转载自Bridges,2001 Vol 12(1):5 ISSEEM
尽管人类由超过XNUMX万亿个细胞组成,但是我们的身体中没有任何生理功能尚未在单个有核(真核)细胞的生物学中预先存在。 单细胞生物,例如变形虫或草履虫,具有消化系统,排泄系统,呼吸系统,肌肉骨骼系统,免疫系统,生殖系统和心血管系统等细胞学上的等效物。 在人体中,这些生理功能与特定器官的活动有关。 这些相同的生理过程是通过称为器官的微小器官系统在细胞中进行的。
通过严格调节细胞生理系统的功能来维持细胞生命。 可预测的行为表述表示存在细胞“神经系统”。 该系统通过引起适当的行为反应来对环境刺激作出反应。 协调细胞对其内部和外部环境的调节和反应的细胞器将代表“大脑”的细胞质等同物。
自从1950年代初遗传密码被打破以来,细胞生物学家一直青睐遗传决定论的概念,即基因“控制”生物学的概念。 实际上,所有细胞的基因都包含在细胞最大的细胞器细胞核内。 传统观点认为细胞核是细胞的“指挥中心”。 这样,核将代表“大脑”的细胞等效物。
遗传决定论推断生物的表达和命运在其遗传密码中主要是“预定的”。 生物表达的遗传基础已在生物科学中根深蒂固,成为共识性的真理,这一信念使我们可以为健康和疾病提供参考。 因此,对某些疾病的易感性或异常行为的表达的观念通常与遗传谱系有关,有时与自发突变有关。 通过扩展,大多数科学家还认为,人类的思想和意识被“编码”在神经系统的分子中。 反过来,这提倡了观念的出现,即意识的出现反映了“机器中的鬼魂”。
DNA在影响和调节生物学行为和进化中的首要地位是基于一个没有根据的假设。 HF Nijhout的一篇开创性的文章(BioEssays 1990,12(9):441-446)描述了遗传“控制”和“程序”的概念最初是如何被喻为隐喻的,以帮助定义和指导研究途径。 尽管缺乏实质性的支持证据,但这一令人信服的假设在五十多年内得到了广泛的重复,导致“模型的隐喻”成为“机制的真相”。 由于该假设强调遗传程序是生物控制阶梯上的“头号梯级”,因此基因在引发生物学表达和行为方面已获得了病因的地位(例如,导致癌症,酗酒,甚至犯罪的基因)。
原子核及其基因是细胞的“大脑”的说法是站不住脚且不合逻辑的假设。 如果将大脑从动物身上移开,生理整合的破坏将立即导致生物体的死亡。 如果细胞核真正代表了细胞的大脑,那么细胞核的去除将导致细胞功能的停止和立即的细胞死亡。 然而,实验上去核的细胞可以在没有基因的情况下存活两个或更多个月,但是仍然能够对环境和细胞质刺激产生复杂的反应(Lipton,et al。,Differentiation 1991,46:117-133)。 逻辑揭示了细胞核不可能是细胞的大脑!
对克隆的人类细胞的研究使我意识到,细胞的质膜障碍(通常称为细胞膜)代表细胞的“大脑”。 细胞膜是进化中出现的第一个生物细胞器,是每个活生物体共有的唯一细胞器。 细胞膜将细胞质分隔开来,将其与外部环境的变幻莫测分离开来。 膜的屏障能力使细胞能够对细胞质环境进行严格的“控制”,这是进行生物反应的必要条件。 细胞膜很薄,只能用电子显微镜观察。 因此,直到1950年左右,膜结构的存在和普遍表达才得以明确。
在电子显微照片中,细胞膜表现为包裹细胞的逐渐消失的薄(<10nm),三层(黑白色黑)“皮肤”。 诱使细胞生物学家相信,细胞膜的基本结构简单性(对所有生物都是相同的)。 在最近五十年的大部分时间里,该膜被认为是“被动的”半渗透性屏障,类似于透气的“保鲜膜”,其功能是仅包含细胞质。
膜的分层外观反映了其磷脂结构单元的组织。 这些棒棒糖状分子是两亲性的,它们既具有球形的极性磷酸盐头(图A),又具有两个棒状的非极性腿(图B)。 当在溶液中振荡时,磷脂自组装成稳定的结晶双层(图C)。
