Represita el Pontoj, 2001 Vol 12 (1): 5 ISSEEM
Kvankam homo konsistas el pli ol kvindek duilionoj da ĉeloj, ekzistas neniuj fiziologiaj funkcioj en niaj korpoj, kiuj ne estis jam antaŭekzistantaj en la biologio de la ununura nuklea (eŭkariota) ĉelo. Unuĉelaj organismoj, kiel la amebo aŭ paramecio, posedas la citologiajn ekvivalentojn de digesta sistemo, ekskreta sistemo, spira sistemo, muskola skeleta sistemo, imunsistemo, reprodukta sistemo kaj kardiovaskula sistemo, inter aliaj. Ĉe la homoj, ĉi tiuj fiziologiaj funkcioj rilatas al la agado de specifaj organoj. Ĉi tiuj samaj fiziologiaj procezoj efektivigas en ĉeloj per etaj organaj sistemoj nomataj organetoj.
Ĉela vivo estas subtenata strikte reguligante la funkciojn de la fiziologiaj sistemoj de la ĉelo. La esprimo de antaŭvideblaj kondutaj repertuaroj implicas la ekziston de ĉela "nerva sistemo". Ĉi tiu sistemo reagas al mediaj stimuloj provokante taŭgajn kondutajn respondojn. La organeto, kiu kunordigas la ĝustigojn kaj reagojn de ĉelo al siaj internaj kaj eksteraj medioj, reprezentus la citoplasman ekvivalenton de la "cerbo."
Ekde la rompo de la genetika kodo en la fruaj 1950-aj jaroj, ĉelaj biologoj favoris la koncepton de genetika determinismo, la nocio ke genoj "kontrolas" biologion. Praktike ĉiuj genoj de la ĉelo estas enhavitaj ene de la plej granda organeto de la ĉelo, la kerno. Konvencia opinio konsideras la kernon esti la "komandcentro" de la ĉelo. Kiel tia, la kerno reprezentus la ĉelan ekvivalenton de la "cerbo."
Genetika determinismo konkludas, ke la esprimo kaj sorto de organismo estas ĉefe "antaŭdeterminitaj" en ĝia genetika kodo. La genetika bazo de organisma esprimo enradikiĝis en la biologiaj sciencoj kiel konsenta vero, kredo, per kiu ni enkadrigas nian referencon pri sano kaj malsano. Tial la ideo, ke susceptibilidad al iuj malsanoj aŭ la esprimo de deviga konduto estas ĝenerale ligita al genetika stirpo kaj, okaze, spontaneaj mutacioj. Per etendo, ankaŭ plimulto de sciencistoj perceptas, ke la homa menso kaj konscio estas "koditaj" en la molekuloj de la nerva sistemo. Ĉi tio siavice antaŭenigas la koncepton, ke la apero de konscio reflektas la "fantomon en la maŝino."
La supereco de DNA en influado kaj reguligado de biologia konduto kaj evoluo baziĝas sur senbaza supozo. Pionira artikolo de HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) priskribas kiel konceptoj pri genetikaj "kontroloj" kaj "programoj" estis origine konceptitaj kiel metaforoj por helpi difini kaj direkti esploradojn. Ĝeneraligita ripeto de ĉi tiu konvinka hipotezo dum kvindek jaroj rezultigis la "metaforon de la modelo" fariĝanta la "vero de la mekanismo", malgraŭ la foresto de substantivaj subtenaj pruvoj. Ĉar la supozo emfazas la genetikan programon kiel la "plej alta ŝtupo" sur la biologia kontrolŝtuparo, genoj akiris la statuson de kaŭzaj agentoj en ellogado de biologia esprimo kaj konduto (ekz. Genoj kaŭzantaj kanceron, alkoholismon, eĉ krimadon).
La nocio ke la kerno kaj ĝiaj genoj estas la "cerbo" de la ĉelo estas netenebla kaj nelogika hipotezo. Se la cerbo estas forigita de besto, interrompo de fiziologia integriĝo tuj kaŭzus la morton de la organismo. Se la kerno vere reprezentus la cerbon de la ĉelo, tiam forigo de la kerno rezultigus la ĉesigon de ĉelaj funkcioj kaj tuja ĉela morto. Tamen eksperimente enukleaj ĉeloj povas pluvivi dum du aŭ pli da monatoj sen genoj, kaj tamen kapablas efektivigi kompleksajn respondojn al mediaj kaj citoplasmaj stimuloj (Lipton, kaj aliaj, Diferencigo 1991, 46: 117-133). Logiko malkaŝas, ke la kerno ne povas esti la cerbo de la ĉelo!
