Bridges'tan yeniden basılmıştır, 2001 Cilt 12(1):5 ISSEEM
Bir insan elli trilyondan fazla hücreden oluşmasına rağmen, vücudumuzda tek çekirdekli (ökaryotik) hücrenin biyolojisinde önceden mevcut olmayan hiçbir fizyolojik fonksiyon yoktur. Amip veya paramesyum gibi tek hücreli organizmalar, diğerlerinin yanı sıra sindirim sistemi, boşaltım sistemi, solunum sistemi, kas-iskelet sistemi, bağışıklık sistemi, üreme sistemi ve kardiyovasküler sistemin sitolojik eşdeğerlerine sahiptir. İnsanlarda bu fizyolojik işlevler belirli organların faaliyetleriyle ilişkilidir. Aynı fizyolojik işlemler hücrelerde organel adı verilen küçültülmüş organ sistemleri tarafından gerçekleştirilir.
Hücresel yaşam, hücrenin fizyolojik sistemlerinin fonksiyonlarının sıkı bir şekilde düzenlenmesiyle sürdürülür. Tahmin edilebilir davranış repertuarlarının ifadesi, hücresel bir “sinir sisteminin” varlığına işaret eder. Bu sistem, uygun davranışsal tepkileri ortaya çıkararak çevresel uyaranlara tepki verir. Bir hücrenin iç ve dış ortamlarına uyumunu ve tepkilerini koordine eden organel, "beynin" sitoplazmik eşdeğerini temsil edecektir.
1950'lerin başlarında genetik kodun kırılmasından bu yana, hücre biyologları genetik determinizm kavramını, yani genlerin biyolojiyi “kontrol ettiği” fikrini desteklediler. Hücrenin genlerinin neredeyse tamamı, hücrenin en büyük organeli olan çekirdekte bulunur. Geleneksel görüş, çekirdeğin hücrenin “komuta merkezi” olduğunu kabul eder. Bu haliyle çekirdek, "beynin" hücresel eşdeğerini temsil edecektir.
Genetik determinizm, bir organizmanın ifadesinin ve kaderinin öncelikle genetik kodunda "önceden belirlenmiş" olduğu anlamına gelir. Organizmasal ifadenin genetik temeli, biyolojik bilimlere, üzerinde uzlaşılan bir gerçek, sağlık ve hastalık için referanslarımızı çerçevelediğimiz bir inanç olarak kökleşmiştir. Bu nedenle, belirli hastalıklara yatkınlığın veya anormal davranışların ortaya çıkmasının genellikle genetik soyla ve bazen de spontan mutasyonlarla bağlantılı olduğu fikri ortaya çıkar. Buna ek olarak, bilim adamlarının çoğunluğu tarafından insan zihninin ve bilincinin sinir sistemindeki moleküllerde "kodlanmış" olduğu da algılanmaktadır. Bu da bilincin ortaya çıkışının “makinedeki hayaleti” yansıttığı kavramını destekliyor.
Biyolojik davranışı ve evrimi etkileme ve düzenlemede DNA'nın önceliği asılsız bir varsayıma dayanmaktadır. HF Nijhout tarafından yazılan ufuk açıcı bir makale (BioEssays 1990, 12 (9):441-446), genetik "kontroller" ve "programlar" ile ilgili kavramların başlangıçta araştırma yollarını tanımlamaya ve yönlendirmeye yardımcı olacak metaforlar olarak nasıl tasarlandığını açıklar. Bu zorlayıcı hipotezin elli yıl boyunca yaygın biçimde tekrarlanması, somut destekleyici kanıtların yokluğuna rağmen "model metaforunun" "mekanizmanın gerçeği" haline gelmesiyle sonuçlandı. Varsayım, genetik programın biyolojik kontrol merdiveninin "en üst basamağı" olduğunu vurguladığından, genler, biyolojik ifade ve davranışı (örneğin, kansere, alkolizme, hatta suçluluğa neden olan genler) ortaya çıkarmada nedensel ajanlar statüsünü kazanmıştır.
