Bridges, 2001 Vol 12 (1) : 5 ISSEEM에서 재 인쇄
인간은 XNUMX 조 개가 넘는 세포로 구성되어 있지만, 단일 핵 (진핵) 세포의 생물학에는 아직 존재하지 않았던 생리적 기능이 우리 몸에 없습니다. 아메바 또는 짚신과 같은 단세포 유기체는 무엇보다도 소화계, 배설계, 호흡계, 근골격계, 면역계, 생식계 및 심혈 관계와 같은 세포 학적 동등 물을 가지고 있습니다. 인간의 경우 이러한 생리적 기능은 특정 기관의 활동과 관련이 있습니다. 이와 동일한 생리 학적 과정은 세포 기관이라고하는 소형 기관 시스템에 의해 세포에서 수행됩니다.
세포 생명은 세포의 생리 학적 시스템의 기능을 엄격하게 조절함으로써 유지됩니다. 예측 가능한 행동 레퍼토리의 표현은 세포“신경계”의 존재를 의미합니다. 이 시스템은 적절한 행동 반응을 유도하여 환경 자극에 반응합니다. 세포의 내부 및 외부 환경에 대한 조정 및 반응을 조정하는 세포 기관은 "뇌"와 동등한 세포질을 나타냅니다.
1950 년대 초에 유전 암호가 깨진 이후로 세포 생물 학자들은 유전자가 생물학을“조절”한다는 개념 인 유전 적 결정론의 개념을 선호했습니다. 사실상 모든 세포의 유전자는 세포의 가장 큰 세포 기관인 핵에 포함되어 있습니다. 기존의 의견은 핵을 세포의 "명령 센터"로 간주합니다. 따라서 핵은 "뇌"에 해당하는 세포를 나타냅니다.
유전 적 결정론은 유기체의 발현과 운명이 주로 유전 코드에서“미리 결정”되어 있다고 추론합니다. 유기체 발현의 유전 적 기초는 우리가 건강과 질병에 대한 우리의 기준을 구성하는 신념 인 합의 된 진리로서 생물학 과학에 뿌리를두고 있습니다. 따라서 특정 질병에 대한 감수성 또는 비정상적인 행동의 표현은 일반적으로 유전 적 혈통 및 경우에 따라 자발적인 돌연변이와 관련이 있다는 개념입니다. 더 나아가 대다수의 과학자들은 인간의 마음과 의식이 신경계의 분자에 "암호화"되어 있음을인지하고 있습니다. 이것은 다시 의식의 출현이“기계 속의 유령”을 반영한다는 개념을 촉진합니다.
생물학적 행동과 진화에 영향을 미치고 조절하는 데있어서 DNA의 우선 순위는 근거없는 가정에 근거합니다. HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9) : 441-446)의 주요 기사는 유전 적“통제”와“프로그램”에 관한 개념이 원래 연구의 경로를 정의하고 지시하는 데 도움이되는 은유로 어떻게 생각되었는지 설명합니다. 이 설득력있는 가설이 XNUMX 년에 걸쳐 광범위하게 반복되면서 실질적인 근거가 없음에도 불구하고 "모델의 은유"가 "메커니즘의 진실"이되었습니다. 이 가정은 유전자 프로그램을 생물학적 방제 사다리의 "최상위"로 강조하기 때문에 유전자는 생물학적 발현과 행동 (예 : 암, 알코올 중독, 심지어 범죄를 유발하는 유전자)을 유발하는 원인 인자의 지위를 획득했습니다.
핵과 그 유전자가 세포의 "뇌"라는 개념은 비논리적 인 가설입니다. 동물에서 뇌가 제거되면 생리적 통합이 중단되면 즉시 유기체가 죽게됩니다. 핵이 진정으로 세포의 뇌를 대표한다면, 핵을 제거하면 세포 기능이 중단되고 세포가 즉시 죽게됩니다. 그러나 실험적으로 제거 된 세포는 유전자없이 1991 개월 이상 생존 할 수 있지만 환경 및 세포질 자극에 대한 복잡한 반응에 영향을 미칠 수 있습니다 (Lipton, et al., Differentiation 46, 117 : 133-XNUMX). 논리는 핵이 세포의 뇌가 될 수 없다는 것을 보여줍니다!
