Endurprentað frá Bridges, 2001 Vol 12 (1): 5 ISSEEM
Þó að manneskja samanstendur af yfir fimmtíu billjón frumum, eru engar lífeðlisfræðilegar aðgerðir í líkama okkar sem ekki voru þegar til staðar í líffræði staku, kjarnakjörnu (heilkjörnu) frumunnar. Einfrumungar lífverur, svo sem amoeba eða paramecium, hafa frumujafngildi meltingarfæra, útskilnaðarkerfi, öndunarfæri, stoðkerfi, ónæmiskerfi, æxlunarfæri og hjarta- og æðakerfi, meðal annarra. Hjá mönnum tengjast þessar lífeðlisfræðilegu aðgerðir virkni sértækra líffæra. Þessar sömu lífeðlisfræðilegu ferli eru framkvæmdar í frumum með lítilli líffærakerfi sem kallast frumulíffæri.
Frumulíf er viðhaldið með því að stjórna virkni lífeðlisfræðilegra kerfa frumunnar þétt. Tjáning fyrirsjáanlegra atferlismynda felur í sér tilvist „taugakerfis“. Þetta kerfi bregst við áreiti frá umhverfinu með því að kalla fram viðeigandi hegðunarviðbrögð. Líffærafræðin sem samhæfir aðlögun og viðbrögð frumu við innra og ytra umhverfi hennar myndi tákna umfrymi ígildi „heilans“.
Síðan erfðakóðinn var brotinn snemma á fimmta áratug síðustu aldar hafa frumulíffræðingar stutt hugtakið erfðafræðilegur determinism, hugmyndin um að gen „stjórni“ líffræði. Nánast öll gen frumunnar eru í stærsta líffærafrumunni, kjarnanum. Hefðbundin skoðun telur kjarnann vera „stjórnstöð“ frumunnar. Sem slíkur myndi kjarninn tákna frumuígildi „heila“.
Erfðafræðilegur ákvörðunarháttur leiðir af því að tjáning og örlög lífveru séu fyrst og fremst „fyrirfram ákveðin“ í erfðakóða hennar. Erfðafræðilegur grundvöllur tjáningar lífvera er rótgróinn í líffræðilegum vísindum sem sannleiks samþykki, trú sem við rammum tilvísun okkar til heilsu og sjúkdóma. Þess vegna er hugmyndin um að næmi fyrir ákveðnum sjúkdómum eða tjáning afbrigðilegrar hegðunar sé almennt tengd erfðaætt og, stundum, sjálfsprottnum stökkbreytingum. Í framhaldi af því er það skynjað af meirihluta vísindamanna að hugur og meðvitund manna er „kóðuð“ í sameindum taugakerfisins. Þetta stuðlar aftur að hugmyndinni um að vitundarvakning endurspegli „drauginn í vélinni“.
Forgangur DNA við að hafa áhrif á og stjórna líffræðilegri hegðun og þróun byggir á ástæðulausri forsendu. Í frumriti eftir HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) er lýst hvernig hugtök varðandi erfðafræðilegt „eftirlit“ og „forrit“ voru upphaflega hugsuð sem myndlíkingar til að hjálpa til við að skilgreina og beina leiðum rannsókna. Víðtæk endurtekning á þessari sannfærandi tilgátu í fimmtíu ár hefur leitt til þess að „myndlíking fyrirmyndarinnar“ er orðin „sannleikur vélbúnaðarins“ þrátt fyrir að ekki liggi fyrir efnisleg stuðningsgögn. Þar sem forsendan leggur áherslu á erfðaáætlunina sem „efsta stig“ á líffræðilegum stjórnunarstiganum hafa gen öðlast stöðu orsakavalds við að koma fram líffræðilegri tjáningu og hegðun (td gen sem valda krabbameini, áfengissýki, jafnvel glæpastarfsemi).
Hugmyndin um að kjarninn og gen hans séu „heili“ frumunnar er óstaðanleg og órökrétt tilgáta. Ef heilinn er fjarlægður úr dýri myndi truflun á lífeðlisfræðilegri samþættingu strax leiða til dauða lífverunnar. Ef kjarninn táknaði sannarlega heila frumunnar, þá myndi fjarlæging kjarnans leiða til þess að frumuaðgerðir stöðvuðust og strax frumudauði. Enucleated frumur geta þó lifað í tvo eða fleiri mánuði án gena og geta samt framkvæmt flókin svör við umhverfis- og umfrymsörvunum (Lipton, o.fl., Aðgreining 1991, 46: 117-133). Rökfræði leiðir í ljós að kjarninn getur ekki verið heili frumunnar!
