Nai-print muli mula sa Bridges, 2001 Vol 12 (1): 5 ISSEEM
Bagaman ang isang tao ay binubuo ng higit sa limampung trilyong mga cell, walang mga pagpapaandar na pisyolohikal sa aming mga katawan na hindi pa paunang mayroon sa biology ng solong, na-nucleated (eukaryotic) na cell. Ang mga solong cell na organismo, tulad ng amoeba o paramecium, ay nagtataglay ng mga katumbas na cytological ng isang digestive system, isang excretory system, isang respiratory system, isang musculoskeletal system, isang immune system, isang reproductive system at isang cardiovascular system, bukod sa iba pa. Sa mga tao, ang mga pagpapaandar na ito ng physiologic ay naiugnay sa aktibidad ng mga tukoy na organo. Ang parehong mga proseso ng physiologic na ito ay isinasagawa sa mga cell ng mga diminutive system system na tinatawag na organelles.
Ang buhay na cellular ay napapanatili ng mahigpit na pagkontrol ng mga pag-andar ng mga system ng physiologic ng cell. Ang pagpapahayag ng mga hinuhulaan na repertoire ng pag-uugali ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng isang cellular "nerve system." Ang sistemang ito ay tumutugon sa mga pampasigla sa kapaligiran sa pamamagitan ng pag-aangat ng naaangkop na mga tugon sa pag-uugali. Ang organel na nagsasaayos ng mga pagsasaayos at reaksyon ng isang cell sa panloob at panlabas na kapaligiran ay kumakatawan sa katumbas na cytoplasmic ng "utak."
Mula nang masira ang genetic code noong unang bahagi ng 1950, pinapaboran ng mga cell biologist ang konsepto ng determinismong genetiko, ang kuru-kuro na "kinokontrol" ng mga genes ang biology. Halos lahat ng mga gen ng cell ay nakapaloob sa loob ng pinakamalaking organel ng cell, ang nucleus. Itinuturing ng maginoo na opinyon ang nukleus na maging "command center" ng cell. Dahil dito, ang nukleus ay kumakatawan sa katumbas ng cellular ng "utak."
Ipinagpalagay ng determinismong genetika na ang ekspresyon at kapalaran ng isang organismo ay pangunahing "paunang natukoy" sa genetic code nito. Ang batayan ng genetiko ng ekspresyon ng organismo ay nakatanim sa mga biological science bilang isang consensual na katotohanan, isang paniniwala kung saan binubuo natin ang aming sanggunian para sa kalusugan at sakit. Samakatuwid ang kuru-kuro na ang pagkamaramdamin sa ilang mga karamdaman o ang pagpapahayag ng aberrant na pag-uugali ay karaniwang naiugnay sa genetic lineage at, sa mga okasyon, kusang mutasyon. Sa pamamagitan ng pagpapalawak, napapansin din ng karamihan ng mga siyentista na ang isip at kamalayan ng tao ay "naka-encode" sa mga molekula ng sistema ng nerbiyos. Ito naman ang nagtataguyod ng konsepto na ang paglitaw ng kamalayan ay sumasalamin ng "multo sa makina."
Ang kauna-unahan ng DNA sa pag-impluwensya at pagkontrol ng biological na pag-uugali at ebolusyon ay batay sa isang walang batayan na palagay. Isang artikulo sa seminal ni HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) ay naglalarawan kung paano inilarawan ang mga konsepto tungkol sa "mga kontrol" ng genetiko at "mga programa" bilang mga talinghaga upang makatulong na tukuyin at idirekta ang mga paraan ng pagsasaliksik. Ang malawakang pag-uulit ng nakakahimok na teorya na ito sa loob ng limampung taon ay nagresulta sa "talinghaga ng modelo" na naging "katotohanan ng mekanismo," sa kabila ng kawalan ng matibay na sumusuporta sa ebidensya. Dahil binibigyang diin ng palagay ang programa ng genetiko bilang "nangungunang hagdan" sa hagdan ng biyolohikal na pagkontrol, nakuha ng mga gen ang katayuang mga ahente ng pananahilan sa paghimok ng biyolohikal na ekspresyon at pag-uugali (hal., Mga gen na sanhi ng cancer, alkoholismo, maging ang kriminalidad).
