Dicetak ulang dari Bridges, 2001 Vol 12(1):5 ISSEEM
Meskipun manusia terdiri dari lebih dari lima puluh triliun sel, tidak ada fungsi fisiologis dalam tubuh kita yang belum ada sebelumnya dalam biologi sel tunggal berinti (eukariotik). Organisme bersel tunggal, seperti amuba atau paramecium, memiliki persamaan sitologi dari sistem pencernaan, sistem ekskresi, sistem pernapasan, sistem muskuloskeletal, sistem kekebalan, sistem reproduksi dan sistem kardiovaskular, antara lain. Pada manusia, fungsi fisiologis ini berhubungan dengan aktivitas organ tertentu. Proses fisiologis yang sama ini dilakukan dalam sel oleh sistem organ kecil yang disebut organel.
Kehidupan sel ditopang oleh pengaturan ketat fungsi sistem fisiologis sel. Ekspresi repertoar perilaku yang dapat diprediksi menyiratkan keberadaan "sistem saraf" seluler. Sistem ini bereaksi terhadap rangsangan lingkungan dengan memunculkan respons perilaku yang sesuai. Organel yang mengoordinasikan penyesuaian dan reaksi sel terhadap lingkungan internal dan eksternalnya akan mewakili ekuivalen sitoplasma dari "otak."
Sejak pemecahan kode genetik pada awal 1950-an, ahli biologi sel lebih menyukai konsep determinisme genetik, gagasan bahwa gen "mengendalikan" biologi. Hampir semua gen sel terkandung di dalam organel terbesar sel, nukleus. Pendapat konvensional menganggap nukleus sebagai “pusat komando” sel. Dengan demikian, nukleus akan mewakili padanan seluler dari "otak."
Determinisme genetik menyimpulkan bahwa ekspresi dan nasib suatu organisme terutama "ditentukan sebelumnya" dalam kode genetiknya. Dasar genetik ekspresi organisme tertanam dalam ilmu biologi sebagai kebenaran konsensual, sebuah keyakinan yang dengannya kita membingkai referensi kita untuk kesehatan dan penyakit. Oleh karena itu gagasan bahwa kerentanan terhadap penyakit tertentu atau ekspresi perilaku menyimpang umumnya terkait dengan garis keturunan genetik dan, kadang-kadang, mutasi spontan. Selain itu, sebagian besar ilmuwan juga menganggap bahwa pikiran dan kesadaran manusia "dikodekan" dalam molekul sistem saraf. Ini pada gilirannya mempromosikan konsep bahwa munculnya kesadaran mencerminkan "hantu dalam mesin."
Keunggulan DNA dalam mempengaruhi dan mengatur perilaku dan evolusi biologis didasarkan pada asumsi yang tidak berdasar. Sebuah artikel mani oleh HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9:441-446) menjelaskan bagaimana konsep tentang "kontrol" genetik dan "program" awalnya dipahami sebagai metafora untuk membantu menentukan dan mengarahkan jalan penelitian. Pengulangan yang meluas dari hipotesis yang meyakinkan ini selama lima puluh tahun telah menghasilkan "metafora model" menjadi "kebenaran mekanisme", meskipun tidak ada bukti pendukung yang substantif. Karena asumsi tersebut menekankan program genetik sebagai “anak tangga teratas” pada tangga kontrol biologis, gen telah memperoleh status agen penyebab dalam memunculkan ekspresi dan perilaku biologis (misalnya, gen yang menyebabkan kanker, alkoholisme, bahkan kriminalitas).
Gagasan bahwa nukleus dan gennya adalah "otak" sel adalah hipotesis yang tidak dapat dipertahankan dan tidak logis. Jika otak diambil dari hewan, gangguan integrasi fisiologis akan segera menyebabkan kematian organisme. Jika nukleus benar-benar mewakili otak sel, maka pengangkatan nukleus akan mengakibatkan penghentian fungsi sel dan kematian sel segera. Namun, sel-sel yang dienukleasi secara eksperimental dapat bertahan selama dua bulan atau lebih tanpa gen, namun mampu mempengaruhi respons kompleks terhadap rangsangan lingkungan dan sitoplasma (Lipton, et al., Diferensiasi 1991, 46:117-133). Logika mengungkapkan bahwa nukleus tidak bisa menjadi otak sel!