Studoj pri klonitaj homaj ĉeloj kondukis min al la konscio, ke la plasmalemo de la ĉelo, kutime nomata ĉela membrano, reprezentas la "cerbon" de la ĉelo. Ĉelaj membranoj, la unuaj biologiaj organetoj aperantaj en evoluo, estas la sola organelo komuna al ĉiu viva organismo. Ĉelaj membranoj dividas la citoplasmon, apartigante ĝin de la kapricoj de la ekstera medio. En sia baro-kapablo, la membrano ebligas al la ĉelo teni streĉan "kontrolon" super la citoplasma medio, neceso efektivigi biologiajn reagojn. Ĉelaj membranoj estas tiel maldikaj, ke oni povas observi ilin nur per la elektronika mikroskopo. Sekve, la ekzisto kaj universala esprimo de la membrana strukturo estis nur klare establitaj ĉirkaŭ 1950.
En elektronaj mikrografoj, la ĉela membrano aperas kiel vane maldika (<10nm), tritavola (nigra-blanka-nigra) "haŭto" ĉirkaŭanta la ĉelon. La fundamenta struktura simpleco de la ĉela membrano, kiu estas identa por ĉiuj biologiaj organismoj, allogis ĉelajn biologojn. Dum la plej multaj el la lastaj kvindek jaroj, la membrano estis perceptita kiel "pasiva" duonpermea baro, simila al spirebla "plasta envolvaĵo", kies funkcio estis simple enhavi la citoplasmon.
La tavoligita aspekto de la membrano reflektas la organizon de siaj fosfolipidaj konstrubriketoj. Ĉi tiuj lekbombonaj molekuloj estas amfipataj, ili posedas kaj globan polusan fosfatan kapon (Figuro A) kaj du bastonecajn nepolusajn krurojn (Figuro B). Se skuitaj en solvaĵo, la fosfolipidoj memkunmetiĝas en stabiligan kristalan bitavolon (Figuro C).
La lipidaj kruroj konsistantaj el la kerno de la membrano provizas hidrofoban baron (Figuro D), kiu dividas la citoplasmon de la ĉiam ŝanĝiĝanta ekstera medio. Dum citoplasma integreco estas konservita per la pasiva barierfunkcio de la lipido, vivprocezoj necesigas la aktivan interŝanĝon de metabolitoj kaj informoj inter la citoplasmo kaj ĉirkaŭa medio. La fiziologiaj agadoj de la plasmalemo estas perataj de la proteinoj de la membrano.
Ĉiu el la ĉirkaŭ 100,000 malsamaj proteinoj provizantaj por la homa korpo konsistas el lineara ĉeno de ligitaj aminoacidoj. La "ĉenoj" estas kunmetitaj de loĝantaro de dudek malsamaj aminoacidoj. La unika strukturo kaj funkcio de ĉiu proteino estas difinitaj per la specifa sinsekvo de aminoacidoj konsistantaj el ĝia ĉeno. Sintezitaj kiel lineara ĉeno, la ĉenoj de aminoacidoj poste faldiĝas en unikajn tridimensiajn globetojn. La fina formo (formo) de la proteino reflektas ekvilibron de elektraj ŝargoj inter ĝiaj konsistigaj aminoacidoj.
La tridimensia morfologio de falditaj proteinoj donas al iliaj surfacoj specife formajn fendojn kaj poŝojn. Molekuloj kaj jonoj posedantaj komplementajn fizikajn formojn kaj elektrajn ŝarĝojn ligos al surfacaj fendoj kaj poŝoj de proteino kun la specifeco de seruro-ŝlosilo. Ligado de alia molekulo ŝanĝas la elektran ŝargan distribuon de la proteino. Responde, la aminoacida ĉeno de la proteino spontanee refaldiĝos por reekvilibrigi la ŝargan distribuon. Refaldado ŝanĝas la formon de la proteino. En ŝanĝo de unu formo al la sekva, la proteino esprimas movadon. Proteinaj konformigaj movadoj estas kontrolitaj de la ĉelo por plenumi fiziologiajn funkciojn. La laboro generita de proteina movado respondecas pri "vivo".
Kelkaj el la dudek aminoacidoj konsistantaj el la ĉeno de la proteino estas nepolusaj (hidrofobaj, oleemaj). La hidrofobaj partoj de proteinoj serĉas stabilecon enigante sin en la lipidan kernon de la membrano. La polusaj (akvaj) partoj de ĉi tiuj proteinoj etendiĝas de aŭ de ambaŭ de la akvokovritaj surfacoj de la membrano. Proteinoj korpigitaj ene de la membrano estas nomataj integritaj membranaj proteinoj (IMP).
Membranaj IMPoj povas esti funkcie subdividitaj en du klasojn: riceviloj kaj efektoroj. Receptoroj estas enigaj aparatoj, kiuj respondas al mediaj signaloj. Efektoroj estas eligitaj aparatoj, kiuj aktivigas ĉelajn procezojn. Familio de procesoraj proteinoj, situanta en la citoplasmo sub la membrano, servas por ligi signal-ricevantajn ricevilojn kun ago-produktantaj efektoroj.
