Передруковано з Bridges, 2001, том 12 (1): 5 ISSEEM
Хоча людина складається з понад п’ятдесяти трильйонів клітин, у нашому тілі немає фізіологічних функцій, які ще не існували в біології однієї ядерної (еукаріотичної) клітини. Одноклітинні організми, такі як амеба або парамецій, мають цитологічні еквіваленти травної системи, видільної системи, дихальної системи, опорно-рухового апарату, імунної системи, репродуктивної системи та серцево-судинної системи. У людини ці фізіологічні функції пов'язані з діяльністю певних органів. Ці ж фізіологічні процеси здійснюються в клітинах за допомогою зменшувальних систем органів, які називаються органелами.
Клітинне життя підтримується завдяки жорсткому регулюванню функцій фізіологічних систем клітини. Вираз передбачуваного поведінкового репертуару передбачає існування клітинної "нервової системи". Ця система реагує на подразники навколишнього середовища, викликаючи відповідні поведінкові реакції. Органела, яка координує регулювання та реакції клітини на її внутрішнє та зовнішнє середовище, представляла б цитоплазматичний еквівалент «мозку».
З часу розбиття генетичного коду на початку 1950-х рр. Клітинні біологи підтримували концепцію генетичного детермінізму, уявлення про те, що гени «контролюють» біологію. Практично всі гени клітини містяться в найбільшій органелі клітини - ядрі. Традиційна думка вважає ядро «командним центром» клітини. Таким чином, ядро буде представляти клітинний еквівалент "мозку".
Генетичний детермінізм судить про те, що експресія та доля організму в першу чергу "зумовлені" в його генетичному коді. Генетична основа експресії в організмі закріплена в біологічних науках як істина, що домовляється, - віра, згідно з якою ми формуємо своє посилання на здоров'я та хвороби. Звідси випливає думка, що сприйнятливість до певних хвороб або вираження аберрантної поведінки, як правило, пов’язані з генетичним походженням, а іноді і із спонтанними мутаціями. Більш того, більшість вчених також сприймає, що людський розум і свідомість «закодовані» в молекулах нервової системи. Це, у свою чергу, сприяє концепції, що поява свідомості відображає "привид у машині".
Примат ДНК у впливі та регулюванні біологічної поведінки та еволюції базується на необґрунтованому припущенні. Основна стаття HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) описує, як поняття, що стосуються генетичних "контролів" та "програм", спочатку задумувались як метафори, що допомагають визначити та направити шляхи досліджень. Широке повторення цієї переконливої гіпотези протягом п’ятдесяти років призвело до того, що „метафора моделі” стала „істиною механізму”, незважаючи на відсутність суттєвих підтверджуючих доказів. Оскільки припущення наголошує на генетичній програмі як на «верхній сходинці» на сходинах біологічного контролю, гени набули статусу збудників, викликаючи біологічну експресію та поведінку (наприклад, гени, що викликають рак, алкоголізм, навіть злочинність).
Уявлення про те, що ядро та його гени є “мозком” клітини, є нестійкою та нелогічною гіпотезою. Якщо мозок видалити від тварини, порушення фізіологічної інтеграції негайно призведе до загибелі організму. Якби ядро справді представляло мозок клітини, то видалення ядра призвело б до припинення функцій клітини та негайної загибелі клітини. Однак експериментально енуклейовані клітини можуть вижити протягом двох і більше місяців, не маючи генів, і все ж здатні здійснювати складні відповіді на стимулятори навколишнього середовища та цитоплазми (Lipton, et al., Differentiation 1991, 46: 117-133). Логіка виявляє, що ядро не може бути мозком клітини!