Studi tentang sel manusia yang dikloning membawa saya pada kesadaran bahwa plasmalemma sel, yang biasa disebut sebagai membran sel, mewakili "otak" sel. Membran sel, organel biologis pertama yang muncul dalam evolusi, adalah satu-satunya organel yang umum bagi setiap organisme hidup. Membran sel membagi sitoplasma, memisahkannya dari keanehan lingkungan eksternal. Dalam kapasitas penghalangnya, membran memungkinkan sel untuk mempertahankan "kontrol" yang ketat atas lingkungan sitoplasma, suatu keharusan dalam melakukan reaksi biologis. Membran sel sangat tipis sehingga hanya dapat diamati dengan mikroskop elektron. Akibatnya, keberadaan dan ekspresi universal dari struktur membran baru secara jelas ditetapkan sekitar tahun 1950.
Dalam mikrograf elektron, membran sel tampak sebagai “kulit” yang semakin tipis (<10nm), berlapis tiga (hitam-putih-hitam) yang menyelimuti sel. Kesederhanaan struktural mendasar dari membran sel, yang identik untuk semua organisme biologis, memperdaya para ahli biologi sel. Selama sebagian besar dari lima puluh tahun terakhir, membran dianggap sebagai penghalang semi-permeabel "pasif", menyerupai "bungkus plastik" yang dapat bernapas, yang fungsinya hanya untuk menampung sitoplasma.
Penampilan berlapis membran mencerminkan organisasi blok bangunan fosfolipidnya. Molekul berbentuk lolipop ini bersifat amfipatik, mereka memiliki kepala fosfat polar berbentuk bulat (Gambar A) dan dua kaki non-polar seperti tongkat (Gambar B). Ketika dikocok dalam larutan, fosfolipid berkumpul sendiri menjadi lapisan ganda kristal yang menstabilkan (Gambar C).
Kaki lipid yang terdiri dari inti membran memberikan penghalang hidrofobik (Gambar D) yang memisahkan sitoplasma dari lingkungan eksternal yang selalu berubah. Sementara integritas sitoplasma dipertahankan oleh fungsi penghalang pasif lipid, proses kehidupan memerlukan pertukaran aktif metabolit dan informasi antara sitoplasma dan lingkungan sekitarnya. Aktivitas fisiologis plasmalemma dimediasi oleh protein membran.
Masing-masing dari sekitar 100,000 protein berbeda yang disediakan untuk tubuh manusia terdiri dari rantai linier asam amino yang terhubung. "Rantai" dirakit dari populasi dua puluh asam amino yang berbeda. Struktur dan fungsi unik setiap protein ditentukan oleh urutan spesifik asam amino yang menyusun rantainya. Disintesis sebagai string linier, rantai asam amino kemudian melipat menjadi butiran tiga dimensi yang unik. Konformasi akhir (bentuk) protein mencerminkan keseimbangan muatan listrik di antara asam amino penyusunnya.
Morfologi tiga dimensi dari protein terlipat melengkapi permukaannya dengan celah dan kantong yang berbentuk khusus. Molekul dan ion yang memiliki bentuk fisik komplementer dan muatan listrik akan mengikat celah dan kantong permukaan protein dengan kekhususan kunci-dan-kunci. Pengikatan molekul lain mengubah distribusi muatan listrik protein. Sebagai tanggapan, rantai asam amino protein akan secara spontan melipat kembali untuk menyeimbangkan distribusi muatan. Refolding mengubah konformasi protein. Dalam pergeseran dari satu konformasi ke yang berikutnya, protein mengekspresikan gerakan. Gerakan konformasi protein dimanfaatkan oleh sel untuk menjalankan fungsi fisiologis. Pekerjaan yang dihasilkan oleh gerakan protein bertanggung jawab untuk "kehidupan."
Sejumlah dari dua puluh asam amino yang menyusun rantai protein adalah non-polar (hidrofobik, suka minyak). Bagian hidrofobik protein mencari stabilitas dengan memasukkan diri ke dalam inti lipid membran. Bagian polar (suka air) dari protein ini memanjang dari salah satu atau kedua permukaan membran yang tertutup air. Protein yang tergabung dalam membran disebut protein membran integral (IMPs).
IMP membran secara fungsional dapat dibagi menjadi dua kelas: reseptor dan efektor. Reseptor adalah perangkat input yang merespon sinyal lingkungan. Efektor adalah perangkat keluaran yang mengaktifkan proses seluler. Sebuah keluarga protein prosesor, terletak di sitoplasma di bawah membran, berfungsi untuk menghubungkan reseptor penerima sinyal dengan efektor yang menghasilkan aksi.