Rannsóknir á klónuðum mannafrumum leiddu mig til vitundar um að plasmalemma frumunnar, sem oftast er nefnd frumuhimna, táknar „heila“ frumunnar. Frumuhimnur, fyrsta líffræðilega líffræðin sem birtist í þróun, eru einu líffærin sem eru sameiginleg fyrir hverja lífveru. Frumuhimnur hólfaðu umfrymið og aðgreindu það frá duttlungum ytra umhverfisins. Í hindrunargetu sinni gerir himnan kleift að viðhalda frumu „stjórn“ á umfrymsumhverfinu, sem er nauðsyn við líffræðileg viðbrögð. Frumuhimnur eru svo þunnar að aðeins verður vart við þær með rafeindasmásjá. Þar af leiðandi var tilvist og alhliða tjáning himnubyggingarinnar aðeins skýrt staðfest í kringum 1950.
Í rafeindamyndatökum birtist frumuhimnan sem hverfandi þunn (<10 nm), þriggja laga (svart-hvít-svart) „húð“ sem umlykur frumuna. Grundvallar uppbygging einfaldleiki frumuhimnu, sem er eins fyrir allar líffræðilegar lífverur, sviknir frumulíffræðingar. Meirihlutann af síðustu fimmtíu árunum var himnan talin vera „óbeinn“ hálfgerður þröskuldur, líktist andardrætti „plastfilmu“, sem hafði það hlutverk að innihalda einfaldlega umfrymið.
Lagskipt útlit himnunnar endurspeglar skipulag fosfólípíðbyggingareininganna. Þessar sleikjuformuðu sameindir eru amfipatískar, þær eru bæði með kúluskautað fosfathaus (mynd A) og tvo stafalaga ólíkar fætur (mynd B). Þegar fosfólípíðin eru hrist í lausn, setja þau sjálf saman í stöðugt kristallað tvílag (mynd C).
Blóðfitufætur sem samanstanda af kjarna himnunnar veita vatnsfælin hindrun (mynd D) sem skilur umfrymið frá síbreytilegu ytra umhverfi. Þó að umfrymiheilbrigði sé viðhaldið með aðgerðalausum hindrunaraðgerðum lípíðsins, þá þarf lífsferli nauðsynlegt virkt skipti á umbrotsefnum og upplýsingar milli umfrymsins og umhverfis. Lífeðlisfræðileg virkni plasmalemma er miðluð af próteinum himnunnar.
Hvert af um það bil 100,000 mismunandi próteinum sem sjá fyrir mannslíkamanum samanstendur af línulegri keðju tengdra amínósýra. „Keðjurnar“ eru samsettar úr tuttugu mismunandi amínósýrum. Sérstök uppbygging og virkni hvers próteins er skilgreind með sérstakri röð amínósýra sem samanstanda af keðju þess. Samstillt sem línuleg strengur, amínósýrukeðjurnar brjóta síðan saman í einstaka þrívíddar hnötta. Endanleg sköpun (lögun) próteinsins endurspeglar jafnvægi rafhleðslu meðal innihalds amínósýra.
Þrívíddarformgerð brettaðra próteina gefur yfirborði þeirra sérhannaða skarða og vasa. Sameindir og jónir sem hafa viðbótar líkamleg form og rafmagnshleðslur munu bindast yfirborðsslitum og vösum próteins með sérstöðu læsingarlyklsins. Binding annarrar sameindar breytir dreifingu rafmagns hleðslu próteinsins. Til að bregðast við því mun amínósýrukeðjan í próteini sjálfkrafa endurbyggjast til að koma jafnvægi á hleðsludreifinguna. Endurbrot breytir umbreytingu próteinsins. Þegar skipt er frá einni formgerð til annarrar lýsir próteinið hreyfingu. Prótein sköpunarhreyfingar eru virkjaðar af frumunni til að sinna lífeðlisfræðilegum aðgerðum. Verkið sem myndast við hreyfingu próteina er ábyrg fyrir „lífinu“.
Fjöldi af tuttugu amínósýrum sem samanstanda af keðju próteinsins eru óskautaðar (vatnsfælin, olíukær). Vatnsfælnu hlutar próteina leita stöðugleika með því að setja sig í fitukjarna himnunnar. Hvítir (vatnselskandi) hlutar þessara próteina ná frá hvoru eða báðum af vatnshúðuðu yfirborði himnunnar. Prótein sem eru innlimuð í himnuna eru kölluð óaðskiljanleg himnuprótein (IMP).
Himnufyrirtæki er hægt að deila í tvo flokka: viðtaka og áhrifa. Viðtakar eru inntakstæki sem svara umhverfismerkjum. Aflgjafar eru framleiðslutæki sem virkja frumuferli. Fjölskylda örgjörvapróteina, staðsett í umfrymi undir himnunni, þjónar til að tengja viðtaka sem taka á móti merki og virkjunarframleiðslu.