Çekirdeğin ve genlerinin hücrenin “beyni” olduğu iddiası savunulması mümkün olmayan ve mantıksız bir hipotezdir. Bir hayvanın beyni alınırsa, fizyolojik entegrasyonun bozulması, organizmanın anında ölümüne yol açacaktır. Eğer çekirdek gerçekten hücrenin beynini temsil ediyorsa, çekirdeğin çıkarılması hücre fonksiyonlarının durmasına ve hücrenin anında ölmesine neden olacaktır. Bununla birlikte, deneysel olarak çekirdeği çıkarılmış hücreler, genler olmadan iki veya daha fazla ay boyunca hayatta kalabilirler ve yine de çevresel ve sitoplazmik uyaranlara karmaşık tepkiler verebilme kapasitesine sahiptirler (Lipton ve diğerleri, Differentiation 1991, 46:117-133). Mantık, çekirdeğin hücrenin beyni olamayacağını ortaya koyuyor!
Klonlanmış insan hücreleri üzerinde yapılan araştırmalar beni, hücrenin plazmalemmasının (genellikle hücre zarı olarak anılır) hücrenin "beynini" temsil ettiğinin farkına varmamı sağladı. Evrim sürecinde ortaya çıkan ilk biyolojik organel olan hücre zarları, her canlıda ortak olan tek organeldir. Hücre zarları sitoplazmayı bölümlere ayırarak onu dış ortamın değişkenlerinden ayırır. Bariyer kapasitesinde membran, hücrenin biyolojik reaksiyonların yürütülmesinde bir zorunluluk olan sitoplazmik çevre üzerinde sıkı bir "kontrol" sağlamasına olanak tanır. Hücre zarları o kadar incedir ki ancak elektron mikroskobuyla görülebilmektedir. Sonuç olarak, zar yapısının varlığı ve evrensel ifadesi ancak 1950'li yıllarda net bir şekilde ortaya konmuştur.
Elektron mikrograflarında hücre zarı, hücreyi saran, gözden kaybolacak kadar ince (<10nm), üç katmanlı (siyah-beyaz-siyah) bir “deri” olarak görünür. Tüm biyolojik organizmalar için aynı olan hücre zarının temel yapısal basitliği, hücre biyologlarını kandırdı. Son elli yılın çoğunda zar, işlevi yalnızca sitoplazmayı tutmak olan nefes alabilen bir "plastik sargıya" benzeyen "pasif", yarı geçirgen bir bariyer olarak algılandı.
Membranın katmanlı görünümü, fosfolipid yapı taşlarının organizasyonunu yansıtır. Bu lolipop şeklindeki moleküller amfipatiktir, hem küresel bir polar fosfat başlığına (Şekil A) hem de iki çubuk benzeri polar olmayan bacağa (Şekil B) sahiptirler. Solüsyonda çalkalandığında, fosfolipitler kendiliğinden birleşerek dengeleyici kristalin çift katman oluşturur (Şekil C).
Membranın çekirdeğini oluşturan lipid bacaklar, sitoplazmayı sürekli değişen dış ortamdan ayıran hidrofobik bir bariyer (Şekil D) sağlar. Sitoplazmik bütünlük, lipidin pasif bariyer fonksiyonu tarafından korunurken, yaşam süreçleri, sitoplazma ve çevreleyen ortam arasında metabolitlerin ve bilgilerin aktif değişimini gerektirir. Plazmalemmanın fizyolojik aktivitelerine membran proteinleri aracılık eder.
İnsan vücudunun ihtiyacını karşılayan yaklaşık 100,000 farklı proteinin her biri, birbirine bağlı amino asitlerden oluşan doğrusal bir zincirden oluşur. "Zincirler" yirmi farklı amino asitten oluşan bir popülasyondan oluşur. Her proteinin benzersiz yapısı ve işlevi, zincirini oluşturan amino asitlerin spesifik dizisi ile tanımlanır. Doğrusal bir dizi olarak sentezlenen amino asit zincirleri daha sonra benzersiz üç boyutlu kürecikler halinde katlanır. Proteinin son yapısı (şekli), kendisini oluşturan amino asitler arasındaki elektrik yükleri dengesini yansıtır.
