Reimpresso de Bridges, 2001 Vol 12 (1): 5 ISSEEM
Embora um ser humano seja composto de mais de cinquenta trilhões de células, não há funções fisiológicas em nossos corpos que já não existissem na biologia da célula única nucleada (eucariótica). Os organismos unicelulares, como a ameba ou o paramécio, possuem os equivalentes citológicos de um sistema digestivo, um sistema excretor, um sistema respiratório, um sistema músculo-esquelético, um sistema imunológico, um sistema reprodutor e um sistema cardiovascular, entre outros. Nos humanos, essas funções fisiológicas estão associadas à atividade de órgãos específicos. Esses mesmos processos fisiológicos são realizados nas células por sistemas de órgãos diminutos chamados organelas.
A vida celular é sustentada pela regulação rígida das funções dos sistemas fisiológicos da célula. A expressão de repertórios comportamentais previsíveis implica a existência de um "sistema nervoso" celular. Este sistema reage aos estímulos ambientais, provocando respostas comportamentais apropriadas. A organela que coordena os ajustes e reações de uma célula aos seus ambientes interno e externo representaria o equivalente citoplasmático do "cérebro".
Desde a quebra do código genético no início dos anos 1950, os biólogos celulares têm favorecido o conceito de determinismo genético, a noção de que os genes “controlam” a biologia. Praticamente todos os genes da célula estão contidos na maior organela da célula, o núcleo. A opinião convencional considera o núcleo como o “centro de comando” da célula. Como tal, o núcleo representaria o equivalente celular do "cérebro".
O determinismo genético infere que a expressão e o destino de um organismo são primariamente “predeterminados” em seu código genético. A base genética da expressão do organismo está enraizada nas ciências biológicas como uma verdade consensual, uma crença pela qual enquadramos nossa referência para saúde e doença. Daí a noção de que a suscetibilidade a certas doenças ou a expressão de comportamento aberrante está geralmente ligada à linhagem genética e, às vezes, a mutações espontâneas. Por extensão, também é percebido pela maioria dos cientistas que a mente e a consciência humanas estão “codificadas” nas moléculas do sistema nervoso. Isso, por sua vez, promove o conceito de que o surgimento da consciência reflete o "fantasma na máquina".
A primazia do DNA em influenciar e regular o comportamento biológico e a evolução é baseada em uma suposição infundada. Um artigo seminal de HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) descreve como conceitos relativos a “controles” e “programas” genéticos foram originalmente concebidos como metáforas para ajudar a definir e direcionar caminhos de pesquisa. A repetição generalizada desta hipótese convincente ao longo de cinquenta anos resultou na “metáfora do modelo” tornando-se a “verdade do mecanismo”, apesar da ausência de evidências de apoio substanciais. Uma vez que a suposição enfatiza o programa genético como o “degrau mais alto” na escada do controle biológico, os genes adquiriram o status de agentes causais na elicitação da expressão e do comportamento biológico (por exemplo, genes que causam câncer, alcoolismo e até criminalidade).
A noção de que o núcleo e seus genes são o “cérebro” da célula é uma hipótese insustentável e ilógica. Se o cérebro for removido de um animal, a interrupção da integração fisiológica levaria imediatamente à morte do organismo. Se o núcleo realmente representasse o cérebro da célula, a remoção do núcleo resultaria na cessação das funções celulares e na morte celular imediata. No entanto, células enucleadas experimentalmente podem sobreviver por dois ou mais meses sem genes, e ainda são capazes de efetuar respostas complexas a estímulos ambientais e citoplasmáticos (Lipton, et al., Differentiation 1991, 46: 117-133). A lógica revela que o núcleo não pode ser o cérebro da célula!