Дослідження клонованих клітин людини привели мене до усвідомлення того, що плазмолема клітини, яку зазвичай називають клітинною мембраною, являє собою "мозок" клітини. Клітинні мембрани, перші біологічні органели, що з’явилися в процесі еволюції, є єдиними органелами, спільними для кожного живого організму. Клітинні мембрани компартменталізують цитоплазму, відокремлюючи її від примх зовнішнього середовища. У своїй бар’єрній здатності мембрана дозволяє клітині підтримувати жорсткий «контроль» над цитоплазматичним середовищем, необхідність проведення біологічних реакцій. Клітинні мембрани настільки тонкі, що їх можна спостерігати лише за допомогою електронного мікроскопа. Отже, існування та загальне вираження мембранної структури було чітко встановлено лише близько 1950 року.
На електронних мікрофотографіях клітинна мембрана виглядає як нудно тонка (<10 нм), тришарова (чорно-біла-чорна) «шкіра», що огортає клітину. Основна структурна простота клітинної мембрани, однакова для всіх біологічних організмів, вразила клітинних біологів. Більшу частину останніх п’ятдесяти років мембрана сприймалася як «пасивний» напівпроникний бар’єр, схожий на дихаючу «поліетиленову плівку», функція якої полягала в тому, щоб просто містити цитоплазму.
Шаруватий вигляд мембрани відображає організацію її фосфоліпідних будівельних блоків. Ці молекули у формі льодяника є амфіпатичними, вони мають як глобулярну полярну фосфатну головку (рис. А), так і дві паличкоподібні неполярні ніжки (рис. В). Струшуючи в розчині, фосфоліпіди самостійно збираються в стабілізуючий кристалічний бішар (рисунок С).
Ліпідні ніжки, що містять серцевину мембрани, забезпечують гідрофобний бар’єр (рис. D), який відділяє цитоплазму від постійно мінливого зовнішнього середовища. Хоча цілісність цитоплазми підтримується пасивною бар’єрною функцією ліпідів, життєві процеси вимагають активного обміну метаболітами та інформацією між цитоплазмою та навколишнім середовищем. Фізіологічна активність плазмалеми опосередковується білками мембрани.
Кожен із приблизно 100,000 XNUMX різних білків, що забезпечують людський організм, складається з лінійного ланцюга пов'язаних амінокислот. "Ланцюги" зібрані з популяції двадцяти різних амінокислот. Унікальна структура та функції кожного білка визначаються конкретною послідовністю амінокислот, що складаються з його ланцюга. Синтезовані у вигляді лінійної нитки, амінокислотні ланцюги згодом складаються в унікальні тривимірні глобули. Остаточна конформація (форма) білка відображає баланс електричних зарядів серед складових амінокислот.
Тривимірна морфологія складених білків наділяє їх поверхні спеціально сформованими щілинами та кишенями. Молекули та іони, що мають додаткові фізичні форми та електричні заряди, зв’язуватимуться з поверхневими щілинами та кишенями білка із особливістю замка та ключа. Зв’язування іншої молекули змінює розподіл електричного заряду білка. У відповідь амінокислотний ланцюг білка спонтанно перекладеться, щоб збалансувати розподіл заряду. Повторне згортання змінює конформацію білка. Переходячи від однієї конформації до іншої, білок виражає рух. Клітина використовує конформаційні рухи білка для виконання фізіологічних функцій. Робота, породжена рухом білка, відповідає за "життя".
Ряд із двадцяти амінокислот, що складають ланцюг білка, є неполярними (гідрофобні, маслолюбні). Гідрофобні частини білків шукають стабільності, вставляючи себе в ліпідне ядро мембрани. Полярні (водолюбні) частини цих білків простягаються від однієї або обох поверхонь, покритих водою мембрани. Білки, вбудовані в мембрану, називаються цілісними мембранними білками (ІМП).
Мембранні ІМП можна функціонально поділити на два класи: рецептори та ефектори. Рецептори - це пристрої введення, які реагують на екологічні сигнали. Ефектори - це вихідні пристрої, які активують клітинні процеси. Сімейство процесорних білків, розташованих у цитоплазмі під мембраною, слугують для зв’язку рецепторів, що приймають сигнал, з ефекторами, що виробляють дію.