Katlanmış proteinlerin üç boyutlu morfolojisi, yüzeylerine özel şekilli yarıklar ve cepler kazandırır. Tamamlayıcı fiziksel şekillere ve elektrik yüklerine sahip moleküller ve iyonlar, bir proteinin yüzey yarıklarına ve ceplerine bir kilit ve anahtar özelliğiyle bağlanacaktır. Başka bir molekülün bağlanması, proteinin elektrik yükü dağılımını değiştirir. Buna karşılık, proteinin amino asit zinciri, yük dağılımını yeniden dengelemek için kendiliğinden yeniden katlanacaktır. Yeniden katlanma proteinin konformasyonunu değiştirir. Bir konformasyondan diğerine geçerken protein hareketi ifade eder. Protein konformasyonel hareketleri hücre tarafından fizyolojik fonksiyonları gerçekleştirmek için kullanılır. Protein hareketinin ürettiği iş “yaşamdan” sorumludur.
Protein zincirini oluşturan yirmi amino asitten bazıları polar değildir (hidrofobik, yağı seven). Proteinlerin hidrofobik kısımları, kendilerini zarın lipit çekirdeğine yerleştirerek stabilite ararlar. Bu proteinlerin polar (suyu seven) kısımları, zarın suyla kaplı yüzeylerinin birinden veya her ikisinden uzanır. Membranın içinde yer alan proteinlere integral membran proteinleri (IMP'ler) adı verilir.
Membran IMP'leri işlevsel olarak iki sınıfa ayrılabilir: reseptörler ve efektörler. Alıcılar çevresel sinyallere yanıt veren giriş cihazlarıdır. Efektörler hücresel süreçleri etkinleştiren çıkış cihazlarıdır. Membranın altındaki sitoplazmada bulunan bir işlemci protein ailesi, sinyal alıcı reseptörleri eylem üreten efektörlere bağlamaya hizmet eder.
Reseptörler çevresel sinyalleri tanıyan moleküler “antenlerdir”. Bazı reseptör antenleri zarın sitoplazmik yüzünden içeriye doğru uzanır. Bu reseptörler iç ortamı “okur” ve sitoplazmik koşullar hakkında farkındalık sağlar. Hücrenin dış yüzeyinden uzanan diğer reseptörler, dış çevresel sinyallere ilişkin farkındalığı sağlar.
Geleneksel biyomedikal bilimler, çevresel “bilginin” yalnızca moleküllerin maddesi tarafından taşınabileceğini savunmaktadır (Science 1999, 284:79-109). Bu düşünceye göre, alıcılar yalnızca yüzey özelliklerini fiziksel olarak tamamlayan “sinyalleri” tanırlar. Bu materyalist inanç, protein reseptörlerinin titreşim frekanslarına tepki verdiği fazlasıyla kanıtlanmış olmasına rağmen sürdürülmektedir. Elektrokonformasyonel bağlanma olarak bilinen bir süreç aracılığıyla (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14:89-92), rezonans titreşimsel enerji alanları bir proteindeki yük dengesini değiştirebilir. Harmonik bir enerji alanında, reseptörler konformasyonlarını değiştirecektir. Sonuç olarak, membran reseptörleri hem fiziksel hem de enerjik çevresel bilgilere yanıt verir.
Bir reseptörün “aktive edilmiş” yapısı, hücreye bir sinyalin varlığından bilgi verir. Reseptör yapısında meydana gelen değişiklikler hücresel “farkındalık” sağlar. "Aktive edilmiş" yapısında, sinyal alıcı bir reseptör, spesifik bir fonksiyon üreten efektör proteine veya aracı işlemci proteinine bağlanabilir. Reseptör proteinleri orijinal "aktif olmayan" konformasyonlarına geri döner ve sinyal kesildiğinde diğer proteinlerden ayrılır.