Estudos em células humanas clonadas me levaram à consciência de que o plasmalema da célula, comumente referido como membrana celular, representa o "cérebro" da célula. As membranas celulares, a primeira organela biológica a aparecer na evolução, são as únicas organelas comuns a todos os organismos vivos. As membranas celulares compartimentam o citoplasma, separando-o dos caprichos do ambiente externo. Em sua capacidade de barreira, a membrana permite que a célula mantenha um rígido “controle” sobre o ambiente citoplasmático, uma necessidade na realização de reações biológicas. As membranas celulares são tão finas que só podem ser observadas ao microscópio eletrônico. Consequentemente, a existência e expressão universal da estrutura da membrana só foi claramente estabelecida por volta de 1950.
Em micrografias eletrônicas, a membrana celular aparece como uma “pele” extremamente fina (<10 nm), com três camadas (preto-branco-preto) envolvendo a célula. A simplicidade estrutural fundamental da membrana celular, que é idêntica para todos os organismos biológicos, enganou os biólogos celulares. Durante a maior parte dos últimos cinquenta anos, a membrana foi percebida como uma barreira "passiva" e semipermeável, semelhante a um "envoltório de plástico" respirável, cuja função era simplesmente conter o citoplasma.
A aparência em camadas da membrana reflete a organização de seus blocos de construção de fosfolipídios. Essas moléculas em forma de pirulito são anfipáticas e possuem uma cabeça de fosfato polar globular (Figura A) e duas pernas não polares em forma de bastão (Figura B). Quando agitados em solução, os fosfolipídios se auto-organizam em uma bicamada cristalina estabilizadora (Figura C).
As pernas lipídicas que compreendem o núcleo da membrana fornecem uma barreira hidrofóbica (Figura D) que separa o citoplasma do ambiente externo em constante mudança. Enquanto a integridade citoplasmática é mantida pela função de barreira passiva dos lipídios, os processos vitais requerem a troca ativa de metabólitos e informações entre o citoplasma e o ambiente circundante. As atividades fisiológicas da plasmalema são mediadas pelas proteínas da membrana.
Cada uma das aproximadamente 100,000 proteínas diferentes que fornecem para o corpo humano é composta de uma cadeia linear de aminoácidos ligados. As “cadeias” são montadas a partir de uma população de vinte aminoácidos diferentes. A estrutura e função únicas de cada proteína são definidas pela sequência específica de aminoácidos que compõem sua cadeia. Sintetizadas como uma cadeia linear, as cadeias de aminoácidos subsequentemente se dobram em glóbulos tridimensionais únicos. A conformação (forma) final da proteína reflete um equilíbrio de cargas elétricas entre seus aminoácidos constituintes.
A morfologia tridimensional das proteínas dobradas confere às suas superfícies fendas e bolsas de formato específico. Moléculas e íons que possuem formas físicas complementares e cargas elétricas se ligam às fendas e bolsas da superfície de uma proteína com a especificidade de uma fechadura e chave. A ligação de outra molécula altera a distribuição de carga elétrica da proteína. Em resposta, a cadeia de aminoácidos da proteína se redobrará espontaneamente para reequilibrar a distribuição de carga. O redobramento muda a conformação da proteína. Ao mudar de uma conformação para outra, a proteína expressa movimento. Os movimentos conformacionais das proteínas são aproveitados pela célula para realizar funções fisiológicas. O trabalho gerado pelo movimento das proteínas é responsável pela “vida”.
Vários dos vinte aminoácidos que constituem a cadeia da proteína são apolares (hidrofóbicos, amantes do óleo). As porções hidrofóbicas das proteínas buscam estabilidade inserindo-se no núcleo lipídico da membrana. As porções polares (que amam a água) dessas proteínas se estendem de uma ou de ambas as superfícies cobertas de água da membrana. As proteínas incorporadas na membrana são chamadas de proteínas integrais de membrana (IMPs).
Os IMPs de membrana podem ser funcionalmente subdivididos em duas classes: receptores e efetores. Receptores são dispositivos de entrada que respondem aos sinais ambientais. Efetores são dispositivos de saída que ativam processos celulares. Uma família de proteínas processadoras, localizada no citoplasma abaixo da membrana, serve para ligar os receptores receptores de sinais aos efetores produtores de ação.