복제 된 인간 세포에 대한 연구를 통해 일반적으로 세포막이라고하는 세포의 형질 막이 세포의 "뇌"를 대표한다는 것을 알게되었습니다. 진화에 나타난 최초의 생물학적 소기관 인 세포막은 모든 생명체에 공통적으로 존재하는 유일한 소기관입니다. 세포막은 세포질을 구획화하여 외부 환경의 변화로부터 분리합니다. 막은 장벽 능력에서 세포가 생물학적 반응을 수행하는 데 필요한 세포질 환경에 대한 엄격한 "통제"를 유지할 수 있도록합니다. 세포막은 너무 얇기 때문에 전자 현미경으로 만 관찰 할 수 있습니다. 결과적으로 막 구조의 존재와 보편적 인 표현은 1950 년경에야 분명히 확립되었습니다.
전자 현미경 사진에서 세포막은 세포를 감싸고있는 얇은 (<10nm) XNUMX 층 (흑백-검정) "피부"로 나타납니다. 모든 생물학적 유기체에 대해 동일한 세포막의 근본적인 구조적 단순성은 세포 생물 학자들을 유혹합니다. 지난 XNUMX 년 동안 막은 단순히 세포질을 포함하는 기능을하는 통기성 "플라스틱 랩"과 유사한 "수동적 인"반투과성 장벽으로 인식되었습니다.
막의 층상 모양은 인지질 구성 요소의 구성을 반영합니다. 이 막대 사탕 모양의 분자는 양친 매성이며 구형 극성 인산염 머리 (그림 A)와 두 개의 막대 모양의 비극성 다리 (그림 B)를 모두 가지고 있습니다. 용액에서 흔들면 인지질은 안정화 결정 이중층으로 자기 조립됩니다 (그림 C).
막의 코어를 구성하는 지질 다리는 끊임없이 변화하는 외부 환경으로부터 세포질을 분할하는 소수성 장벽 (그림 D)을 제공합니다. 세포질의 완전성은 지질의 수동적 장벽 기능에 의해 유지되지만, 생명 과정은 세포질과 주변 환경 사이에서 대사 산물과 정보의 적극적인 교환을 필요로합니다. 형질 막의 생리적 활동은 막의 단백질에 의해 매개됩니다.
인체에 제공되는 약 100,000 개의 서로 다른 단백질 각각은 연결된 아미노산의 선형 사슬로 구성됩니다. "사슬"은 XNUMX 개의 다른 아미노산 집단으로 구성됩니다. 각 단백질의 고유 한 구조와 기능은 사슬을 구성하는 특정 아미노산 서열에 의해 정의됩니다. 선형 문자열로 합성 된 아미노산 사슬은 이후 독특한 XNUMX 차원 소구 체로 접 힙니다. 단백질의 최종 형태 (모양)는 구성 아미노산 간의 전하 균형을 반영합니다.
접힌 단백질의 XNUMX 차원 형태는 표면에 특수한 모양의 갈라진 틈과 주머니를 부여합니다. 상호 보완적인 물리적 모양과 전하를 가진 분자와 이온은 잠금 및 키의 특이성으로 단백질의 표면 갈라진 틈과 주머니에 결합합니다. 다른 분자의 결합은 단백질의 전하 분포를 변경합니다. 이에 대응하여 단백질의 아미노산 사슬은 자발적으로 재 접힘되어 전하 분포의 균형을 재조정합니다. 다시 접 으면 단백질의 형태가 변경됩니다. 한 형태에서 다음 형태로 이동하면서 단백질은 움직임을 표현합니다. 단백질 구조 운동은 생리적 기능을 수행하기 위해 세포에 의해 활용됩니다. 단백질 운동에 의해 생성 된 작업은 "생명"을 담당합니다.
단백질 사슬을 구성하는 XNUMX 개의 아미노산 중 다수는 비극성 (소수성, 기름을 좋아함)입니다. 단백질의 소수성 부분은 막의 지질 코어에 삽입되어 안정성을 추구합니다. 이 단백질의 극성 (물을 좋아하는) 부분은 막의 물로 덮인 표면 중 하나 또는 둘 모두에서 확장됩니다. 막 내에 통합 된 단백질을 IMP (integrated membrane protein)라고합니다.
막 IMP는 기능적으로 수용체와 이펙터의 두 가지 부류로 나눌 수 있습니다. 수용체는 환경 신호에 반응하는 입력 장치입니다. 이펙터는 셀룰러 프로세스를 활성화하는 출력 장치입니다. 막 아래의 세포질에 위치한 프로세서 단백질 계열은 신호 수신 수용체를 작용 생성 이펙터와 연결하는 역할을합니다.