Receptoroj estas molekulaj "antenoj", kiuj rekonas mediajn signalojn. Iuj receptoraj antenoj etendiĝas enen de la citoplasma vizaĝo de la membrano. Ĉi tiuj riceviloj "legas" la internan medion kaj konscias pri citoplasmaj kondiĉoj. Aliaj riceviloj etendiĝantaj de la ekstera surfaco de la ĉelo konscias pri eksteraj mediaj signaloj.
Konvenciaj biomedicinaj sciencoj diras, ke mediaj "informoj" povas esti portataj nur de la substanco de molekuloj (Science 1999, 284: 79-109). Laŭ ĉi tiu nocio, riceviloj nur rekonas "signalojn", kiuj fizike kompletigas siajn surfacajn trajtojn. Ĉi tiu materiisma kredo estas subtenata kvankam ĝi estis sufiĉe pruvita, ke proteinaj riceviloj respondas al vibraj oftecoj. Per procezo konata kiel elektrokonforma kuplado (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), resonancaj vibraj energiaj kampoj povas ŝanĝi la ekvilibron de ŝargoj en proteino. En harmonia energia kampo, riceviloj ŝanĝos sian formon. Sekve, membranaj riceviloj respondas al ambaŭ fizikaj kaj energiaj mediaj informoj.
La "aktivigita" formo de receptoro informas la ĉelon pri ekzisto de signalo. Ŝanĝoj en receptora konformiĝo provizas ĉelan "konscion." En ĝia "aktivigita" formo, signal-ricevila receptoro povas ligi aŭ al specifa funkcio-produktanta efekta proteino aŭ al pera procesora proteino. Receptoraj proteinoj revenas al sia origina "neaktiva" formo kaj malligas sin de aliaj proteinoj kiam la signalo ĉesas.
La familio de efektoraj proteinoj reprezentas "elirajn" aparatojn. Ekzistas tri malsamaj specoj de efektoroj, transportaj proteinoj, enzimoj kaj citoskeletaj proteinoj. Transportiloj, kiuj inkluzivas la vastan familion de kanaloj, servas por transporti molekulojn kaj informojn de unu flanko de la membrana baro al la alia. Enzimoj kaŭzas metabolan sintezon kaj degeneron. Ĉitoskeletaj proteinoj reguligas la formon kaj moviĝemon de ĉeloj.
Efektoraj proteinoj ĝenerale posedas du formojn: aktiva agordo en kiu la proteino esprimas sian funkcion; kaj "ripoziga" formo, en kiu la proteino estas neaktiva. Ekzemple, kanala proteino en sia aktiva formo posedas malferman poron, tra kiu specifaj jonoj aŭ molekuloj trairas la membranan baron. Revenante al neaktiva formo, proteina refaldado limigas la kondukan kanalon kaj la fluo de jonoj aŭ molekuloj ĉesas.
Kunmetante ĉiujn pecojn, ni donas al ni komprenon pri kiel la "cerbo" de la ĉelo prilaboras informojn kaj provokas konduton. La sennombraj molekulaj kaj radiantaj energisignaloj en la medio de ĉelo kreas virtualan kakofonion de informoj. En maniero simila al biologia konverto de Fourier, individuaj surfacaj riceviloj (Fig. H) sentas la ŝajne kaosan medion kaj filtras specifajn oftecojn kiel kondutajn signalojn. Ricevo de resonanta signalo (Fig. I, sago) induktas konformigan ŝanĝon en la citoplasma parto de la ricevilo (Fig. I, sagpinto). Ĉi tiu konformiga ŝanĝo ebligas al la receptoro kompleksiĝi kun specifa efektoro IMP (Fig. J, ĉi-kaze kanalo IMP). Ligado de la recepta proteino (Fig. K) siavice estigas konformigan ŝanĝon en la efekta proteino (Fig. L, kanalo malfermiĝas). Aktivigitaj riceviloj povas ŝalti enzimajn vojojn, indukti strukturan restrukturigon kaj moviĝemon aŭ aktivigi transporton de unike pulsataj elektraj signaloj kaj jonoj trans la membranon.
Procesoraj proteinoj funkcias kiel "plurkinejaj" aparatoj, ĉar ili povas pliigi la versatilecon de la signala sistemo. Tiaj proteinoj interfacas ricevilojn kun efektaj proteinoj (P en figuro M). Per "programado" de procesora proteina kuplado, diversaj enigoj povas esti ligitaj kun diversaj rezultoj. Procesoraj proteinoj zorgas pri granda konduta repertuaro uzanta limigitan nombron de IMPoj.