Receptores são “antenas” moleculares que reconhecem sinais ambientais. Algumas antenas receptoras estendem-se para dentro a partir da face citoplasmática da membrana. Esses receptores “leem” o meio interno e fornecem consciência das condições citoplasmáticas. Outros receptores que se estendem da superfície externa da célula fornecem percepção de sinais ambientais externos.
As ciências biomédicas convencionais sustentam que a “informação” ambiental só pode ser transportada pela substância das moléculas (Science 1999, 284: 79-109). De acordo com essa noção, os receptores apenas reconhecem “sinais” que complementam fisicamente suas características superficiais. Essa crença materialista é mantida, embora tenha sido amplamente demonstrado que os receptores de proteínas respondem a frequências vibracionais. Por meio de um processo conhecido como acoplamento eletroconformacional (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), os campos de energia vibracional ressonante podem alterar o equilíbrio de cargas em uma proteína. Em um campo de energia harmônico, os receptores mudarão sua conformação. Consequentemente, os receptores de membrana respondem às informações ambientais físicas e energéticas.
A conformação “ativada” de um receptor informa a célula da existência de um sinal. Mudanças na conformação do receptor fornecem "consciência" celular. Em sua conformação "ativada", um receptor de sinal pode se ligar a uma proteína efetora produtora de função específica ou a uma proteína processadora intermediária. As proteínas receptoras retornam à sua conformação “inativa” original e se destacam de outras proteínas quando o sinal cessa.
A família de proteínas efetoras representam dispositivos de “saída”. Existem três tipos diferentes de efetores, proteínas de transporte, enzimas e proteínas do citoesqueleto. Os transportadores, que incluem a extensa família de canais, servem para transportar moléculas e informações de um lado a outro da barreira da membrana. As enzimas são responsáveis pela síntese e degradação metabólica. As proteínas do citoesqueleto regulam a forma e a motilidade das células.
As proteínas efetoras geralmente possuem duas conformações: uma configuração ativa na qual a proteína expressa sua função; e uma conformação de “repouso” na qual a proteína é inativa. Por exemplo, uma proteína de canal em sua conformação ativa possui um poro aberto através do qual íons ou moléculas específicas atravessam a barreira da membrana. Ao retornar a uma conformação inativa, o redobramento da proteína restringe o canal condutor e o fluxo de íons ou moléculas cessa.
Juntando todas as peças, obtemos uma visão de como o “cérebro” da célula processa as informações e elicia o comportamento. Os inúmeros sinais de energia radiante e molecular no ambiente de uma célula criam uma cacofonia virtual de informações. De maneira semelhante à transformada de Fourier biológica, os receptores de superfície individuais (Fig. H) percebem o ambiente aparentemente caótico e filtram frequências específicas como sinais comportamentais. A recepção de um sinal ressonante (Fig. I, seta) induz uma mudança conformacional na porção citoplasmática do receptor (Fig. I, ponta de seta). Esta mudança conformacional permite que o receptor complexo com um efetor específico IMP (Fig. J, neste caso um canal IMP). A ligação da proteína receptora (Fig. K), por sua vez, induz uma mudança conformacional na proteína efetora (Fig. L, canal aberto). Os receptores ativados podem ativar as vias enzimáticas, induzir a reorganização estrutural e a motilidade ou ativar o transporte de sinais elétricos e íons pulsados exclusivamente através da membrana.
As proteínas do processador servem como dispositivos “multiplex”, pois podem aumentar a versatilidade do sistema de sinal. Essas proteínas fazem interface com receptores com proteínas efetoras (P na figura M). Ao “programar” o acoplamento da proteína do processador, uma variedade de entradas pode ser ligada a uma variedade de saídas. As proteínas do processador fornecem um grande repertório comportamental usando um número limitado de IMPs.