수용체는 환경 신호를 인식하는 분자 "안테나"입니다. 일부 수용체 안테나는 막의 세포질 표면에서 안쪽으로 확장됩니다. 이 수용체는 내부 환경을 "읽고"세포질 상태에 대한 인식을 제공합니다. 세포의 외부 표면에서 확장되는 다른 수용체는 외부 환경 신호에 대한 인식을 제공합니다.
기존의 생물 의학에서는 환경 "정보"가 분자의 물질에 의해서만 전달 될 수 있다고 주장합니다 (Science 1999, 284 : 79-109). 이 개념에 따르면 수용체는 표면 특징을 물리적으로 보완하는 "신호"만 인식합니다. 이 물질 주의적 신념은 단백질 수용체가 진동 주파수에 반응한다는 것이 충분히 입증 되었음에도 불구하고 유지됩니다. 전기 구조 결합 (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14 : 89-92)으로 알려진 과정을 통해 공명 진동 에너지 장은 단백질의 전하 균형을 변경할 수 있습니다. 고조파 에너지 장에서 수용체는 형태를 변경합니다. 결과적으로 막 수용체는 물리적 및 에너지적인 환경 정보에 모두 반응합니다.
수용체의 "활성화 된"형태는 신호의 존재를 세포에 알립니다. 수용체 형태의 변화는 세포 "인식"을 제공합니다. "활성화 된"형태에서 신호 수신 수용체는 특정 기능 생성 이펙터 단백질 또는 중간 프로세서 단백질에 결합 할 수 있습니다. 수용체 단백질은 원래의 "비활성"형태로 돌아가고 신호가 중단되면 다른 단백질에서 분리됩니다.
효과기 단백질 계열은 "출력"장치를 나타냅니다. 세 가지 다른 유형의 이펙터, 수송 단백질, 효소 및 세포 골격 단백질이 있습니다. 광범위한 채널 군을 포함하는 운반체는 분자와 정보를 막 장벽의 한 쪽에서 다른쪽으로 운반하는 역할을합니다. 효소는 대사 합성 및 분해를 담당합니다. 세포 골격 단백질은 세포의 모양과 운동성을 조절합니다.
이펙터 단백질은 일반적으로 두 가지 형태를 가지고 있습니다 : 단백질이 그 기능을 표현하는 활성 구성; 및 단백질이 비활성 인 "휴식"형태. 예를 들어, 활성 형태의 채널 단백질은 특정 이온 또는 분자가 막 장벽을 가로 지르는 열린 기공을 가지고 있습니다. 비활성 형태로 되돌아가는 과정에서 단백질 재 접힘은 전도 채널을 수축시키고 이온 또는 분자의 흐름을 중단합니다.
모든 조각을 종합하면 세포의 "뇌"가 정보를 처리하고 행동을 유도하는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다. 세포 환경의 무수한 분자 및 복사 에너지 신호는 정보의 가상 불협화음을 생성합니다. 생물학적 푸리에 변환과 유사한 방식으로 개별 표면 수용체 (그림 H)는 명백하게 혼란스러운 환경을 감지하고 특정 주파수를 행동 신호로 걸러냅니다. 공명 신호 (그림 I, 화살표)의 수신은 수용체의 세포질 부분에서 구조적 변화를 유도합니다 (그림 I, 화살촉). 이러한 구조적 변화는 수용체가 특정 이펙터 IMP (그림 J,이 경우 채널 IMP)와 복잡하게 만듭니다. 수용체 단백질의 결합 (그림 K)은 차례로 이펙터 단백질의 형태 적 변화를 유도합니다 (그림 L, 채널 개방). 활성화 된 수용체는 효소 경로를 켜고 구조적 재구성 및 운동성을 유도하거나 막을 가로 질러 고유하게 펄스 화 된 전기 신호 및 이온의 수송을 활성화 할 수 있습니다.
프로세서 단백질은 신호 시스템의 다양성을 증가시킬 수 있다는 점에서“다중화”장치 역할을합니다. 이러한 단백질은 수용체와 이펙터 단백질을 연결합니다 (그림 M에서 P). 프로세서 단백질 커플 링을 "프로그래밍"하면 다양한 입력을 다양한 출력과 연결할 수 있습니다. 프로세서 단백질은 제한된 수의 IMP를 사용하여 대규모 행동 레퍼토리를 제공합니다.
이펙터 IMP는 수용체 매개 환경 신호를 생물학적 행동으로 변환합니다. 일부 이펙터 단백질의 출력 기능은 유도 된 행동의 전체 범위를 나타낼 수 있습니다. 그러나 대부분의 경우 이펙터 IMP의 출력은 실제로 세포를 관통하고 다른 세포질 단백질 경로의 행동을 활성화하는 XNUMX 차 "신호"역할을합니다. 활성화 된 이펙터 단백질은 유전자 발현을 유도하는 신호 인 전사 인자 역할도합니다.
