Imechapishwa tena kutoka kwa Madaraja, 2001 Vol 12 (1): 5 ISSEEM
Ingawa mwanadamu ana seli zaidi ya trilioni hamsini, hakuna kazi za mwili katika miili yetu ambazo zilikuwa hazikuwepo hapo awali katika biolojia ya seli moja, ya kiini (eukaryotic). Viumbe vyenye seli moja, kama vile amoeba au paramecium, vina milinganisho ya saitolojia ya mfumo wa mmeng'enyo, mfumo wa kutolea nje, mfumo wa upumuaji, mfumo wa misuli, mifupa, mfumo wa uzazi na mfumo wa moyo, kati ya zingine. Kwa wanadamu, kazi hizi za kisaikolojia zinahusishwa na shughuli za viungo maalum. Michakato hiyo hiyo ya kisaikolojia hufanywa katika seli na mifumo ya viungo inayopungua inayoitwa organelles.
Uhai wa seli unadumishwa kwa kudhibiti kwa nguvu kazi za mifumo ya fiziolojia ya seli. Maneno ya repertoires ya tabia inayotabirika inamaanisha kuwapo kwa "mfumo wa neva" wa rununu. Mfumo huu huguswa na vichocheo vya mazingira kwa kuuliza majibu yanayofaa ya kitabia. Organelle inayoratibu marekebisho na athari za seli kwa mazingira yake ya ndani na nje ingewakilisha saitoplazimu inayofanana na "ubongo."
Tangu kuvunjika kwa kanuni za maumbile mwanzoni mwa miaka ya 1950, wanabiolojia wa seli wamependelea wazo la uamuzi wa maumbile, wazo kwamba jeni "hudhibiti" biolojia. Karibu jeni zote za seli zimo ndani ya seli kubwa zaidi ya seli, kiini. Maoni ya kawaida huchukulia kiini kuwa "kituo cha amri" cha seli. Kwa hivyo, kiini kinawakilisha sawa na seli ya "ubongo."
Uamuaji wa maumbile unadhibitisha kuwa usemi na hatima ya kiumbe kimsingi "imeamuliwa" katika nambari yake ya maumbile. Msingi wa maumbile wa usemi wa kiumbe umejikita katika sayansi ya kibaolojia kama ukweli wa makubaliano, imani ambayo tunapanga kumbukumbu yetu ya afya na magonjwa. Kwa hivyo wazo kwamba kuathiriwa na magonjwa fulani au usemi wa tabia potofu kwa ujumla huunganishwa na ukoo wa maumbile na, wakati mwingine, mabadiliko ya hiari. Kwa kuongeza, pia hugunduliwa na wanasayansi wengi kwamba akili na ufahamu wa mwanadamu "umesimbwa" katika molekuli za mfumo wa neva. Hii nayo inakuza dhana kwamba kuibuka kwa fahamu kunaonyesha "mzuka kwenye mashine."
Ubora wa DNA katika kushawishi na kudhibiti tabia ya kibaolojia na mageuzi ni msingi wa dhana isiyo na msingi. Nakala ya seminal ya HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) inaelezea jinsi dhana zinazohusu "udhibiti" wa maumbile na "mipango" hapo awali zilichukuliwa kama sitiari kusaidia kufafanua na kuelekeza njia za utafiti. Kurudiwa kwa nadharia hii ya kulazimisha kwa zaidi ya miaka hamsini kumesababisha "sitiari ya mfano" kuwa "ukweli wa utaratibu," licha ya kukosekana kwa ushahidi wa kuunga mkono. Kwa kuwa dhana hiyo inasisitiza mpango wa maumbile kama "kiwango cha juu" kwenye ngazi ya kudhibiti kibaolojia, jeni zimepata hadhi ya wakala wa sababu katika kuamsha usemi na tabia ya kibaolojia (kwa mfano, jeni zinazosababisha saratani, ulevi, hata uhalifu).