Efektoraj IMPoj konvertas receptor-mediaciitajn mediajn signalojn en biologian konduton. La eliga funkcio de iuj efektoraj proteinoj povus reprezenti la tutan amplekson de ellogita konduto. Tamen plejofte la eligo de efektaj IMPoj efektive funkcias kiel duaranga "signalo", kiu penetras la ĉelon kaj aktivigas konduton de aliaj citoplasmaj proteinaj vojoj. Aktivigitaj efektoraj proteinoj ankaŭ funkcias kiel transkripciaj faktoroj, signaloj, kiuj provokas genan esprimon.
La konduto de la ĉelo estas kontrolita per la kombinitaj agoj de kunligitaj receptoroj kaj efektaj IMPoj. Receptoroj donas "konscion pri la medio" kaj efektaj proteinoj transformas tiun konscion en "fizikan senton." Per strikta difino, ricevilo-efekta komplekso reprezentas fundamentan unuon de percepto. Proteinaj perceptunuoj disponigas la fundamenton de biologia konscio. Perceptoj "regas" ĉelan konduton, kvankam vere, ĉelo estas fakte "kontrolita" per kredoj, ĉar perceptoj eble ne nepre estas ĝustaj.
La ĉela membrano estas organika informprocesoro. Ĝi sentas la medion kaj konvertas tiun konscion en "informojn", kiuj povas influi la agadon de proteinaj vojoj kaj kontroli la esprimon de la genoj. Priskribo de la strukturo kaj funkcio de la membrano tekstas jene: (A) surbaze de la organizo de siaj fosfolipidaj molekuloj, la membrano estas likva kristalo; B) la reguligita transportado de informoj trans la hidrofoba baro fare de IMP-efektoraj proteinoj igas la membranon duonkonduktaĵo; kaj © la membrano estas dotita per IMPoj, kiuj funkcias kiel pordoj (riceviloj) kaj kanaloj. Kiel likvokristala semikonduktaĵo kun pordegoj kaj kanaloj, la membrano estas informpretiga transistoro, organika komputila peceto.
Ĉiu ricevilo-efekta komplekso reprezentas biologian BIT, ununuran perceptan unuon. Kvankam ĉi tiu hipotezo unue estis formale prezentita en 1986 (Lipton 1986, Planeda Asocio por Novaĵletero 5: 4), la koncepto poste estis teknologie kontrolita. Cornell kaj aliaj (Nature 1997, 387: 580-584), ligis membranon al ora folia substrato. Regante la elektrolitojn inter la membrano kaj la folio, ili povis ciferecigi la malfermon kaj fermon de receptor-aktivigitaj kanaloj. La ĉelo kaj peceto estas homologaj strukturoj.
La ĉelo estas karbono-bazita "komputila blato", kiu legas la medion. Ĝia "klavaro" konsistas el riceviloj. Mediaj informoj estas enigitaj per ĝiaj proteinaj "ŝlosiloj". La datumoj estas transduktitaj en biologian konduton de efektoraj proteinoj. La IMP-BIT funkcias kiel ŝaltiloj, kiuj reguligas ĉelajn funkciojn kaj genan esprimon. La kerno reprezentas "durdiskon" kun DNA-kodigita programaro. Lastatempaj progresoj en molekula biologio emfazas la legadon / skribadon de ĉi tiu malmola disko.
Kurioze, la dikeco de la membrano (ĉirkaŭ 7.5 nm) estas fiksita per la dimensioj de la fosfolipida bitavolo. Ĉar membranaj IMPoj havas proksimume 6-8 nm en diametro, ili povas nur formi unutavolaĵon en la membrano. IMP-unuoj ne povas stakigi unu la alian, la aldono de pli da perceptunuoj estas rekte ligita al pliiĝo en membrana surfacareo. Per ĉi tiu kompreno, evoluo, plivastigo de konscio (t.e. aldono de pli da IMPoj) plej efike estus modeligitaj per fraktala geometrio. La fraktala naturo de biologio povas esti observita en la strukturaj kaj funkciaj ripetoj observitaj inter la hierarkio de la ĉelo, plurĉelaj organismoj (viro) kaj la komunumoj de plurĉelaj organismoj (homa socio).
Ĉi tiu nova percepto pri ĉelaj kontrolmekanismoj liberigas nin de la limoj de genetika determinismo. Prefere ol konduti kiel programitaj genetikaj aŭtomatoj, biologia konduto estas dinamike ligita al la medio. Kvankam ĉi tiu reduktisma aliro reliefigis la mekanismon de la individuaj perceptaj proteinoj, kompreno de la prilaborada mekanismo emfazas la holisman naturon de biologiaj organismoj. La esprimo de la ĉelo reflektas la rekonon de ĉiuj perceptitaj mediaj stimuloj, kaj fizikaj kaj energiaj. Sekve, la "Koro de Energia Medicino" vere troviĝas en la magio de la membrano.