Ang kuru-kuro na ang nucleus at ang mga genes nito ay ang "utak" ng cell ay isang hindi matatag at hindi lohikal na teorya. Kung ang utak ay tinanggal mula sa isang hayop, ang pagkagambala ng pagsasama ng physiologic ay agad na hahantong sa pagkamatay ng organismo. Kung ang nukleus ay totoong kumakatawan sa utak ng cell, kung gayon ang pagtanggal ng nukleus ay magreresulta sa pagtigil sa mga pagpapaandar ng cell at agarang pagkamatay ng cell. Gayunpaman, ang mga eksperimentong enucleated cell ay maaaring mabuhay ng dalawa o higit pang mga buwan na walang mga gen, at may kakayahang paepektibo ang mga kumplikadong tugon sa mga pampasigla sa kapaligiran at cytoplasmic (Lipton, et al., Pagkakaiba 1991, 46: 117-133). Ipinapakita ng lohika na ang nucleus ay hindi maaaring maging utak ng cell!
Ang mga pag-aaral sa mga na-clone na selula ng tao ay humantong sa akin sa kamalayan na ang plasmalemma ng cell, na karaniwang tinutukoy bilang cell membrane, ay kumakatawan sa "utak" ng cell. Ang mga cell membrane, ang unang biological organelle na lumitaw sa ebolusyon, ang tanging organel na karaniwang sa bawat nabubuhay na organismo. Ang mga lamad ng cell ay nag-compartalize ng cytoplasm, na pinaghihiwalay ito mula sa mga vagaries ng panlabas na kapaligiran. Sa kapasidad ng hadlang nito, pinapayagan ng lamad ang cell na mapanatili ang mahigpit na "kontrol" sa cytoplasmic na kapaligiran, isang pangangailangan sa pagsasagawa ng mga biological na reaksyon. Ang mga lamad ng cell ay napakapayat na maaari lamang nilang obserbahan gamit ang electron microscope. Dahil dito, ang pagkakaroon at unibersal na pagpapahayag ng istraktura ng lamad ay malinaw na naitatag sa paligid ng 1950.
Sa mga electron micrograph, ang lamad ng cell ay lilitaw bilang isang vanishingly manipis (<10nm), tri-layered (black-white-black) "balat" na bumabalot sa cell. Ang pangunahing pagiging simple ng istruktura ng lamad ng cell, na magkapareho para sa lahat ng mga biological na organismo, ay niloko ang mga cell biologist. Sa karamihan ng huling limampung taon, ang lamad ay napansin bilang isang "passive," na semi-permeable na hadlang, na kahawig ng isang humihingal na "plastik na balot," na ang pag-andar ay upang maglaman lamang ng cytoplasm.
Ang layered na hitsura ng lamad ay sumasalamin sa pagsasaayos ng mga bloke ng phospholipid na gusali nito. Ang mga molekulang hugis ng lollipop na ito ay amphipathic, nagtataglay sila ng parehong globular polar phosphate head (Larawan A) at dalawang mala-stick na hindi mga polar na binti (Larawan B). Kapag inalog sa solusyon, ang phospholipids ay nagtipun-tipon sa isang nagpapatatag na mala-kristal na bilayer (Larawan C).
Ang mga binti ng lipid na binubuo ng core ng lamad ay nagbibigay ng isang hydrophobic barrier (Larawan D) na nahahati sa cytoplasm mula sa patuloy na nagbabagong panlabas na kapaligiran. Habang ang integridad ng cytoplasmic ay pinananatili ng pag-andar ng passive barrier ng lipid, kinakailangan ng mga proseso sa buhay ang aktibong pagpapalitan ng mga metabolite at impormasyon sa pagitan ng cytoplasm at kalapit na kapaligiran. Ang mga aktibidad na pang-physiologic ng plasmalemma ay namamagitan sa mga protina ng lamad.
Ang bawat isa sa humigit-kumulang 100,000 magkakaibang mga protina na nagbibigay para sa katawan ng tao ay binubuo ng isang linear chain ng naka-link na mga amino acid. Ang "mga kadena" ay pinagsama mula sa populasyon ng dalawampu't iba't ibang mga amino acid. Ang natatanging istraktura at pag-andar ng bawat protina ay tinukoy ng tiyak na pagkakasunud-sunod ng mga amino acid na binubuo ng kadena nito. Na-synthesize bilang isang linear string, ang mga amino acid chain na kasunod na tiklop sa natatanging tatlong dimensional na globules. Ang pangwakas na pagsasaayos (hugis) ng protina ay sumasalamin ng isang balanse ng mga singil sa kuryente kabilang sa mga nasasakop nitong amino acid.