Dhana kwamba kiini na jeni zake ni "ubongo" wa seli ni nadharia isiyoweza kuaminika na isiyo na mantiki. Ikiwa ubongo umeondolewa kutoka kwa mnyama, usumbufu wa ujumuishaji wa fiziolojia mara moja utasababisha kifo cha kiumbe. Ikiwa kiini kiliwakilisha kweli ubongo wa seli, basi kuondolewa kwa kiini kutasababisha kukomeshwa kwa kazi za seli na kifo cha seli mara moja. Walakini, seli zenye nyuklia za majaribio zinaweza kuishi kwa miezi miwili au zaidi na chembe za urithi, na bado zina uwezo wa kutoa majibu magumu kwa vichocheo vya mazingira na saitoplazimu (Lipton, et al., Tofauti 1991, 46: 117-133). Mantiki inaonyesha kwamba kiini hakiwezi kuwa ubongo wa seli!
Utafiti juu ya seli za kibinadamu zilizopangwa uliniongoza kwenye ufahamu kwamba plasmalemma ya seli, ambayo hujulikana kama utando wa seli, inawakilisha "ubongo" wa seli. Utando wa seli, kiungo cha kwanza cha kibaolojia kuonekana katika mageuzi, ndio viungo pekee vinavyojulikana kwa kila kiumbe hai. Utando wa seli hugawanya saitoplazimu, ikitenganisha na vagaries ya mazingira ya nje. Katika uwezo wake wa kizuizi, utando unawezesha seli kudumisha "udhibiti" mkali juu ya mazingira ya saitoplazimu, umuhimu katika kutekeleza athari za kibaolojia. Utando wa seli ni nyembamba sana kwamba zinaweza kuzingatiwa tu kwa kutumia darubini ya elektroni. Kwa hivyo, uwepo na udhihirisho wa ulimwengu wa muundo wa membrane uliwekwa wazi wazi mnamo 1950.
Katika mikrografia ya elektroni, utando wa seli huonekana kama nyembamba ya kutoweka (<10nm), nyembamba-laini (nyeusi-nyeupe-nyeusi) "ngozi" inayofunika kiini. Unyenyekevu wa kimfumo wa utando wa seli, ambao ni sawa kwa viumbe vyote vya kibaolojia, ulidanganya wanabiolojia wa seli. Kwa zaidi ya miaka hamsini iliyopita, utando ulionekana kama "kizuizi," kizuizi kinachoweza kupitishwa, kinachofanana na "kifuniko cha plastiki," ambacho kazi yake ilikuwa na saitoplazimu tu.
Uonekano laini wa utando unaonyesha kupangika kwa vitalu vyake vya fosforasi. Molekuli hizi zenye umbo la lollipop ni amphipathic, zina kichwa cha phosphate polar (Mchoro A) na miguu miwili isiyo kama polar (Kielelezo B). Inapotikiswa katika suluhisho, phospholipids hujikusanya yenyewe kuwa bilayer ya fuwele (Kielelezo C).
Miguu ya lipid inayojumuisha msingi wa utando hutoa kizuizi cha hydrophobic (Kielelezo D) ambacho hugawanya saitoplazimu kutoka kwa mazingira ya nje yanayobadilika kila wakati. Wakati uadilifu wa saitoplazimu unadumishwa na kazi ya kizuizi ya lipid, michakato ya maisha inahitaji ubadilishaji wa kimetaboliki na habari kati ya saitoplazimu na mazingira ya karibu. Shughuli za kisaikolojia za plasmalemma hupatanishwa na protini za utando.
Kila moja ya protini takriban 100,000 tofauti zinazopeana mwili wa binadamu zinajumuisha mlolongo wa mstari wa asidi amino zilizounganishwa. "Minyororo" imekusanywa kutoka kwa idadi ya amino asidi ishirini tofauti. Kila muundo wa kipekee wa protini na kazi hufafanuliwa na mlolongo maalum wa asidi ya amino inayojumuisha mnyororo wake. Iliyounganishwa kama kamba ya laini, minyororo ya asidi ya amino baadaye hupindana na kuwa na globules tatu za kipekee. Muundo wa mwisho wa protini huonyesha usawa wa malipo ya umeme kati ya asidi ya amino.