Efektör protein ailesi “çıkış” cihazlarını temsil eder. Üç farklı efektör tipi vardır; taşıma proteinleri, enzimler ve hücre iskeleti proteinleri. Geniş kanal ailesini içeren taşıyıcılar, molekülleri ve bilgiyi membran bariyerinin bir tarafından diğer tarafına taşımaya yarar. Enzimler metabolik sentez ve yıkımdan sorumludur. Hücre iskeleti proteinleri hücrelerin şeklini ve hareketliliğini düzenler.
Efektör proteinler genellikle iki yapıya sahiptir: proteinin işlevini ifade ettiği aktif bir konfigürasyon; ve proteinin aktif olmadığı bir "dinlenme" yapısı. Örneğin, aktif konformasyonundaki bir kanal proteini, içinden spesifik iyonların veya moleküllerin membran bariyerini geçtiği açık bir gözeneğe sahiptir. Aktif olmayan bir konformasyona geri dönerken, proteinin yeniden katlanması iletken kanalı daraltır ve iyonların veya moleküllerin akışı durur.
Tüm parçaları bir araya getirdiğimizde, hücrenin "beyninin" bilgiyi nasıl işlediğine ve davranışı nasıl ortaya çıkardığına dair içgörü sağlıyoruz. Bir hücrenin ortamındaki sayısız moleküler ve yayılan enerji sinyalleri, sanal bir bilgi kakofonisi yaratır. Biyolojik Fourier dönüşümüne benzeyen bir şekilde, bireysel yüzey reseptörleri (Şekil H) görünüşte kaotik ortamı algılar ve belirli frekansları davranışsal sinyaller olarak filtreler. Bir rezonans sinyalinin alınması (Şekil I, ok), reseptörün sitoplazmik kısmında konformasyonel bir değişikliğe neden olur (Şekil I, ok ucu). Bu konformasyonel değişiklik, reseptörün spesifik bir efektör IMP ile kompleks oluşturmasını sağlar (Şekil J, bu durumda bir kanal IMP). Reseptör proteininin bağlanması (Şekil K), efektör proteinde konformasyonel bir değişikliğe yol açar (Şekil L, kanal açılır). Aktive edilmiş reseptörler, enzim yollarını açabilir, yapısal yeniden düzenlemeyi ve hareketliliği tetikleyebilir veya benzersiz şekilde darbeli elektrik sinyallerinin ve iyonların membran boyunca taşınmasını aktive edebilir.
İşlemci proteinleri, sinyal sisteminin çok yönlülüğünü artırabilmeleri nedeniyle "çoklamalı" cihazlar olarak görev yapar. Bu tür proteinler reseptörlerle efektör proteinler arasında arayüz oluşturur (Şekil M'de P). İşlemci proteini bağlantısını "programlayarak" çeşitli girdiler, çeşitli çıktılara bağlanabilir. İşlemci proteinleri, sınırlı sayıda IMP kullanarak geniş bir davranış repertuvarı sağlar.
Efektör IMP'ler reseptör aracılı çevresel sinyalleri biyolojik davranışa dönüştürür. Bazı efektör proteinlerin çıktı fonksiyonu, ortaya çıkan davranışın tamamını temsil edebilir. Ancak çoğu durumda efektör IMP'lerin çıktısı aslında hücreye nüfuz eden ve diğer sitoplazmik protein yollarının davranışını aktive eden ikincil bir "sinyal" görevi görür. Aktive edilmiş efektör proteinler aynı zamanda gen ekspresyonunu ortaya çıkaran sinyaller olan transkripsiyon faktörleri olarak da görev yapar.
Hücrenin davranışı, birleştirilmiş reseptörlerin ve efektör IMP'lerin birleşik eylemleriyle kontrol edilir. Reseptörler “çevre farkındalığını” sağlar ve efektör proteinler bu farkındalığı “fiziksel duyuma” dönüştürür. Kesin tanım gereği, bir reseptör-efektör kompleksi, temel bir algı birimini temsil eder. Protein algılama birimleri biyolojik bilincin temelini oluşturur. Algılar hücre davranışını "kontrol eder", ancak gerçekte hücre aslında inançlar tarafından "kontrol edilir" çünkü algılar her zaman doğru olmayabilir.
