaguje na podněty prostředí vyvoláním vhodných reakcí na chování. Organela, která koordinuje úpravy a reakce buňky na její vnitřní a vnější prostředí, by představovala cytoplazmatický ekvivalent „mozku“.
Od prolomení genetického kódu na počátku 1950. let XNUMX. století upřednostňovali buněční biologové koncept genetického determinismu, představu, že geny „kontrolují“ biologii. Prakticky všechny geny buňky jsou obsaženy v největší organeli buňky, v jádře. Konvenční názor považuje jádro za „velitelské centrum“ buňky. Jako takové by jádro představovalo buněčný ekvivalent „mozku“.
Genetický determinismus naznačuje, že výraz a osud organismu jsou primárně „předurčeny“ v jeho genetickém kódu. Genetický základ exprese v organismu je zakořeněn v biologických vědách jako konsensuální pravda, víra, podle které vytváříme odkaz na zdraví a nemoci. Proto je představa, že náchylnost k určitým nemocem nebo vyjádření aberantního chování je obecně spojena s genetickou linií a příležitostně se spontánními mutacemi. V širším smyslu to většina vědců také vnímá, že lidská mysl a vědomí jsou „zakódovány“ v molekulách nervového systému. To zase podporuje koncept, že vznik vědomí odráží „ducha ve stroji“.
Nadřazenost DNA při ovlivňování a regulaci biologického chování a evoluce je založena na neopodstatněném předpokladu. Klíčový článek HF Nijhouta (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) popisuje, jak byly koncepce týkající se genetických „kontrol“ a „programů“ původně koncipovány jako metafory, které pomáhají definovat a řídit cesty výzkumu. Rozšířené opakování této přesvědčivé hypotézy po padesát let vedlo k tomu, že „metafora modelu“ se stala „pravdou mechanismu“, a to i přes absenci věcných podpůrných důkazů. Jelikož předpoklad zdůrazňuje genetický program jako „nejvyšší příčku“ na žebříčku biologické kontroly, geny získaly status původců vyvolávajících biologickou expresi a chování (např. Geny způsobující rakovinu, alkoholismus, dokonce kriminalitu).
Představa, že jádro a jeho geny jsou „mozkem“ buňky, je neudržitelná a nelogická hypotéza. Pokud je mozek odstraněn ze zvířete, narušení fyziologické integrace by okamžitě vedlo k smrti organismu. Pokud by jádro skutečně představovalo mozek buňky, pak by odstranění jádra mělo za následek zastavení buněčných funkcí a okamžitou smrt buňky. Experimentálně enukleované buňky však mohou přežít dva nebo více měsíců bez genů, a přesto jsou schopné ovlivňovat komplexní reakce na podněty prostředí a cytoplazmy (Lipton a kol., Diferenciace 1991, 46: 117-133). Logika ukazuje, že jádro nemůže být mozkem buňky!
Studie na klonovaných lidských buňkách mě přivedly k vědomí, že plasmalemma buňky, běžně označované jako buněčná membrána, představuje „mozek“ buňky. Buněčné membrány, první biologická organela, která se objevila v evoluci, jsou jedinou organelou společnou pro každý živý organismus. Buněčné membrány rozdělují cytoplazmu a oddělují ji od rozmarů vnějšího prostředí. Ve své bariérové kapacitě membrána umožňuje buňce udržovat přísnou „kontrolu“ nad cytoplazmatickým prostředím, což je nutnost při provádění biologických reakcí. Buněčné membrány jsou tak tenké, že je lze pozorovat pouze pomocí elektronového mikroskopu. V důsledku toho byla existence a univerzální vyjádření struktury membrány jasně prokázána až kolem roku 1950.