Viðtakar eru sameindaloftnet sem þekkja umhverfismerki. Sum viðtaka loftnet teygja sig inn frá frumufrumu andliti himnunnar. Þessir viðtakar „lesa“ innri umhverfið og veita meðvitund um umfrymi. Aðrir viðtakar sem ná frá ytra yfirborði frumunnar veita vitund um ytri umhverfismerki.
Hefðbundin líffræðileg vísindi halda að umhverfis „upplýsingar“ geti einungis borist með efnum sameinda (Science 1999, 284: 79-109). Samkvæmt þessari hugmynd þekkja viðtakar aðeins „merki“ sem bæta líkamlega yfirborðseiginleika þeirra. Þessari efnisfræðilegu trú er viðhaldið þó að það hafi verið sýnt rækilega fram á að próteinviðtakar bregðast við titringstíðni. Með ferli sem kallast rafeindavirkjun (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), geta ómunandi titringsorkusvið breytt jafnvægi hleðslu í próteini. Í samræmdu orkusviði munu viðtakar breyta umbreytingu sinni. Þar af leiðandi bregðast himnuviðtakar við bæði líkamlegum og orkumiklum umhverfisupplýsingum.
„Virkja“ sköpulag viðtaka upplýsir frumuna um tilvist merkisins. Breytingar á sköpulagi viðtaka kveða á um „vitund“ frumna. Í „virku“ sköpulagi sínu getur merki-mótttakandi tekið við annaðhvort sérstöku virkjunarframleiðandi próteini eða milligjafa örgjörvapróteini. Viðtakaprótein fara aftur í „óvirk“ formgerð og losna frá öðrum próteinum þegar merki hættir.
Fjölskylda framleiðslupróteina táknar „framleiðslutæki“. Það eru til þrjár mismunandi gerðir af áhrifavöldum, flutningspróteinum, ensímum og frumum í frumum. Flutningsmenn, sem fela í sér víðtæka farvegsfjölskyldu, þjóna til að flytja sameindir og upplýsingar frá annarri hlið himnuhindrunarinnar til hinnar. Ensím eru ábyrg fyrir efnaskipta nýmyndun og niðurbrot. Frumur úr frumum í stoðkerfi stjórna lögun og hreyfanleika frumna.
Effector prótein hafa að jafnaði tvo formgerðir: virka stillingu þar sem próteinið tjáir hlutverk sitt; og „hvíldar“ sköpulag þar sem próteinið er óvirkt. Til dæmis hefur rásprótein í virkri sköpun sinni opna svitahola þar sem sérstakar jónir eða sameindir fara yfir himnuhindrunina. Þegar aftur snýr að óvirkri sköpun þrengist próteinbrotnun leiðarásarinnar og flæði jóna eða sameinda hættir.
Með því að setja öll verkin saman fáum við innsýn í það hvernig „heili“ frumunnar vinnur úr upplýsingum og vekur hegðun. Óteljandi sameinda- og geislunarorkumerki í umhverfi frumunnar skapa sýndar kakófóníu upplýsinga. Á þann hátt sem líkist líffræðilegri Fourier umbreytingu skynja einstakir yfirborðsviðtakar (mynd H) að því er virðist óskipulegt umhverfi og sía út ákveðnar tíðnir sem atferlismerki. Móttaka ómunmerkis (mynd I, ör) framkallar breytingu á umfrymi í viðtaka (mynd I, örvar). Þessi samræmisbreyting gerir viðtakanum kleift að flækjast með tilteknum afköstum IMP (mynd J, í þessu tilfelli rás IMP). Binding viðtaka próteins (mynd K) kallar aftur á móti upp breytinguna á effector próteininu (mynd L, rás opnast). Virkjaðir viðtakar geta kveikt á ensímleiðum, framkallað endurskipulagningu og hreyfanleika í uppbyggingu eða virkjað flutning á sérlega púlsuðum rafmerkjum og jónum yfir himnuna.
Örgjörvaprótein þjóna sem „margfeldis“ tæki að því leyti að þau geta aukið fjölhæfni merkjakerfisins. Slík prótein tengja viðtaka við áhrifaprótein (P á mynd M). Með því að „forrita“ próteinstengi örgjörva er hægt að tengja margvísleg aðföng við margvísleg framleiðsla. Örgjörvaprótein bjóða upp á stóra atferlisskrá með því að nota takmarkaðan fjölda IMP.
