Uuesti trükitud Bridgesist, 2001 Vol 12 (1): 5 ISSEEM
Ehkki inimene koosneb enam kui viiekümnest triljonist rakust, ei ole meie kehas füsioloogilisi funktsioone, mis poleks ühe tuumaga (eukarüootsete) rakkude bioloogias varem olemas olnud. Üherakulistel organismidel, nagu amööb või parameetium, on muu hulgas seedesüsteemi, eritussüsteemi, hingamissüsteemi, lihasluukonna, immuunsüsteemi, reproduktiivsüsteemi ja kardiovaskulaarsüsteemi tsütoloogilised ekvivalendid. Inimestel on need füsioloogilised funktsioonid seotud teatud elundite tegevusega. Neid samu füsioloogilisi protsesse viivad rakkudes läbi väiksemad organite süsteemid, mida nimetatakse organellideks.
Rakkude elu säilitab raku füsioloogiliste süsteemide funktsioonide range reguleerimine. Ennustatavate käitumuslike repertuaaride väljendamine eeldab rakulise "närvisüsteemi" olemasolu. See süsteem reageerib keskkonna stiimulitele, kutsudes esile asjakohaseid käitumisvastuseid. Organell, mis koordineerib raku kohandumist ja reaktsioone selle sise- ja väliskeskkonnale, esindaks "aju" tsütoplasma ekvivalenti.
Alates geneetilise koodi rikkumisest 1950. aastate alguses on rakubioloogid eelistanud geneetilise determinismi kontseptsiooni, arusaama, et geenid „kontrollivad” bioloogiat. Praktiliselt kõik raku geenid asuvad raku suurimas organellis - tuumas. Tavapärane arvamus peab tuuma raku “juhtimiskeskuseks”. Sellisena esindaks tuum "aju" rakulist ekvivalenti.
Geneetiline determinism järeldab, et organismi ekspressioon ja saatus on selle geneetilises koodis “ette määratud”. Organismi väljendumise geneetiline alus on bioteadustes juurdunud konsensuslikuks tõeks, uskumuseks, mille alusel me viitame oma tervise ja haiguste kohta. Siit tuleneb arusaam, et vastuvõtlikkus teatud haigustele või ebanormaalse käitumise väljendus on üldiselt seotud geneetilise sugupuu ja mõnikord ka spontaansete mutatsioonidega. Laiemalt tajub enamus teadlasi ka seda, et inimese meel ja teadvus on “kodeeritud” närvisüsteemi molekulidesse. See omakorda soodustab kontseptsiooni, et teadvuse tekkimine peegeldab „masinat masinas”.
DNA ülimuslikkus bioloogilise käitumise ja evolutsiooni mõjutamisel ja reguleerimisel põhineb alusetul eeldusel. HF Nijhout'i põhiartikkel (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) kirjeldab, kuidas geneetilisi “kontrolle” ja “programme” käsitlevaid mõisteid algselt kujutati metafooridena, mis aitavad määratleda ja suunata uurimisviise. Selle kaaluka hüpoteesi laialdane kordamine viiekümne aasta jooksul on toonud kaasa selle, et „mudeli metafoorist” on saanud „mehhanismi tõde”, hoolimata põhjendavate tõendusmaterjalide puudumisest. Kuna eelduses rõhutatakse geneetilist programmi kui bioloogilise kontrollredeli tippu, on geenid omandanud bioloogilise väljenduse ja käitumise esilekutsumisel põhjuslike tegurite staatuse (nt geenid, mis põhjustavad vähki, alkoholismi või isegi kuritegevust).
Arusaam, et tuum ja selle geenid on raku „aju”, on kinnitamatu ja ebaloogiline hüpotees. Kui aju eemaldatakse loomalt, põhjustab füsioloogilise integratsiooni katkestamine kohe organismi surma. Kui tuum kujutas tõepoolest raku aju, siis tuuma eemaldamine tooks kaasa rakufunktsioonide lakkamise ja rakusurma. Kuid eksperimentaalselt tuumatud rakud võivad ilma geenideta ellu jääda kaks või enam kuud, kuid on siiski võimelised mõjutama keerulisi reaktsioone keskkonna- ja tsütoplasmaatilistele stiimulitele (Lipton et al., Differentiation 1991, 46: 117-133). Loogika näitab, et tuum ei saa olla raku aju!