Na elektronových mikrofotografiích se buněčná membrána jeví jako mizivě tenká (<10 nm), třívrstvá (černo-bílo-černá) „kůže“ obklopující buňku. Základní strukturální jednoduchost buněčné membrány, která je stejná pro všechny biologické organismy, očarovala buněčné biologové. Po většinu posledních padesáti let byla membrána vnímána jako „pasivní“ polopropustná bariéra připomínající prodyšný „plastový obal“, jehož funkcí bylo jednoduše obsahovat cytoplazmu.
Vrstvený vzhled membrány odráží organizaci jejích stavebních bloků fosfolipidů. Tyto molekuly ve tvaru lízátka jsou amfipatické, mají jak kulovitou polární fosfátovou hlavu (obrázek A), tak dvě nepolární končetiny podobné tyči (obrázek B). Po protřepání v roztoku se fosfolipidy samy shromáždí do stabilizující krystalické dvojvrstvy (obrázek C).
Lipidová ramena zahrnující jádro membrány poskytují hydrofobní bariéru (obrázek D), která rozděluje cytoplazmu od neustále se měnícího vnějšího prostředí. Zatímco cytoplazmatická integrita je udržována funkcí lipidové pasivní bariéry, životní procesy vyžadují aktivní výměnu metabolitů a informací mezi cytoplazmou a okolním prostředím. Fyziologické aktivity plazmalemmy jsou zprostředkovány proteiny membrány.
Každý z přibližně 100,000 XNUMX různých proteinů zajišťujících lidské tělo je složen z lineárního řetězce spojených aminokyselin. „Řetězy“ jsou sestaveny z populace dvaceti různých aminokyselin. Unikátní struktura a funkce každého proteinu je definována specifickou sekvencí aminokyselin tvořících jeho řetězec. Syntetizované jako lineární řetězec, aminokyselinové řetězce se následně skládají do jedinečných trojrozměrných globulí. Konečná konformace (tvar) proteinu odráží rovnováhu elektrických nábojů mezi jeho složkami aminokyselin.
Trojrozměrná morfologie skládaných proteinů propůjčuje jejich povrchy specificky tvarované rozštěpy a kapsy. Molekuly a ionty, které mají doplňkové fyzikální tvary a elektrické náboje, se budou vážit na rozštěpy a kapsy proteinu se specifičností zámku a klíče. Vazba jiné molekuly mění distribuci elektrického náboje proteinu. V reakci na to se aminokyselinový řetězec proteinu spontánně znovu složí, aby se znovu vyvážilo rozložení náboje. Refolding mění konformaci proteinu. Při přechodu z jedné konformace do druhé protein vyjadřuje pohyb. Buňka využívá konformační pohyby bílkovin k provádění fyziologických funkcí. Práce generovaná pohybem bílkovin je zodpovědná za „život“.
Řada dvaceti aminokyselin, které obsahují proteinový řetězec, jsou nepolární (hydrofobní, milující olej). Hydrofobní části proteinů hledají stabilitu vložením do lipidového jádra membrány. Polární (vodou milující) části těchto proteinů se táhnou od jednoho nebo obou povrchů pokrytých vodou membrány. Proteiny zabudované do membrány se nazývají integrální membránové proteiny (IMP).
Membránové IMP lze funkčně rozdělit do dvou tříd: receptory a efektory. Receptory jsou vstupní zařízení, která reagují na signály prostředí. Efektory jsou výstupní zařízení, která aktivují buněčné procesy. Rodina procesorových proteinů umístěných v cytoplazmě pod membránou slouží k propojení receptorů přijímajících signál s efektory produkujícími akci.
Receptory jsou molekulární „antény“, které rozpoznávají signály prostředí. Některé receptorové antény sahají dovnitř od cytoplazmatické tváře membrány. Tyto receptory „čtou“ vnitřní prostředí a poskytují povědomí o cytoplazmatických podmínkách. Jiné receptory vycházející z vnějšího povrchu buňky poskytují povědomí o vnějších okolních signálech.