Ang tatlong dimensional na morpolohiya ng mga nakatiklop na protina ay pinagkalooban ang kanilang mga ibabaw na may mga partikular na hugis na mga cleft at bulsa. Ang mga Molecule at ions na nagtataglay ng mga pantulong na pisikal na hugis at singil sa kuryente ay magbubuklod sa mga cleft at bulsa sa ibabaw ng isang protina na may pagtitiyak ng isang lock-and-key. Ang pagbubuklod ng isa pang molekula ay nagbabago sa pamamahagi ng singil sa kuryente ng protina. Bilang tugon, ang chain ng amino acid ng protina ay kusang refold upang muling balansehin ang pamamahagi ng singil. Binabago ng refold ang pagkakasunod ng protina. Sa paglilipat mula sa isang pagsunod sa susunod, ang protina ay nagpapahayag ng paggalaw. Ang mga paggalaw na tumutugma sa protina ay ginagamit ng cell upang maisakatuparan ang mga pagpapaandar ng physiologic. Ang gawaing nabuo ng paggalaw ng protina ay responsable para sa "buhay."
Ang isang bilang ng dalawampung mga amino acid na binubuo ng kadena ng protina ay hindi polar (hydrophobic, oil-mapagmahal). Ang mga hydrophobic na bahagi ng mga protina ay naghahanap ng katatagan sa pamamagitan ng pagpasok ng kanilang sarili sa lipid core ng lamad. Ang mga bahagi ng polar (mapagmahal sa tubig) ng mga protina na ito ay umaabot mula sa alinman o pareho sa mga ibabaw na natatakpan ng tubig ng lamad. Ang mga protina na isinama sa loob ng lamad ay tinatawag na integral membrane protein (IMPs).
Ang mga lamad na IMP ay maaaring functionally nahahati sa dalawang klase: mga receptor at effector. Ang mga receptor ay mga aparato ng pag-input na tumutugon sa mga signal ng kapaligiran. Ang mga effector ay mga aparato ng output na nagpapagana ng mga proseso ng cellular. Ang isang pamilya ng mga protina ng processor, na matatagpuan sa cytoplasm sa ilalim ng lamad, ay nagsisilbing i-link ang mga receptor na tumatanggap ng signal na may mga epekto na gumagawa ng aksyon.
Ang mga receptor ay mga "antennas" na molekular na kumikilala sa mga signal ng kapaligiran. Ang ilang mga antena ng receptor ay umaabot sa loob mula sa cytoplasmic na mukha ng lamad. Ang mga receptor na ito ay "binasa" ang panloob na milieu at nagbibigay ng kamalayan sa mga cytoplasmic na kondisyon. Ang iba pang mga receptor na umaabot mula sa panlabas na ibabaw ng cell ay nagbibigay ng kamalayan sa mga panlabas na signal ng kapaligiran.
Ang maginoo na agham biomedical ay pinahahalagahan na ang "impormasyon" sa kapaligiran ay maaari lamang dalhin ng sangkap ng mga molekula (Agham 1999, 284: 79-109). Ayon sa paniwala na ito, kinikilala lamang ng mga receptor ang "mga signal" na pisikal na umakma sa kanilang mga tampok sa ibabaw. Ang paniniwalang materyalistikong ito ay pinananatili kahit na ito ay sapat na ipinakita na ang mga receptor ng protina ay tumutugon sa mga vibrational frequency. Sa pamamagitan ng isang proseso na kilala bilang electroconformational coupling (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), ang maalab na mga patlang ng enerhiya na pang-vibrational ay maaaring baguhin ang balanse ng singil sa isang protina. Sa isang patlang na umaayon na enerhiya, ang mga receptor ay magbabago ng kanilang pagsasaayos. Dahil dito, ang mga receptor ng lamad ay tumutugon sa kapwa pisikal at masiglang impormasyong pangkapaligiran.
Ang "aktibo" na pagsasaayos ng isang receptor ay nagpapaalam sa cell ng pagkakaroon ng isang senyas. Ang mga pagbabago sa pagsasaayos ng receptor ay nagbibigay ng cellular na "kamalayan." Sa "aktibo" na pagsasaayos nito, ang isang receptor na tumatanggap ng signal ay maaaring magbuklod sa alinman sa isang tukoy na protina ng effector na gumagawa ng function o sa intermisyonaryong protina ng processor. Ang mga protina ng receptor ay bumalik sa kanilang orihinal na "hindi aktibo" na pagsang-ayon at tumanggal mula sa iba pang mga protina kapag huminto ang signal.
Ang pamilya ng mga protina ng effector ay kumakatawan sa mga "output" na aparato. Mayroong tatlong magkakaibang uri ng mga epekto, transport protina, enzyme at cytoskeletal protein. Ang mga transporter, na kinabibilangan ng malawak na pamilya ng mga channel, ay nagsisilbi upang magdala ng mga molekula at impormasyon mula sa isang gilid ng hadlang ng lamad patungo sa iba pa. Ang mga enzim ay responsable para sa pagbubuo ng metabolic at pagkasira ng katawan. Ang mga protina ng cytoskeletal ay kinokontrol ang hugis at paggalaw ng mga cell.