Рецептори - це молекулярні «антени», які розпізнають сигнали навколишнього середовища. Деякі рецепторні антени виходять всередину від цитоплазматичної поверхні мембрани. Ці рецептори "зчитують" внутрішнє середовище та забезпечують усвідомлення стану цитоплазми. Інші рецептори, що виходять із зовнішньої поверхні клітини, забезпечують усвідомлення зовнішніх сигналів навколишнього середовища.
Звичайні біомедичні науки вважають, що екологічна "інформація" може передаватися лише речовиною молекул (Science 1999, 284: 79-109). Згідно з цим поняттям, рецептори розпізнають лише «сигнали», які фізично доповнюють їх поверхневі особливості. Це матеріалістичне переконання зберігається, хоча було досить продемонстровано, що білкові рецептори реагують на частоту коливань. Через процес, відомий як електроконформаційне зчеплення (Tsong, Trends in Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), резонансні коливальні енергетичні поля можуть змінити баланс зарядів у білку. У гармонійному енергетичному полі рецептори змінять свою конформацію. Отже, мембранні рецептори реагують як на фізичну, так і на енергетичну інформацію про навколишнє середовище.
«Активована» конформація рецептора інформує клітину про існування сигналу. Зміни конформації рецепторів забезпечують клітинну «обізнаність». У своїй «активованій» конформації рецептор, що приймає сигнал, може зв'язуватися або з певним продукуючим функцію ефекторним білком, або з білком-посередником процесора. Білки-рецептори повертаються до початкової «неактивної» конформації та від’єднуються від інших білків, коли сигнал припиняється.
Родина ефекторних білків являє собою "вихідні" пристрої. Існує три різні типи ефекторів - транспортні білки, ферменти та білки цитоскелета. Транспортери, які включають велике сімейство каналів, служать для транспортування молекул та інформації з одного боку мембранного бар'єру на інший. Ферменти відповідають за метаболічний синтез і деградацію. Білки цитоскелета регулюють форму і рухливість клітин.
Ефекторні білки, як правило, мають дві конформації: активну конфігурацію, в якій білок виражає свою функцію; і «спокійну» конформацію, в якій білок неактивний. Наприклад, білок-канал у своїй активній конформації має відкриту пору, через яку специфічні іони або молекули перетинають мембранний бар'єр. Повертаючись до неактивної конформації, білкове повторне згортання звужує провідний канал і потік іонів або молекул припиняється.
Складаючи всі частини разом, ми отримуємо уявлення про те, як “мозок” клітини обробляє інформацію та викликає поведінку. Незліченна кількість молекулярних та променевих енергетичних сигналів у середовищі клітини створює віртуальну какофонію інформації. Подібно до біологічного перетворення Фур'є, окремі поверхневі рецептори (рис. Н) відчувають, мабуть, хаотичне середовище, і фільтрують певні частоти як поведінкові сигнали. Отримання резонансного сигналу (рис. I, стрілка) індукує конформаційну зміну цитоплазматичної частини рецептора (рис. I, головка стрілки). Ця конформаційна зміна дозволяє рецептору комплексувати із специфічним ефектором IMP (рис. J, у цьому випадку канальним IMP). Зв'язування рецепторного білка (рис. K), у свою чергу, викликає конформаційну зміну ефекторного білка (рис. L, канал відкривається). Активовані рецептори можуть включати ферментні шляхи, індукувати структурну перебудову та рухливість або активувати транспорт однозначно імпульсних електричних сигналів та іонів через мембрану.
Білки-процесори служать пристроями “мультиплексу”, оскільки вони можуть збільшити універсальність сигнальної системи. Такі білки взаємодіють між рецепторами та ефекторними білками (Р на малюнку М). Шляхом «програмування» зв’язку білків процесора, різноманітні входи можуть бути пов’язані з різними виходами. Білки-процесори забезпечують великий поведінковий репертуар із використанням обмеженої кількості ІМП.
Effector IMP перетворюють опосередковані рецепторами сигнали навколишнього середовища в біологічну поведінку. Вихідна функція деяких ефекторних білків може представляти всю ступінь викликаної поведінки. Однак у більшості випадків вихід ефекторних ІМП насправді служить вторинним "сигналом", який проникає в клітину і активує поведінку інших цитоплазматичних білкових шляхів. Активовані ефекторні білки також служать факторами транскрипції, сигналами, що викликають експресію генів.