Morpholojia ya pande tatu ya protini zilizokunjwa inaweka nyuso zao na nyufa na mifuko haswa. Molekuli na ioni zilizo na maumbo ya nyongeza ya mwili na mashtaka ya umeme yatafungwa kwenye mipasuko ya uso wa protini na mifuko na umaalum wa kufuli-na-ufunguo. Kufunga kwa molekuli nyingine hubadilisha usambazaji wa malipo ya umeme ya protini. Kwa kujibu, mnyororo wa protini ya amino asidi itarejeshwa kwa hiari ili kulinganisha usambazaji wa malipo. Kufikiria tena hubadilisha muundo wa protini. Katika kuhama kutoka kwa muundo mmoja hadi mwingine, protini inaonyesha harakati. Harakati za kulinganisha protini zinaunganishwa na seli kutekeleza majukumu ya fiziolojia. Kazi inayotokana na harakati za protini inawajibika kwa "maisha."
Idadi ya asidi ishirini za amino zinazojumuisha mnyororo wa protini sio polar (hydrophobic, mafuta-upendo). Sehemu za hydrophobic za protini hutafuta utulivu kwa kujiingiza kwenye msingi wa lipid ya membrane. Sehemu za kupendeza (zinazopenda maji) za protini hizi hupanuka kutoka kwa nyuso zote mbili za membrane za maji. Protini zilizoingizwa ndani ya utando huitwa proteni muhimu za utando (IMPs).
IMP za utando zinaweza kugawanywa kiutendaji katika darasa mbili: vipokezi na vifaa. Wapokeaji ni vifaa vya kuingiza ambavyo vinajibu ishara za mazingira. Athari ni vifaa vya pato ambavyo vinaamsha michakato ya rununu. Familia ya protini za processor, ziko kwenye saitoplazimu chini ya utando, hutumika kuunganisha vipokezi vinavyopokea ishara na viboreshaji wa vitendo.
Wapokeaji ni "antena" za Masi ambazo hutambua ishara za mazingira. Antena zingine za kipokezi zinapanuka kuingia ndani kutoka kwa uso wa saitoplazimu ya utando. Vipokezi hivi "husoma" hali ya ndani na hutoa ufahamu wa hali ya saitoplazimu. Vipokezi vingine vinavyotokana na uso wa nje wa seli hutoa uelewa wa ishara za nje za mazingira.
Sayansi za kawaida za biomedical zinashikilia kwamba "habari" ya mazingira inaweza tu kubebwa na dutu ya molekuli (Sayansi 1999, 284: 79-109). Kulingana na wazo hili, vipokezi hutambua tu "ishara" ambazo husaidia mwili wao. Imani hii ya kupenda mali inadumishwa ingawa imeonyeshwa kwa kutosha kuwa vipokezi vya protini huitikia masafa ya kutetemeka. Kupitia mchakato unaojulikana kama uunganishaji wa umeme (Tsong, Trends in Biochem. Sayansi. 1989, 14: 89-92), sehemu zenye nguvu za kutetemeka zinaweza kubadilisha usawa wa malipo katika protini. Katika uwanja wa nishati ya harmonic, vipokezi vitabadilisha muundo wao. Kwa hivyo, vipokezi vya utando hujibu habari ya mazingira na ya nguvu ya mazingira.
Muundo wa mpokeaji "ulioamilishwa" hujulisha kiini juu ya uwepo wa ishara. Mabadiliko katika muundo wa kipokezi hutoa "ufahamu" wa rununu. Katika muundo wake "ulioamilishwa", kipokezi kinachopokea ishara kinaweza kumfunga kwa protini maalum inayofanya kazi au protini ya processor ya kati. Protini za mpokeaji hurudi kwenye muundo wao wa asili wa "kutofanya kazi" na kujitenga kutoka kwa protini zingine wakati ishara inakoma.