Uuringud kloonitud inimrakkudega viisid mind teadvuseni, et raku plasmalemma, mida tavaliselt nimetatakse rakumembraaniks, kujutab endast raku “aju”. Rakumembraanid, esimene evolutsioonis ilmnenud bioloogiline organell, on ainus organell, mis on ühine igale elusorganismile. Rakumembraanid eraldavad tsütoplasma osadeks, eraldades selle väliskeskkonna kapriisidest. Oma barjäärivõimega võimaldab membraan rakul säilitada tsütoplasmaatilise keskkonna üle range kontrolli, mis on vajalik bioloogiliste reaktsioonide läbiviimiseks. Rakumembraanid on nii õhukesed, et neid saab jälgida ainult elektronmikroskoobi abil. Järelikult tehti membraanistruktuuri olemasolu ja universaalne väljendus selgeks alles 1950. aasta paiku.
Elektronmikroskoopides tundub rakumembraan kaduvat õhukest (<10nm), kolmekihilist (must-valge-must) "nahka", mis ümbritseb rakku. Rakumembraani põhimõtteline struktuuriline lihtsus, mis on kõigi bioloogiliste organismide jaoks identne, pettis rakubiolooge. Enamiku viimase viiekümne aasta jooksul tajuti membraani kui “passiivset” poolläbilaskvat barjääri, mis meenutas hingavat “kilekatet”, mille ülesanne oli lihtsalt tsütoplasma sisaldada.
Membraani kihiline välimus peegeldab selle fosfolipiidide ehitusplokkide korraldust. Need pulgakommikujulised molekulid on amfipaatilised, neil on nii kerajas polaarne fosfaatpea (joonis A) kui ka kaks pulgataolist mittepolaarset jalga (joonis B). Lahuses loksutades kogunevad fosfolipiidid ise stabiliseeruvaks kristalseks kahekihiliseks kihiks (joonis C).
Membraani südamikku sisaldavad lipiidjalad pakuvad hüdrofoobset barjääri (joonis D), mis eraldab tsütoplasma pidevalt muutuvast väliskeskkonnast. Kuigi tsütoplasma terviklikkust säilitab lipiidide passiivne barjäärifunktsioon, vajavad eluprotsessid metaboliitide ja teabe aktiivset vahetamist tsütoplasma ja ümbritseva keskkonna vahel. Plasmalemma füsioloogilist aktiivsust vahendavad membraani valgud.
Kõik umbes 100,000 XNUMX erinevat inimkeha varustavat valku koosnevad omavahel seotud aminohapete lineaarsest ahelast. "Ahelad" on kokku pandud kahekümne erineva aminohappe populatsioonist. Iga valgu ainulaadne struktuur ja funktsioon on määratletud selle ahelat hõlmava aminohapete spetsiifilise järjestusega. Lineaarse stringina sünteesitud aminohapete ahelad volditakse seejärel ainulaadseteks kolmemõõtmelisteks gloobuliteks. Valgu lõplik konformatsioon (kuju) peegeldab selle koostisosade aminohapete elektrilaengute tasakaalu.
Volditud valkude kolmemõõtmeline morfoloogia annab nende pindadele spetsiifilise kujuga lõhed ja taskud. Molekulid ja ioonid, millel on täiendav füüsiline kuju ja elektrilaengud, seostuvad valgu pinna lõhede ja taskutega lukustamisvõtmega. Teise molekuli sidumine muudab valgu elektrilaengu jaotust. Vastusena kerib valgu aminohapete ahel spontaanselt ümber, et tasakaalustada laengu jaotust. Uuesti voltimine muudab valgu konformatsiooni. Ühest konformatsioonist teise liikudes väljendab valk liikumist. Rakk kasutab füsioloogiliste funktsioonide täitmiseks valgu konformatsioonilisi liigutusi. Valkude liikumise loodud töö vastutab "elu" eest.
Paljud kahekümnest valguahelat sisaldavast aminohappest on mittepolaarsed (hüdrofoobsed, õli armastavad). Valkude hüdrofoobsed osad otsivad stabiilsust, sisestades end membraani lipiidide südamikku. Nende valkude polaarsed (vett armastavad) osad ulatuvad membraani ühelt või mõlemalt veega kaetud pinnalt. Membraanis sisalduvaid valke nimetatakse integraalseteks membraanvalkudeks (IMP).
Membraani IMP -sid saab funktsionaalselt jagada kahte klassi: retseptorid ja efektorid. Retseptorid on sisendseadmed, mis reageerivad keskkonnasignaalidele. Efektorid on väljundseadmed, mis aktiveerivad kärgprotsesse. Protsessorvalkude perekond, mis asub membraani all asuvas tsütoplasmas, on seotud signaali vastuvõtvate retseptorite ühendamisega toime tekitavate efektoritega.