Konvenční biomedicínské vědy tvrdí, že „informace“ o životním prostředí mohou být přenášeny pouze látkou molekul (Science 1999, 284: 79-109). Podle této představy receptory rozpoznávají pouze „signály“, které fyzicky doplňují jejich povrchové vlastnosti. Tato materialistická víra je zachována, i když bylo dostatečně prokázáno, že proteinové receptory reagují na vibrační frekvence. Prostřednictvím procesu známého jako elektrokonformační vazba (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92) mohou rezonanční vibrační energetická pole změnit rovnováhu nábojů v proteinu. V poli harmonické energie změní receptory svou konformaci. V důsledku toho membránové receptory reagují na fyzické i energetické informace o životním prostředí.
„Aktivovaná“ konformace receptoru informuje buňku o existenci signálu. Změny v konformaci receptoru zajišťují buněčné „vědomí“. Ve své „aktivované“ konformaci se receptor přijímající signál může vázat buď na specifický efektorový protein produkující funkci, nebo na zprostředkující procesorový protein. Receptorové proteiny se vracejí do své původní „neaktivní“ konformace a po ukončení signálu se oddělují od ostatních proteinů.
Rodina efektorových proteinů představuje „výstupní“ zařízení. Existují tři různé typy efektorů, transportní proteiny, enzymy a cytoskeletální proteiny. Transportéry, které zahrnují rozsáhlou rodinu kanálů, slouží k přenosu molekul a informací z jedné strany membránové bariéry na druhou. Enzymy jsou zodpovědné za metabolickou syntézu a degradaci. Cytoskeletální proteiny regulují tvar a motilitu buněk.
Efektorové proteiny mají obecně dvě konformace: aktivní konfiguraci, ve které protein vyjadřuje svou funkci; a „klidovou“ konformaci, ve které je protein neaktivní. Například kanálový protein ve své aktivní konformaci má otevřený pór, kterým prochází specifické ionty nebo molekuly membránovou bariéru. Při návratu k neaktivní konformaci zúžení proteinu zúží vodivý kanál a tok iontů nebo molekul přestane.
Dáme-li dohromady všechny části, poskytneme vhled do toho, jak „mozek“ buňky zpracovává informace a vyvolává chování. Nesčetné signály molekulární a zářivé energie v prostředí buňky vytvářejí virtuální kakofonii informací. Způsobem připomínajícím biologickou Fourierovu transformaci snímají jednotlivé povrchové receptory (obr. H) zjevně chaotické prostředí a filtrují specifické frekvence jako signály chování. Příjem rezonančního signálu (obr. I, šipka) indukuje konformační změnu v cytoplazmatické části receptoru (obr. I, hrot šipky). Tato konformační změna umožňuje receptoru komplexovat se specifickým efektorovým IMP (obr. J, v tomto případě kanál IMP). Vazba na receptorový protein (obr. K) zase vyvolává konformační změnu v efektorovém proteinu (obr. L, otevírá se kanál). Aktivované receptory mohou zapnout enzymové dráhy, vyvolat strukturální reorganizaci a motilitu nebo aktivovat transport jedinečně pulzovaných elektrických signálů a iontů přes membránu.
Procesorové proteiny slouží jako „multiplexní“ zařízení v tom, že mohou zvýšit univerzálnost signálního systému. Takové proteiny propojují receptory s efektorovými proteiny (P na obrázku M). Pomocí „programování“ propojení procesoru a proteinu lze spojit různé vstupy s různými výstupy. Procesorové proteiny poskytují velký repertoár chování s použitím omezeného počtu IMP.
Efektorové IMP převádějí receptory zprostředkované environmentální signály na biologické chování. Výstupní funkce některých efektorových proteinů může představovat plný rozsah vyvolaného chování. Ve většině případů však výstup efektorových IMP ve skutečnosti slouží jako sekundární „signál“, který proniká do buňky a aktivuje chování dalších cytoplazmatických proteinových drah. Aktivované efektorové proteiny také slouží jako transkripční faktory, signály, které vyvolávají genovou expresi.