Поведінка клітини контролюється спільними діями зчеплених рецепторів та ефекторних ІМП. Рецептори забезпечують "усвідомлення навколишнього середовища", а ефекторні білки перетворюють це усвідомлення у "фізичне відчуття". За суворим визначенням, рецепторно-ефекторний комплекс являє собою основну одиницю сприйняття. Одиниці сприйняття білка забезпечують основу біологічної свідомості. Сприйняття «контролюють» поведінку клітини, хоча насправді клітину насправді «контролюють» вірування, оскільки сприйняття не обов'язково може бути точним.
Клітинна мембрана є органічним процесором інформації. Він відчуває навколишнє середовище і перетворює це усвідомлення в "інформацію", яка може впливати на активність білкових шляхів і контролювати експресію генів. Опис будови та функції мембрани звучить наступним чином: (А) на основі організації її молекул фосфоліпідів мембрана являє собою рідкий кристал; Б) регульований транспорт інформації через гідрофобний бар’єр ефекторними білками IMP робить мембрану напівпровідником; і © мембрана наділена ІМП, які функціонують як ворота (рецептори) і канали. Як рідкокристалічний напівпровідник із затворами та каналами, мембрана є транзистором для обробки інформації, органічним комп’ютерним чіпом.
Кожен рецептор-ефекторний комплекс являє собою біологічний BIT, єдину одиницю сприйняття. Хоча ця гіпотеза була вперше офіційно представлена в 1986 році (Lipton 1986, Planetary Assoc. For Clean Energy Newsletter 5: 4), концепція з тих пір була технологічно перевірена. Корнелл та інші (Nature 1997, 387: 580-584), пов’язали мембрану з підкладкою із золотої фольги. Керуючи електролітами між мембраною та фольгою, вони змогли оцифрувати відкриття та закриття каналів, що активуються рецепторами. Клітина і чіп - це гомологічні структури.
Клітина - це “комп’ютерний чіп” на основі вуглецю, який зчитує середовище. Його «клавіатура» складається з рецепторів. Інформація про довкілля вводиться за допомогою білкових «ключів». Дані трансформуються в біологічну поведінку ефекторними білками. IMP BIT служать перемикачами, які регулюють функції клітин та експресію генів. Ядро являє собою "жорсткий диск" із програмним забезпеченням, кодованим ДНК. Останні досягнення молекулярної біології підкреслюють характер читання / запису цього жорсткого диска.
Цікаво, що товщина мембрани (близько 7.5 нм) фіксується розмірами фосфоліпідного бішару. Оскільки мембранні ІМП мають діаметр приблизно 6-8 нм, вони можуть утворювати в мембрані лише моношар. Одиниці ІМП не можуть складатись один на одного, додавання більшої кількості одиниць сприйняття безпосередньо пов'язане зі збільшенням площі поверхні мембрани. За цим розумінням, еволюція, розширення усвідомлення (тобто додавання більшої кількості ІМП) найбільш ефективно змоделюється за допомогою фрактальної геометрії. Фрактальний характер біології можна спостерігати в структурних та функціональних повтореннях, що спостерігаються серед ієрархії клітини, багатоклітинних організмів (людина) та спільнот багатоклітинних організмів (людське суспільство).
Це нове сприйняття механізмів контролю клітин звільняє нас від обмежень генетичного детермінізму. Замість того, щоб поводитися як запрограмовані генетичні автомати, біологічна поведінка динамічно пов’язана з навколишнім середовищем. Хоча цей редукціоністський підхід висвітлив механізм індивідуального сприйняття білків, розуміння механізму переробки підкреслює цілісну природу біологічних організмів. Вираз клітини відображає розпізнавання всіх сприйманих стимулів навколишнього середовища, як фізичних, так і енергетичних. Отже, «Серце енергетичної медицини» справді може бути знайдене в магії мембрани.