Reseptor adalah "antena" molekuler yang mengenali sinyal lingkungan. Beberapa antena reseptor memanjang ke dalam dari permukaan sitoplasma membran. Reseptor ini "membaca" lingkungan internal dan memberikan kesadaran akan kondisi sitoplasma. Reseptor lain yang memanjang dari permukaan luar sel memberikan kesadaran akan sinyal lingkungan eksternal.
Ilmu biomedis konvensional berpendapat bahwa “informasi” lingkungan hanya dapat dibawa oleh substansi molekul (Science 1999, 284:79-109). Menurut gagasan ini, reseptor hanya mengenali "sinyal" yang secara fisik melengkapi fitur permukaannya. Keyakinan materialistis ini dipertahankan meskipun telah banyak ditunjukkan bahwa reseptor protein merespons frekuensi getaran. Melalui proses yang dikenal sebagai electroconformational coupling (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14:89-92), medan energi getaran resonansi dapat mengubah keseimbangan muatan dalam protein. Dalam medan energi harmonik, reseptor akan mengubah konformasinya. Akibatnya, reseptor membran merespon baik informasi lingkungan fisik dan energik.
Konformasi "diaktifkan" reseptor memberi tahu sel tentang keberadaan sinyal. Perubahan konformasi reseptor memberikan "kesadaran" seluler. Dalam konformasi "diaktifkan", reseptor penerima sinyal dapat berikatan dengan protein efektor penghasil fungsi tertentu atau protein prosesor perantara. Protein reseptor kembali ke konformasi "tidak aktif" aslinya dan terlepas dari protein lain ketika sinyal berhenti.
Keluarga protein efektor mewakili perangkat "output". Ada tiga jenis efektor, protein transpor, enzim, dan protein sitoskeletal. Transporter, yang mencakup keluarga saluran yang luas, berfungsi untuk mengangkut molekul dan informasi dari satu sisi penghalang membran ke sisi lain. Enzim bertanggung jawab untuk sintesis dan degradasi metabolik. Protein sitoskeletal mengatur bentuk dan motilitas sel.
Protein efektor umumnya memiliki dua konformasi: konfigurasi aktif di mana protein mengekspresikan fungsinya; dan konformasi "istirahat" di mana protein tidak aktif. Misalnya, protein saluran dalam konformasi aktifnya memiliki pori terbuka di mana ion atau molekul tertentu melintasi penghalang membran. Dalam kembali ke konformasi tidak aktif, protein refolding menyempitkan saluran konduksi dan aliran ion atau molekul berhenti.
Dengan menyatukan semua bagian, kami memberikan wawasan tentang bagaimana "otak" sel memproses informasi dan memunculkan perilaku. Sinyal energi molekul dan radiasi yang tak terhitung banyaknya di lingkungan sel menciptakan hiruk-pikuk informasi virtual. Dengan cara yang menyerupai transformasi Fourier biologis, reseptor permukaan individu (Gbr. H) merasakan lingkungan yang tampaknya kacau dan menyaring frekuensi tertentu sebagai sinyal perilaku. Penerimaan sinyal resonansi (Gbr. I, panah) menginduksi perubahan konformasi di bagian sitoplasma reseptor (Gbr. I, panah). Perubahan konformasi ini memungkinkan reseptor untuk kompleks dengan efektor IMP tertentu (Gbr. J, dalam hal ini saluran IMP). Pengikatan protein reseptor (Gbr. K) pada gilirannya memunculkan perubahan konformasi pada protein efektor (Gbr. L, saluran terbuka). Reseptor yang teraktivasi dapat mengaktifkan jalur enzim, menginduksi reorganisasi struktural dan motilitas atau mengaktifkan transpor sinyal dan ion listrik berdenyut unik melintasi membran.
Protein prosesor berfungsi sebagai perangkat "multipleks" karena dapat meningkatkan keserbagunaan sistem sinyal. Protein tersebut menghubungkan reseptor dengan protein efektor (P pada gambar M). Dengan "pemrograman" kopling protein prosesor, berbagai input dapat dihubungkan dengan berbagai output. Protein prosesor menyediakan repertoar perilaku yang besar menggunakan sejumlah IMP yang terbatas.