IMPs efetores convertem sinais ambientais mediados por receptor em comportamento biológico. A função de saída de algumas proteínas efetoras pode representar toda a extensão de um comportamento eliciado. No entanto, na maioria dos casos, a saída de IMPs efetores na verdade serve como um "sinal" secundário que penetra na célula e ativa o comportamento de outras vias de proteínas citoplasmáticas. Proteínas efetoras ativadas também servem como fatores de transcrição, sinais que induzem a expressão gênica.
O comportamento da célula é controlado pelas ações combinadas de receptores acoplados e IMPs efetores. Os receptores fornecem "consciência do ambiente" e as proteínas efetoras convertem essa consciência em "sensação física". Por definição estrita, um complexo receptor-efetor representa uma unidade fundamental de percepção. As unidades de percepção de proteínas fornecem a base da consciência biológica. As percepções “controlam” o comportamento celular, embora, na verdade, uma célula seja realmente “controlada” por crenças, uma vez que as percepções podem não ser necessariamente precisas.
A membrana celular é um processador orgânico de informações. Ele sente o ambiente e converte essa consciência em “informações” que podem influenciar a atividade das vias das proteínas e controlar a expressão dos genes. Uma descrição da estrutura e função da membrana é a seguinte: (A) com base na organização de suas moléculas de fosfolipídios, a membrana é um cristal líquido; B) o transporte regulado de informações através da barreira hidrofóbica por proteínas efetoras IMP torna a membrana um semicondutor; e © a membrana é dotada de PIMs que funcionam como portas (receptores) e canais. Como um semicondutor de cristal líquido com portas e canais, a membrana é um transistor de processamento de informações, um chip de computador orgânico.
Cada complexo receptor-efetor representa um BIT biológico, uma única unidade de percepção. Embora esta hipótese tenha sido apresentada formalmente em 1986 (Lipton 1986, Planetary Assoc. For Clean Energy Newsletter 5: 4), o conceito foi verificado tecnologicamente. Cornell e outros (Nature 1997, 387: 580-584), ligaram uma membrana a um substrato de folha de ouro. Ao controlar os eletrólitos entre a membrana e a folha, eles foram capazes de digitalizar a abertura e o fechamento de canais ativados por receptor. A célula e um chip são estruturas homólogas.
A célula é um “chip de computador” baseado em carbono que lê o meio ambiente. Seu “teclado” é composto de receptores. As informações ambientais são inseridas por meio de suas “chaves” de proteína. Os dados são transduzidos em comportamento biológico por proteínas efetoras. Os IMP BITs servem como interruptores que regulam as funções celulares e a expressão gênica. O núcleo representa um “disco rígido” com software codificado por DNA. Avanços recentes em biologia molecular enfatizam a natureza de leitura / gravação desse disco rígido.
Curiosamente, a espessura da membrana (cerca de 7.5 nm) é fixada pelas dimensões da bicamada fosfolipídica. Uma vez que os IMPs de membrana têm aproximadamente 6 a 8 nm de diâmetro, eles só podem formar uma monocamada na membrana. As unidades de IMP não podem se empilhar, a adição de mais unidades de percepção está diretamente ligada a um aumento na área de superfície da membrana. Por esse entendimento, a evolução, a expansão da consciência (ou seja, a adição de mais IMPs) seria mais eficazmente modelada usando a geometria fractal. A natureza fractal da biologia pode ser observada nas reiterações estruturais e funcionais observadas entre a hierarquia da célula, organismos multicelulares (homem) e as comunidades de organismos multicelulares (sociedade humana).
Essa nova percepção sobre os mecanismos de controle celular nos liberta das limitações do determinismo genético. Em vez de se comportar como autômatos genéticos programados, o comportamento biológico está dinamicamente ligado ao meio ambiente. Embora essa abordagem reducionista tenha destacado o mecanismo das proteínas de percepção individual, uma compreensão do mecanismo de processamento enfatiza a natureza holística dos organismos biológicos. A expressão da célula reflete o reconhecimento de todos os estímulos ambientais percebidos, tanto físicos quanto energéticos. Conseqüentemente, o “Heart of Energy Medicine” pode realmente ser encontrado na magia da membrana.