세포의 행동은 결합 된 수용체와 이펙터 IMP의 결합 된 작용에 의해 제어됩니다. 수용체는 "환경에 대한 인식"을 제공하고 이펙터 단백질은 그 인식을 "물리적 감각"으로 전환합니다. 엄격한 정의에 따르면 수용체-효과기 복합체는 지각의 기본 단위를 나타냅니다. 단백질 인식 단위는 생물학적 의식의 기초를 제공합니다. 지각은 세포 행동을 "제어"하지만 실제로는 신념에 의해 세포가 실제로 "제어"됩니다. 지각이 반드시 정확하지는 않을 수 있기 때문입니다.
세포막은 유기적 정보 처리기입니다. 그것은 환경을 감지하고 그 인식을 단백질 경로의 활동에 영향을 미치고 유전자의 발현을 제어 할 수있는“정보”로 변환합니다. 막의 구조와 기능에 대한 설명은 다음과 같습니다. (A) 인지질 분자의 구성에 따라 막은 액정입니다. B) IMP 이펙터 단백질에 의한 소수성 장벽을 가로 지르는 정보의 조절 된 전송은 막을 반도체로 만든다. © 멤브레인에는 게이트 (수용체) 및 채널로 기능하는 IMP가 부여됩니다. 게이트와 채널이있는 액정 반도체 인 멤브레인은 유기 컴퓨터 칩인 정보 처리 트랜지스터입니다.
각 수용체-효과기 복합체는 단일 인식 단위 인 생물학적 BIT를 나타냅니다. 이 가설은 1986 년에 처음 공식적으로 발표되었지만 (Lipton 1986, Planetary Assoc. for Clean Energy Newsletter 5 : 4) 그 이후로 개념은 기술적으로 검증되었습니다. Cornell 등 (Nature 1997, 387 : 580-584)은 막을 금박 기판에 연결했습니다. 멤브레인과 호일 사이의 전해질을 제어함으로써 그들은 수용체 활성화 채널의 개폐를 디지털화 할 수있었습니다. 세포와 칩은 동종 구조입니다.
세포는 환경을 읽는 탄소 기반 "컴퓨터 칩"입니다. 그것의 "키보드"는 수용체로 구성됩니다. 환경 정보는 단백질 "키"를 통해 입력됩니다. 데이터는 이펙터 단백질에 의해 생물학적 행동으로 변환됩니다. IMP BIT는 세포 기능과 유전자 발현을 조절하는 스위치 역할을합니다. 핵은 DNA 코딩 소프트웨어가있는 "하드 디스크"를 나타냅니다. 분자 생물학의 최근 발전은이 하드 드라이브의 읽기 / 쓰기 특성을 강조합니다.
흥미롭게도, 멤브레인의 두께 (약 7.5nm)는 인지질 이중층의 치수에 의해 고정됩니다. 멤브레인 IMP는 직경이 약 6 ~ 8nm이므로 멤브레인에서 단층 만 형성 할 수 있으며, IMP 단위는 서로 쌓일 수 없으며, 인식 단위를 더 많이 추가하면 멤브레인 표면적이 증가합니다. 이 이해, 진화, 인식의 확장 (즉, 더 많은 IMP 추가)은 프랙탈 기하학을 사용하여 가장 효과적으로 모델링 될 것입니다. 생물학의 프랙탈 특성은 세포의 계층, 다세포 유기체 (인간) 및 다세포 유기체의 공동체 (인간 사회) 사이에서 관찰되는 구조적 및 기능적 반복에서 관찰 될 수 있습니다.
세포 조절 메커니즘에 대한 이러한 새로운 인식은 유전 적 결정론의 한계에서 우리를 해방시킵니다. 프로그래밍 된 유전자 자동 장치처럼 행동하는 대신 생물학적 행동은 환경과 동적으로 연결됩니다. 이 환원 주의적 접근은 개별 지각 단백질의 메커니즘을 강조했지만 처리 메커니즘에 대한 이해는 생물학적 유기체의 전체 론적 특성을 강조합니다. 세포의 발현은 신체적, 에너지 적, 모든인지 된 환경 적 자극의 인식을 반영합니다. 결과적으로 "에너지 의학의 심장"은 막의 마법에서 진정으로 발견 될 수 있습니다.