Familia ya protini za athari huwakilisha vifaa vya "pato". Kuna aina tatu tofauti za athari, protini za usafirishaji, enzymes na protini za cytoskeletal. Wasafirishaji, ambao ni pamoja na familia pana ya vituo, hutumika kusafirisha molekuli na habari kutoka upande mmoja wa kizuizi cha utando hadi mwingine. Enzymes zinawajibika kwa usanisi wa kimetaboliki na uharibifu. Protini za cytoskeletal hudhibiti sura na motility ya seli.
Protini za kiufundi kwa ujumla zina umbo mbili: muundo wa kazi ambao protini huonyesha kazi yake; na muundo wa "kupumzika" ambao protini haifanyi kazi. Kwa mfano, protini ya kituo katika muundo wake hai ina pore wazi kupitia ambayo ions maalum au molekuli hupita kizuizi cha utando. Kwa kurudi kwa hali isiyofaa, urekebishaji wa protini huweka kituo cha kufanya na mtiririko wa ioni au molekuli hukoma.
Kuweka vipande vyote pamoja tunapeana ufahamu wa jinsi "ubongo" wa seli unavyosindika habari na kuamsha tabia. Ishara zisizo na idadi za Masi na mionzi katika mazingira ya seli huunda usimulizi halisi wa habari. Kwa njia inayofanana na mabadiliko ya kibaolojia ya Fourier, vipokezi vya uso vya mtu binafsi (Mtini. H) huhisi mazingira ya machafuko na huchuja masafa maalum kama ishara za tabia. Kupokea kwa ishara ya resonant (Mtini. I, mshale) inashawishi mabadiliko ya muundo katika sehemu ya saitoplazimu ya kipokezi (Mtini. I, mshale wa kichwa). Mabadiliko haya ya muundo huwezesha kipokezi kuwa ngumu na athari maalum ya IMP (Mtini. J, katika kesi hii kituo cha IMP). Kufunga kwa protini ya kipokezi (Kielelezo K.) Kwa hivyo husababisha mabadiliko ya muundo katika protini ya athari (Mtini. L, kituo kinafunguliwa). Vipokezi vilivyoamilishwa vinaweza kuwasha njia za enzyme, kusababisha upangaji wa muundo na motility au kuamsha usafirishaji wa ishara za umeme zilizopigwa na ioni kwenye membrane.
Protini za wasindikaji hutumika kama vifaa vya "multiplex" kwa kuwa zinaweza kuongeza utofauti wa mfumo wa ishara. Vile vipokezi vya viunga vya protini na protini za athari (P katika takwimu M). Kwa kuunganisha programu ya protini ya "programu", pembejeo anuwai zinaweza kuunganishwa na matokeo anuwai. Protini za wasindikaji hutoa mkusanyiko mkubwa wa tabia kwa kutumia idadi ndogo ya IMP.
Impact za IMector hubadilisha ishara za mazingira zinazopatanishwa na receptor kuwa tabia ya kibaolojia. Utendaji wa pato la proteni zingine za athari zinaweza kuwakilisha kiwango kamili cha tabia iliyosababishwa. Walakini, katika hali nyingi, pato la athari za IMP hutumika kama "ishara" ya pili ambayo hupenya kwenye seli na kuamsha tabia ya njia zingine za protini ya saitoplazimu. Protini za athari zilizoamilishwa pia hutumika kama sababu za kunakili, ishara ambazo husababisha usemi wa jeni.
Tabia ya seli inadhibitiwa na vitendo vya pamoja vya vipokezi vilivyounganishwa na IMP za athari. Wapokeaji hutoa "ufahamu wa mazingira" na protini za athari hubadilisha ufahamu huo kuwa "hisia za mwili." Kwa ufafanuzi mkali, tata ya athari ya mpokeaji inawakilisha kitengo cha msingi cha mtazamo. Vitengo vya mtazamo wa protini hutoa msingi wa ufahamu wa kibaolojia. Mitazamo "hudhibiti" tabia ya seli, ingawa kwa kweli, seli kweli "inadhibitiwa" na imani, kwani maoni yanaweza kuwa sio sahihi.