IMP efektor mengubah sinyal lingkungan yang dimediasi reseptor menjadi perilaku biologis. Fungsi keluaran dari beberapa protein efektor mungkin mewakili seluruh perilaku yang ditimbulkan. Namun, dalam banyak kasus, keluaran IMP efektor sebenarnya berfungsi sebagai "sinyal" sekunder yang menembus sel dan mengaktifkan perilaku jalur protein sitoplasma lainnya. Protein efektor yang diaktifkan juga berfungsi sebagai faktor transkripsi, sinyal yang memunculkan ekspresi gen.
Perilaku sel dikendalikan oleh aksi gabungan dari reseptor yang digabungkan dan IMP efektor. Reseptor memberikan "kesadaran terhadap lingkungan" dan protein efektor mengubah kesadaran itu menjadi "sensasi fisik." Dengan definisi yang ketat, kompleks reseptor-efektor mewakili unit dasar persepsi. Unit persepsi protein memberikan dasar kesadaran biologis. Persepsi "mengendalikan" perilaku sel, meskipun sebenarnya, sel sebenarnya "dikendalikan" oleh keyakinan, karena persepsi belum tentu akurat.
Membran sel adalah pengolah informasi organik. Ia merasakan lingkungan dan mengubah kesadaran itu menjadi "informasi" yang dapat memengaruhi aktivitas jalur protein dan mengontrol ekspresi gen. Uraian struktur dan fungsi membran berbunyi sebagai berikut: (A) berdasarkan susunan molekul fosfolipidnya, membran merupakan kristal cair; B) transportasi informasi yang diatur melintasi penghalang hidrofobik oleh protein efektor IMP membuat membran menjadi semikonduktor; dan © membran diberkahi dengan IMP yang berfungsi sebagai gerbang (reseptor) dan saluran. Sebagai semikonduktor kristal cair dengan gerbang dan saluran, membran adalah transistor pemrosesan informasi, chip komputer organik.
Setiap kompleks reseptor-efektor mewakili BIT biologis, satu unit persepsi. Meskipun hipotesis ini pertama kali dipresentasikan secara resmi pada tahun 1986 (Lipton 1986, Planetary Assoc. for Clean Energy Newsletter 5:4), konsep tersebut telah diverifikasi secara teknologi. Cornell dan lain-lain (Alam 1997, 387:580-584), menghubungkan membran ke substrat foil emas. Dengan mengontrol elektrolit antara membran dan foil, mereka mampu mendigitalkan pembukaan dan penutupan saluran yang diaktifkan reseptor. Sel dan chip adalah struktur homolog.
Sel adalah "chip komputer" berbasis karbon yang membaca lingkungan. "Keyboard"-nya terdiri dari reseptor. Informasi lingkungan dimasukkan melalui "kunci" proteinnya. Data ditransduksi menjadi perilaku biologis oleh protein efektor. BIT IMP berfungsi sebagai sakelar yang mengatur fungsi sel dan ekspresi gen. Nukleus mewakili "hard disk" dengan perangkat lunak berkode DNA. Kemajuan terbaru dalam biologi molekuler menekankan sifat baca/tulis dari hard drive ini.
Menariknya, ketebalan membran (sekitar 7.5 nm) ditentukan oleh dimensi bilayer fosfolipid. Karena IMP membran berdiameter sekitar 6-8 nm, mereka hanya dapat membentuk lapisan tunggal di dalam membran. Unit IMP tidak dapat menumpuk satu sama lain, penambahan lebih banyak unit persepsi secara langsung terkait dengan peningkatan luas permukaan membran. Dengan pemahaman ini, evolusi, perluasan kesadaran (yaitu, penambahan lebih banyak IMP) akan paling efektif dimodelkan menggunakan geometri fraktal. Sifat fraktal biologi dapat diamati dalam pengulangan struktural dan fungsional yang diamati di antara hierarki sel, organisme multiseluler (manusia) dan komunitas organisme multiseluler (masyarakat manusia).
Persepsi baru tentang mekanisme kontrol sel ini membebaskan kita dari keterbatasan determinisme genetik. Daripada berperilaku sebagai robot genetik terprogram, perilaku biologis secara dinamis terkait dengan lingkungan. Meskipun pendekatan reduksionis ini telah menyoroti mekanisme protein persepsi individu, pemahaman tentang mekanisme pemrosesan menekankan sifat holistik organisme biologis. Ekspresi sel mencerminkan pengenalan semua rangsangan lingkungan yang dirasakan, baik fisik maupun energik. Akibatnya, "Heart of Energy Medicine" benar-benar dapat ditemukan dalam keajaiban membran.