Chování buňky je řízeno kombinovanými účinky vázaných receptorů a efektorových IMP. Receptory poskytují „povědomí o prostředí“ a efektorové proteiny toto povědomí převádějí na „fyzický pocit“. Podle přísné definice představuje komplex receptor-efektor základní jednotku vnímání. Jednotky vnímání proteinů poskytují základ biologického vědomí. Vnímání „kontroluje“ chování buňky, i když ve skutečnosti je buňka „ovládána“ vírou, protože vnímání nemusí být nutně přesné.
Buněčná membrána je organický informační procesor. Cítí prostředí a převádí toto vědomí na „informace“, které mohou ovlivnit aktivitu proteinových drah a řídit expresi genů. Popis struktury a funkce membrány zní následovně: (A) na základě organizace jejích fosfolipidových molekul je membránou tekutý krystal; B) regulovaný transport informací přes hydrofobní bariéru pomocí IMP efektorových proteinů činí membránu polovodičovou; a © membrána je vybavena IMP, které fungují jako brány (receptory) a kanály. Jako polovodič z tekutých krystalů s hradly a kanály je membrána tranzistor pro zpracování informací, organický počítačový čip.
Každý komplex receptor-efektor představuje biologickou BIT, jedinou jednotku vnímání. Ačkoli byla tato hypotéza poprvé formálně představena v roce 1986 (Lipton 1986, Planetary Assoc. Pro Newsletter Clean Energy 5: 4), koncept byl od té doby technologicky ověřen. Cornell a další (Nature 1997, 387: 580-584) spojili membránu se substrátem ze zlaté fólie. Řídením elektrolytů mezi membránou a fólií dokázali digitalizovat otevírání a zavírání kanálů aktivovaných receptorem. Buňka a čip jsou homologní struktury.
Buňka je „počítačový čip“ na bázi uhlíku, který čte prostředí. Jeho „klávesnice“ se skládá z receptorů. Informace o životním prostředí se zadávají pomocí jeho „proteinových“ klíčů. Data jsou přenášena do biologického chování pomocí efektorových proteinů. IMP BIT slouží jako přepínače, které regulují buněčné funkce a genovou expresi. Jádro představuje „pevný disk“ se softwarem kódovaným DNA. Nedávné pokroky v molekulární biologii zdůrazňují povahu tohoto pevného disku pro čtení a zápis.
Zajímavé je, že tloušťka membrány (asi 7.5 nm) je dána rozměry fosfolipidové dvojvrstvy. Vzhledem k tomu, že membránové IMP mají průměr přibližně 6 až 8 nm, mohou v membráně vytvářet pouze monovrstvu. Jednotky IMP se nemohou skládat na sebe, přidání více vnímacích jednotek je přímo spojeno se zvětšením povrchu membrány. Tímto porozuměním by se nejefektivněji modelovala evoluce, rozšiřování povědomí (tj. Přidání dalších IMP) pomocí fraktální geometrie. Fraktální povahu biologie lze pozorovat ve strukturálních a funkčních opakováních pozorovaných mezi hierarchií buněk, mnohobuněčných organismů (člověk) a komunit mnohobuněčných organismů (lidská společnost).
Toto nové vnímání kontrolních mechanismů buněk nás osvobozuje od omezení genetického determinismu. Spíše než se chovat jako naprogramované genetické automaty, biologické chování je dynamicky spojeno s prostředím. Ačkoli tento redukcionistický přístup zdůraznil mechanismus proteinů vnímání jednotlivce, pochopení mechanismu zpracování zdůrazňuje holistickou povahu biologických organismů. Exprese buňky odráží rozpoznání všech vnímaných environmentálních podnětů, fyzických i energetických. V důsledku toho lze „srdce medicíny energie“ skutečně nalézt v magii membrány.