Utando wa seli ni processor ya habari ya kikaboni. Inahisi mazingira na inabadilisha ufahamu huo kuwa "habari" ambayo inaweza kuathiri shughuli za njia za protini na kudhibiti usemi wa jeni. Maelezo ya muundo na utendaji wa utando husomeka kama ifuatavyo: (A) kulingana na muundo wa molekuli zake za fosforasi, utando ni kioo kioevu; B) usafirishaji uliyodhibitiwa wa habari kwenye kizuizi cha hydrophobic na protini za athari za IMP hutoa utando semiconductor; na utando umepewa IMPs ambazo hufanya kazi kama milango (vipokezi) na njia. Kama semiconductor ya kioevu iliyo na milango na njia, utando ni transistor ya usindikaji habari, chip ya kompyuta ya kikaboni.
Kila tata ya athari ya mpokeaji inawakilisha BIT ya kibaolojia, kitengo kimoja cha mtazamo. Ingawa nadharia hii iliwasilishwa rasmi kwa mara ya kwanza mnamo 1986 (Lipton 1986, Planetary Assoc. Kwa Jarida la Nishati Safi 5: 4), wazo hilo limethibitishwa kiteknolojia. Cornell na wengine (Nature 1997, 387: 580-584), waliunganisha utando na sehemu ndogo ya dhahabu. Kwa kudhibiti elektroliti kati ya utando na foil, waliweza kuweka dijiti kufungua na kufunga kwa njia zilizoamilishwa za receptor. Kiini na chip ni miundo ya kihemolojia.
Kiini ni "chip ya kompyuta" inayotegemea kaboni inayosoma mazingira. "Kinanda" chake kinajumuisha vipokezi. Habari ya mazingira imeingizwa kupitia "funguo" za protini. Takwimu hupitishwa kwa tabia ya kibaolojia na protini za athari. BIT za IMP hutumika kama swichi zinazodhibiti kazi za seli na usemi wa jeni. Kiini kinawakilisha "diski ngumu" na programu iliyo na nambari ya DNA. Maendeleo ya hivi karibuni katika biolojia ya Masi inasisitiza hali ya kusoma / kuandika ya gari ngumu hii.
Kwa kufurahisha, unene wa utando (kama 7.5 nm) umewekwa na vipimo vya bilayer ya fosforasi. Kwa kuwa utando wa IMP ni takriban 6-8 nm kwa kipenyo, wanaweza tu kuunda monolayer kwenye membrane.Vitengo vya IMP haviwezi kushikamana, kuongezewa kwa vitengo zaidi vya mtazamo kunaunganishwa moja kwa moja na kuongezeka kwa eneo la uso wa membrane. Kwa uelewa huu, mageuzi, upanuzi wa ufahamu (kwa mfano, kuongezewa zaidi ya IMP) ungeweza kuigwa kwa ufanisi kwa kutumia jiometri ya fractal. Asili ya kibaolojia ya biolojia inaweza kuzingatiwa katika marejeleo ya kimuundo na ya utendaji yaliyozingatiwa kati ya uongozi wa seli, viumbe vyenye seli nyingi (mtu) na jamii za viumbe vyenye seli nyingi (jamii ya wanadamu).
Mtazamo huu mpya juu ya mifumo ya udhibiti wa seli hutukomboa kutoka kwa mapungufu ya uamuzi wa maumbile. Badala ya kuishi kama mfumo wa maumbile uliopangwa, tabia ya kibaolojia inaunganishwa kwa nguvu na mazingira. Ingawa njia hii ya kupunguzwa imeangazia utaratibu wa proteni za maoni ya mtu binafsi, uelewa wa utaratibu wa usindikaji unasisitiza hali ya jumla ya viumbe vya kibaolojia. Usemi wa seli huonyesha utambuzi wa vichocheo vyote vya mazingira vinavyojulikana, vya mwili na nguvu. Kwa hivyo, "Moyo wa Dawa ya Nishati" inaweza kupatikana katika uchawi wa utando.