Ang mga protina ng effector sa pangkalahatan ay nagtataglay ng dalawang pagsasaayos: isang aktibong pagsasaayos kung saan ipinapahayag ng protina ang pagpapaandar nito; at isang "resting" na pagsang-ayon kung saan ang protina ay hindi aktibo. Halimbawa, ang isang protina ng channel sa aktibong pagsang-ayon nito ay nagtataglay ng isang bukas na butas sa pamamagitan ng kung saan ang mga tukoy na ions o molekula ay dumaan sa hadlang ng lamad. Sa pagbabalik sa isang hindi aktibong pagsang-ayon, pinipigilan ng refold ng protina ang pagsasagawa ng channel at ang pagdaloy ng mga ions o mga molekula ay tumitigil.
Ang pagsasama-sama ng lahat ng mga piraso ay nagbibigay kami ng pananaw sa kung paano pinoproseso ng "utak" ng cell ang impormasyon at pag-uugali ng elicits. Ang hindi mabilang na mga signal ng molekular at nagniningning na enerhiya sa kapaligiran ng isang cell ay lumilikha ng isang virtual na cacophony ng impormasyon. Sa paraang kahawig ng isang biyolohikal na Fourier transform, ang mga indibidwal na receptor sa ibabaw (Larawan H) ay nadarama ang tila magulong kapaligiran at sinasala ang mga tukoy na frequency bilang mga signal ng pag-uugali. Ang pagtanggap ng isang resonant signal (Larawan I, arrow) ay nagpapahiwatig ng isang pagbabago na umaayon sa bahagi ng cytoplasmic ng receptor (Larawan I, arrowhead). Ang pagbabago na ito na tumutugma ay nagbibigay-daan sa receptor na kumplikado sa isang tukoy na effector na IMP (Larawan J, sa kasong ito isang channel IMP). Ang pagbubuklod ng receptor protein (Larawan K) naman ay nagpapalakas ng isang pagbabago na umaayon sa effector protein (Larawan L, bubukas ang channel). Ang mga naka-activate na receptor ay maaaring i-on ang mga pathway ng enzyme, mahimok ang muling pagbubuo ng istruktura at paggalaw o paganahin ang pagdadala ng mga natatanging pulsadong de-koryenteng signal at ions sa buong lamad.
Ang mga protina ng processor ay nagsisilbing mga aparato na "multiplex" na maaari nilang madagdagan ang kagalingan ng maraming sistema ng signal. Ang mga nasabing protina ay tumatanggap ng mga receptor na may mga protina ng effector (P sa pigura M). Sa pamamagitan ng "programa" na pagkabit ng protina ng processor, ang iba't ibang mga input ay maaaring maiugnay sa iba't ibang mga output. Ang mga protina ng processor ay nagbibigay para sa isang malaking repertoire sa pag-uugali gamit ang isang limitadong bilang ng mga IMP.
Ginagawa ng mga IMP na Effector na baguhin ang receptor-mediated na mga signal sa kapaligiran sa biological na pag-uugali. Ang pagpapaandar ng output ng ilang mga protina ng effector ay maaaring kumatawan sa buong lawak ng isang elicited na pag-uugali. Gayunpaman, sa karamihan ng mga kaso, ang output ng mga effector IMP ay talagang nagsisilbing isang pangalawang "signal" na tumagos sa cell at pinapagana ang pag-uugali ng iba pang mga cytoplasmic protein pathway. Ang mga naka-aktibong protina na effector ay nagsisilbi din bilang mga salik ng salin, mga senyas na nagpapahiwatig ng pagpapahayag ng gene.
Ang pag-uugali ng cell ay kinokontrol ng pinagsamang mga aksyon ng mga kaakibat na receptor at effector IMP. Ang mga receptor ay nagbibigay ng "kamalayan sa kapaligiran" at mga protina ng effector na binago ang kamalayan na iyon sa "pisikal na pang-amoy." Sa pamamagitan ng mahigpit na kahulugan, ang isang receptor-effector complex ay kumakatawan sa isang pangunahing yunit ng pang-unawa. Ang mga yunit ng pang-unawa ng protina ay nagbibigay ng pundasyon ng kamalayan ng biological. Ang mga pananaw ay "nagkokontrol" sa pag-uugali ng cell, bagaman sa totoo lang, ang isang cell ay talagang "kinokontrol" ng mga paniniwala, dahil ang mga pananaw ay maaaring hindi kinakailangang tumpak.