Effector IMPs umbreyta viðtaka miðluðum umhverfismerkjum í líffræðilega hegðun. Framleiðsluaðgerð sumra áhrifapróteina gæti táknað að fullu umfang framkallaðrar hegðunar. Hins vegar, í flestum tilfellum, er framleiðsla IMPs effector í raun sem aukaatriði “merki” sem kemst í gegnum frumuna og virkjar hegðun annarra umflutnings próteina. Virkuð próteinsprótein þjóna einnig sem umritunarþættir, merki sem vekja genatjáningu.
Hegðun frumunnar er stjórnað af sameinuðum aðgerðum tengdra viðtaka og IMP fyrir effector. Viðtakendur veita „umhverfisvitund“ og áhrifaprótein umbreytir þeirri vitund í „líkamlega tilfinningu“. Samkvæmt ströngri skilgreiningu táknar viðtaka-effector flétta grundvallareining skynjunar. Prótein skynjunar einingar leggja grunninn að líffræðilegri meðvitund. Skynjanir „stjórna“ frumuhegðun, en í sannleika sagt er frumu í raun „stjórnað“ af viðhorfum, þar sem skynjun er ekki endilega rétt.
Frumuhimnan er lífrænn upplýsingavinnsla. Það skynjar umhverfið og breytir þeirri vitund í „upplýsingar“ sem geta haft áhrif á virkni próteinleiða og stjórnað tjáningu genanna. Lýsing á uppbyggingu og virkni himnunnar hljóðar sem hér segir: (A) byggt á skipulagi fosfólípíðsameinda þess er himnan fljótandi kristal; B) skipulegur flutningur upplýsinga yfir vatnsfælna hindrun með IMP effector próteinum gerir himnuna að hálfleiðara; og © himnan er búin IMP sem virka sem hlið (viðtaka) og sund. Sem fljótandi kristal hálfleiðari með hlið og rásir er himnan upplýsingavinnslu smári, lífrænn tölvukubbur.
Hver viðtaka-effector flétta táknar líffræðilegt BIT, eina skynjunar einingu. Þrátt fyrir að þessi tilgáta hafi fyrst verið sett fram formlega árið 1986 (Lipton 1986, Planetary Assoc. Fyrir fréttabréf hreinnar orku 5: 4), hefur hugtakið síðan verið tæknilega staðfest. Cornell og fleiri (Nature 1997, 387: 580-584), tengdu himnu við undirlag gullpappírs. Með því að stjórna raflausnum milli himnunnar og filmunnar tókst þeim að stafræna opnun og lokun viðtaka-virkjaðra rása. Fruman og flís eru einsleit mannvirki.
Hólfið er koltengdur „tölvukubbur“ sem les umhverfið. „Lyklaborðið“ hans samanstendur af viðtökum. Umhverfisupplýsingar eru færðar inn með próteinlyklunum. Gögnin eru flutt í líffræðilega hegðun með áhrifapróteinum. IMP BITs þjóna sem rofar sem stjórna virkni frumna og tjáningu gena. Kjarninn táknar „harðan disk“ með DNA-dulmáls hugbúnaði. Nýlegar framfarir í sameindalíffræði leggja áherslu á að lesa / skrifa eðli þessa harða disks.
Athyglisvert er að þykkt himnunnar (um það bil 7.5 nm) er ákveðin með málum fosfólípíð tvílagsins. Þar sem IMP-himnaríki eru um það bil 6-8 nm í þvermál, geta þeir aðeins myndað einlag í himnunni. IMP-einingar geta ekki staflað saman, viðbót við fleiri skynjareiningar er beintengd aukningu á yfirborði himnu. Með þessum skilningi væri þróun, stækkun vitundar (þ.e. viðbótar fleiri IMP) líkanlegust með líkamsfrumufarfræði. Hægt er að sjá beinbrotseðli líffræðinnar við skipulagslegar og hagnýtar endurtekningar sem koma fram meðal stigveldis frumunnar, fjölfrumu lífvera (mannsins) og samfélaga fjölfrumu lífveranna (mannlegt samfélag).
Þessi nýja skynjun á stjórnunaraðferðum frumna frelsar okkur frá takmörkunum á erfðafræðilegri ákvörðunarstefnu. Frekar en að haga sér eins og forritaðir erfðavélar, er líffræðileg hegðun tengd umhverfinu. Þrátt fyrir að þessi lækkunaraðferð hafi lagt áherslu á vélbúnað einstaklingsskynjunarpróteina, þá skilur skilningur á vinnslukerfinu heildrænt eðli líffræðilegra lífvera. Tjáning frumunnar endurspeglar viðurkenningu á öllum skynjuðum umhverfisörvum, bæði líkamlegum og orkumiklum. Þar af leiðandi má „hjarta orkulækninga“ finna í töfra himnunnar.