Hücre zarı organik bir bilgi işlemcisidir. Çevreyi algılar ve bu farkındalığı protein yollarının aktivitesini etkileyebilecek ve genlerin ifadesini kontrol edebilecek “bilgiye” dönüştürür. Membran yapısının ve fonksiyonunun açıklaması şu şekildedir: (A) fosfolipit moleküllerinin organizasyonuna dayalı olarak, zar bir sıvı kristaldir; B) IMP efektör proteinleri tarafından hidrofobik bariyer boyunca bilginin düzenli şekilde taşınması, zarı bir yarı iletken haline getirir; ve © zar, kapılar (reseptörler) ve kanallar olarak işlev gören IMP'lerle donatılmıştır. Kapıları ve kanalları olan bir sıvı kristal yarı iletken olan membran, bir bilgi işlem transistörü, yani organik bir bilgisayar çipidir.
Her reseptör-efektör kompleksi, tek bir algı birimi olan biyolojik bir BIT'i temsil eder. Her ne kadar bu hipotez ilk kez 1986'da resmi olarak sunulmuş olsa da (Lipton 1986, Temiz Enerji Haber Bülteni 5:4 için Gezegen Derneği), o zamandan bu yana konsept teknolojik olarak doğrulanmıştır. Cornell ve diğerleri (Nature 1997, 387:580-584), bir zarı altın folyo alt tabakaya bağladılar. Membran ve folyo arasındaki elektrolitleri kontrol ederek, reseptör tarafından etkinleştirilen kanalların açılıp kapanmasını dijitalleştirmeyi başardılar. Hücre ve çip homolog yapılardır.
Hücre, çevreyi okuyan karbon bazlı bir “bilgisayar çipidir”. Onun “klavyesi” alıcılardan oluşur. Çevresel bilgiler protein “anahtarları” aracılığıyla girilir. Veriler efektör proteinler tarafından biyolojik davranışa dönüştürülür. IMP BIT'ler hücre fonksiyonlarını ve gen ifadesini düzenleyen anahtarlar olarak görev yapar. Çekirdek, DNA kodlu yazılıma sahip bir “sabit diski” temsil eder. Moleküler biyolojideki son gelişmeler, bu sabit sürücünün okuma/yazma doğasını vurgulamaktadır.
İlginç bir şekilde, zarın kalınlığı (yaklaşık 7.5 nm), fosfolipid çift katmanının boyutlarıyla sabitlenir. Membran IMP'leri yaklaşık 6-8 nm çapında olduğundan membranda yalnızca tek tabaka oluşturabilirler. IMP birimleri üst üste istiflenemez, daha fazla algı biriminin eklenmesi membran yüzey alanının artışıyla doğrudan bağlantılıdır. Bu anlayışa göre, evrim, farkındalığın genişlemesi (yani daha fazla IMP'nin eklenmesi) en etkili biçimde fraktal geometri kullanılarak modellenecektir. Biyolojinin fraktal doğası, hücre hiyerarşisi, çok hücreli organizmalar (insan) ve çok hücreli organizma toplulukları (insan toplumu) arasında gözlemlenen yapısal ve işlevsel yinelemelerde gözlemlenebilir.
Hücre kontrol mekanizmalarına ilişkin bu yeni algı bizi genetik determinizmin sınırlamalarından kurtarıyor. Biyolojik davranış, programlanmış genetik otomatlar gibi davranmak yerine dinamik olarak çevreyle bağlantılıdır. Bu indirgemeci yaklaşım bireysel algı proteinlerinin mekanizmasını öne çıkarmış olsa da, işleme mekanizmasının anlaşılması biyolojik organizmaların bütünsel doğasını vurgulamaktadır. Hücrenin ifadesi, hem fiziksel hem de enerjisel olarak algılanan tüm çevresel uyaranların tanınmasını yansıtır. Sonuç olarak, “Enerji Tıbbının Kalbi” gerçekten zarın büyüsünde bulunabilir.