Ang lamad ng cell ay isang organikong processor ng impormasyon. Nararamdaman nito ang kapaligiran at binago ang kamalayan sa "impormasyon" na maaaring maka-impluwensya sa aktibidad ng mga pathway ng protina at makontrol ang pagpapahayag ng mga gen. Ang isang paglalarawan ng istraktura at pag-andar ng lamad ay nababasa tulad ng sumusunod: (A) batay sa pagbuo ng mga phospholipid na molekula nito, ang lamad ay isang likidong kristal; B) ang kinokontrol na pagdadala ng impormasyon sa kabila ng hadlang ng hydrophobic ng mga protina ng IMP effector na nagbibigay ng lamad ng isang semiconductor; at © ang lamad ay pinagkalooban ng mga IMP na gumana bilang mga pintuang-daan (receptor) at mga channel. Bilang isang likidong kristal semiconductor na may mga gate at channel, ang lamad ay isang transistor sa pagproseso ng impormasyon, isang chip ng organikong computer.
Ang bawat kumplikadong receptor-effector ay kumakatawan sa isang biological BIT, isang solong yunit ng pang-unawa. Bagaman ang teorya na ito ay pormal na ipinakita noong 1986 (Lipton 1986, Planitary Assoc. Para sa Clean Energy Newsletter 5: 4), ang konsepto ay mula nang napatunayan ng teknolohikal. Si Cornell at iba pa (Kalikasan 1997, 387: 580-584), na-link ang isang lamad sa isang gintong foil substrate. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga electrolytes sa pagitan ng lamad at ng palara, nagawang idolo ng mga ito ang pagbubukas at pagsasara ng mga channel na pinapagana ng receptor. Ang cell at isang maliit na tilad ay mga homologous na istraktura.
Ang cell ay isang "computer chip" na nakabatay sa carbon na nagbabasa ng kapaligiran. Ang "keyboard" nito ay binubuo ng mga receptor. Ang impormasyong pangkapaligiran ay ipinasok sa pamamagitan ng mga "key" ng protina. Ang data ay inilipat sa biological na pag-uugali ng mga protina ng effector. Ang mga IMP BIT ay nagsisilbing switch na kinokontrol ang mga pagpapaandar ng cell at pagpapahayag ng gene. Ang nukleus ay kumakatawan sa isang "hard disk" na may software na naka-code sa DNA. Ang mga kamakailang pagsulong sa molekular biology ay nagbibigay diin sa pagbasa / pagsulat ng kalikasan ng hard drive na ito.
Kapansin-pansin, ang kapal ng lamad (mga 7.5 nm) ay naayos ng mga sukat ng phospholipid bilayer. Dahil ang mga lamad na IMP ay humigit-kumulang na 6-8 nm ang lapad, maaari lamang silang makabuo ng isang monolayer sa lamad. Ang mga unit ng IMP ay hindi maaaring isalansan sa isa't isa, ang pagdaragdag ng higit pang mga yunit ng pang-unawa ay direktang na-link sa isang pagtaas sa lugar ng lamad na ibabaw. Sa pamamagitan ng pag-unawang ito, ang ebolusyon, ang pagpapalawak ng kamalayan (ibig sabihin, ang pagdaragdag ng higit pang mgaIMP) ay pinaka-mabisang na-modelo sa paggamit ng fraktal na geometry. Ang likas na bahagi ng biology ay maaaring sundin sa istruktura at pagganap na mga pag-ulit na sinusunod sa hierarchy ng cell, mga multicellular na organismo (tao) at mga komunidad ng mga multicellular na organismo (lipunan ng tao).
Ang bagong pang-unawa sa mga mekanismo ng pagkontrol ng cell ay nagpapalaya sa amin mula sa mga limitasyon ng determinismong genetiko. Sa halip na kumilos bilang naka-program na mga genetic na automatons, ang pag-uugali ng biyolohikal ay palakas na naka-link sa kapaligiran. Kahit na ang pamamaraang ito ng redistista ay na-highlight ang mekanismo ng mga indibidwal na protina ng pang-unawa, ang isang pag-unawa sa mekanismo ng pagproseso ay binibigyang diin ang holistic na likas na katangian ng mga biological organismo. Ang expression ng cell ay sumasalamin ng pagkilala sa lahat ng pinaghihinalaang pampasigla sa kapaligiran, kapwa pisikal at masigla. Dahil dito, ang "Heart of Energy Medicine" ay maaaring tunay na matagpuan sa mahika ng lamad.