Retseptorid on molekulaarsed antennid, mis tunnevad ära keskkonnasignaale. Mõned retseptori antennid ulatuvad membraani tsütoplasmaatilisest pinnast sissepoole. Need retseptorid "loevad" sisemist miljööd ja annavad teadlikkust tsütoplasmaatilistest tingimustest. Teised raku välispinnast ulatuvad retseptorid pakuvad teadlikkust väliskeskkonna signaalidest.
Tavalised biomeditsiiniteadused on seisukohal, et keskkonnaalast teavet saab kanda ainult molekulide aine (Science 1999, 284: 79-109). Selle arusaama kohaselt tunnevad retseptorid ära ainult „signaale”, mis füüsiliselt täiendavad nende pinnaomadusi. Seda materialistlikku veendumust säilitatakse, kuigi on piisavalt tõestatud, et valgu retseptorid reageerivad vibratsioonisagedustele. Protsessi kaudu, mida nimetatakse elektrokonformatsiooniliseks sidestamiseks (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), võivad resonantsvibratsioonilised energiaväljad muuta valgu laengute tasakaalu. Harmoonilises energiaväljas muudavad retseptorid oma konformatsiooni. Järelikult reageerivad membraaniretseptorid nii füüsilisele kui ka energeetilisele keskkonnateabele.
Retseptori “aktiveeritud” konformatsioon teavitab rakku signaali olemasolust. Muutused retseptori konformatsioonis tagavad rakulise „teadlikkuse”. "Aktiveeritud" konformatsioonis võib signaali vastuvõttev retseptor seonduda kas spetsiifilise funktsiooni tootva efektvalguga või protsessorvalguga. Retseptorvalgud naasevad oma esialgse "mitteaktiivse" konformatsiooni juurde ja eralduvad teistest valkudest, kui signaal lakkab.
Efektorvalkude perekond esindab väljundseadmeid. Efektoreid, transpordivalke, ensüüme ja tsütoskeleti valke on kolme erinevat tüüpi. Transporterid, mis hõlmavad ulatuslikku kanalite perekonda, on mõeldud molekulide ja teabe transportimiseks membraanitõkke ühelt küljelt teisele. Ensüümid vastutavad ainevahetuse ja lagunemise eest. Tsütoskeleti valgud reguleerivad rakkude kuju ja liikuvust.
Efektorvalkudel on tavaliselt kaks konformatsiooni: aktiivne konfiguratsioon, milles valk väljendab oma funktsiooni; ja "puhkeolekus", milles valk on passiivne. Näiteks on kanalivalgul selle aktiivsel kujul avatud poor, mille kaudu spetsiifilised ioonid või molekulid läbivad membraanbarjääri. Inaktiivse konformatsiooni juurde naasmisel kitsendab valkude uuesti voltimine juhtivat kanalit ja ioonide või molekulide vool peatub.
Kõiki osi kokku pannes saame ülevaate sellest, kuidas raku „aju” teavet töötleb ja käitumist esile kutsub. Loendamatud molekulaarsed ja kiirgavad energiasignaalid raku keskkonnas loovad teabe virtuaalse kakofoonia. Bioloogilist Fourier 'teisendust meenutaval viisil tajuvad üksikud pinnaretseptorid (joonis H) pealtnäha kaootilist keskkonda ja filtreerivad käitumissignaalidena välja teatud sagedused. Resonantssignaali vastuvõtmine (joonis I, nool) kutsub esile retseptori tsütoplasmaatilise osa konformatsioonimuutuse (joonis I, nooleots). See konformatsiooniline muutus võimaldab retseptoril kompleksida konkreetse efektor -IMP -ga (joonis J, antud juhul kanal IMP). Retseptorvalgu (joonis K) seondumine kutsub omakorda esile efektorvalgu konformatsioonilise muutuse (joonis L, kanal avaneb). Aktiveeritud retseptorid võivad sisse lülitada ensüümide radu, kutsuda esile struktuurse ümberkorraldamise ja liikuvuse või aktiveerida ainulaadsete impulssidega elektriliste signaalide ja ioonide transpordi läbi membraani.
Protsessorvalgud toimivad multipleksseadmetena, kuna need võivad suurendada signaalisüsteemi mitmekülgsust. Sellised valgud ühendavad retseptorid efektorvalkudega (P joonisel M). Protsessori valgu sidumise “programmeerimise” abil saab erinevaid sisendeid siduda erinevate väljunditega. Protsessorvalgud pakuvad suurt käitumisrepertuaari, kasutades piiratud arvu IMP -sid.
Effector IMP-d muudavad retseptori vahendatud keskkonnasignaalid bioloogiliseks käitumiseks. Mõne efektorvalgu väljundfunktsioon võib esindada esilekutsutud käitumise täielikku ulatust. Kuid enamikul juhtudel on efektor -IMP -de väljund tegelikult sekundaarne "signaal", mis tungib rakku ja aktiveerib teiste tsütoplasmaatiliste valkude radade käitumise. Aktiveeritud efektorvalgud toimivad ka transkriptsioonifaktoritena, signaalidena, mis kutsuvad esile geeniekspressiooni.
Raku käitumist kontrollivad ühendatud retseptorite ja efektor -IMP -de kombineeritud toimed. Retseptorid pakuvad "keskkonnateadlikkust" ja efektvalgud muudavad selle teadlikkuse "füüsiliseks aistinguks". Range määratluse järgi kujutab retseptor-efektorkompleks taju põhiühikut. Valgu tajumise üksused loovad bioloogilise teadvuse aluse. Tajud "kontrollivad" rakkude käitumist, kuigi tegelikult kontrollivad rakku tegelikult uskumused, kuna arusaamad ei pruugi olla täpsed.
Rakumembraan on orgaaniline infotöötleja. See tunneb keskkonda ja muudab selle teadlikkuse "teabeks", mis võib mõjutada valguradade aktiivsust ja kontrollida geenide ekspressiooni. Membraani struktuuri ja funktsiooni kirjeldus on järgmine: (A) selle fosfolipiidmolekulide korralduse alusel on membraan vedelkristall; B) teabe reguleeritud transport üle hüdrofoobse barjääri IMP efektorvalkude abil muudab membraani pooljuhiks; ja © membraanil on IMP -d, mis toimivad väravate (retseptorite) ja kanalitena. Väravate ja kanalitega vedelkristall -pooljuhina on membraan infotöötlustransistor, orgaaniline arvutikiip.
Iga retseptor-efektorkompleks kujutab endast bioloogilist BIT-d, ühte tajuühikut. Kuigi see hüpotees esitati esmakordselt ametlikult 1986. aastal (Lipton 1986, Planetary Assoc. For Clean Energy Newsletter 5: 4), on kontseptsiooni sellest ajast alates tehnoloogiliselt kontrollitud. Cornell jt (Nature 1997, 387: 580-584) sidusid membraani kuldfooliumi substraadiga. Membraani ja fooliumi vahel olevate elektrolüütide juhtimisega suutsid nad digiteerida retseptori aktiveeritud kanalite avamise ja sulgemise. Rakk ja kiip on homoloogsed struktuurid.
Rakk on süsinikupõhine "arvuti kiip", mis loeb keskkonda. Selle "klaviatuur" koosneb retseptoritest. Keskkonnateave sisestatakse selle valgu „võtmete” kaudu. Efektorvalgud muudavad andmed bioloogiliseks käitumiseks. IMP BIT -id toimivad lülititena, mis reguleerivad raku funktsioone ja geeniekspressiooni. Tuum kujutab endast DNA-kodeeritud tarkvaraga kõvaketast. Hiljutised edusammud molekulaarbioloogias rõhutavad selle kõvaketta lugemise/kirjutamise olemust.
Huvitav on see, et membraani paksus (umbes 7.5 nm) on fikseeritud kahekihilise fosfolipiidi mõõtmetega. Kuna membraani IMP-d on umbes 6–8 nm läbimõõduga, võivad need moodustada membraanis ainult ühekihilisi. IMP-seadmeid ei saa üksteise peale laduda, rohkemate tajuühikute lisamine on otseselt seotud membraanipinna suurenemisega. Selle arusaama järgi oleks evolutsiooni, teadlikkuse laiendamist (st rohkem IMP -de lisamist) kõige tõhusamalt modelleeritud fraktaalgeomeetria abil. Bioloogia fraktaalset olemust võib täheldada raku, mitmerakuliste organismide (inimene) ja mitmerakuliste organismide kogukondade (inimühiskond) hierarhias täheldatud struktuurilistes ja funktsionaalsetes kordustes.
See uus arusaam rakkude kontrollimehhanismidest vabastab meid geneetilise determinismi piirangutest. Selle asemel, et käituda programmeeritud geneetiliste automaatidena, on bioloogiline käitumine dünaamiliselt keskkonnaga seotud. Kuigi see reduktsionistlik lähenemisviis on esile toonud üksikute valkude tajumise mehhanismi, rõhutab töötlemismehhanismi mõistmine bioloogiliste organismide terviklikku olemust. Raku ekspressioon peegeldab kõigi tajutavate keskkonna stiimulite äratundmist, nii füüsilisi kui ka energeetilisi. Järelikult võib „Energiameditsiini süda” tõepoolest leida membraani maagiast.