组成膜核心的脂质腿提供了疏水屏障(图D),该屏障将细胞质与不断变化的外部环境隔开。 脂质的被动屏障功能可维持细胞质完整性,而生命过程则需要在细胞质与周围环境之间进行代谢产物和信息的主动交换。 质膜的生理活性是由膜的蛋白质介导的。
提供给人体的大约100,000种不同蛋白质中的每一种均由连接的氨基酸的线性链组成。 “链”由二十种不同氨基酸组成。 每种蛋白质的独特结构和功能由构成其链的氨基酸的特定序列定义。 合成为线性串,氨基酸链随后折叠成独特的三维小球。 蛋白质的最终构象(形状)反映了其组成氨基酸之间的电荷平衡。
折叠蛋白的三维形态赋予其表面特殊形状的裂口和囊袋。 具有互补的物理形状和电荷的分子和离子将以锁定键的特异性结合到蛋白质的表面裂缝和口袋上。 另一个分子的结合会改变蛋白质的电荷分布。 作为响应,蛋白质的氨基酸链会自发地重折叠以重新平衡电荷分布。 重新折叠会改变蛋白质的构象。 在从一种构象转变为另一种构象时,蛋白质表达运动。 细胞利用蛋白质的构象运动来执行生理功能。 蛋白质运动产生的工作负责“生命”。
构成蛋白质链的二十多个氨基酸中的许多是非极性的(疏水的,喜欢油的)。 蛋白质的疏水部分通过将自身插入膜的脂质核心中来寻求稳定性。 这些蛋白质的极性(憎水)部分从膜的水覆盖表面中的一个或两个延伸。 结合在膜内的蛋白质称为整合膜蛋白质(IMP)。
膜IMPs在功能上可分为两类:受体和效应子。 接收器是响应环境信号的输入设备。 效应器是激活细胞过程的输出设备。 位于膜下方细胞质中的一系列加工蛋白,可将信号接收受体与产生作用的效应子连接起来。
受体是识别环境信号的分子“天线”。 一些受体天线从膜的细胞质面向内延伸。 这些受体“读取”内部环境并提供对细胞质状况的认识。 从细胞外表面延伸出来的其他受体可以使人们了解外部环境信号。
常规的生物医学科学认为,环境“信息”只能由分子物质携带(Science 1999,284:79-109)。 根据此概念,受体仅识别在物理上补充其表面特征的“信号”。 即使已经充分证明蛋白质受体对振动频率有反应,这种物质主义信念仍然得以维持。 通过称为电构象偶联的过程(Tsong,Trends in Biochem。Sci。1989,14:89-92),共振振动能场可以改变蛋白质中电荷的平衡。 在谐波能量场中,受体会改变其构象。 因此,膜受体对物理和充满活力的环境信息都做出响应。
受体的“激活”构象通知细胞信号的存在。 受体构象的改变提供了细胞的“意识”。 在其“激活的”构象中,信号接收受体可以与产生特定功能的效应蛋白或中介加工蛋白结合。 信号终止时,受体蛋白质恢复其原始的“非活性”构象并与其他蛋白质分离。
效应蛋白家族代表“输出”装置。 有三种不同类型的效应子,转运蛋白,酶和细胞骨架蛋白。 转运蛋白(包括广泛的通道家族)用于将分子和信息从膜屏障的一侧转运到另一侧。 酶负责代谢合成和降解。 细胞骨架蛋白调节细胞的形状和运动。
效应子蛋白通常具有两个构象:一种活性构型,在该构型中该蛋白表达其功能。 和“静止”构象,其中蛋白质是无活性的。 例如,处于其主动构象的通道蛋白具有一个开放的孔,特定的离子或分子穿过该孔穿过膜屏障。 恢复为非活性构象后,蛋白质的重新折叠会收缩传导通道,并且离子或分子的流动会停止。
将所有部分放在一起,我们可以洞悉细胞的“大脑”如何处理信息并引发行为。 细胞环境中无数的分子和辐射能信号会产生虚拟的信息杂音。 以类似于生物学傅立叶变换的方式,各个表面受体(图H)感知表面上混乱的环境,并滤除特定频率作为行为信号。 共振信号的接收(图I,箭头)在受体的细胞质部分诱导构象变化(图I,箭头)。 这种构象变化使受体能够与特定的效应物IMP形成复合物(图J,在这种情况下为通道IMP)。 受体蛋白(图K)的结合反过来引起效应蛋白的构象变化(图L,通道打开)。 激活的受体可以开启酶途径,诱导结构重组和运动,或激活跨膜的独特脉冲电信号和离子的运输。
处理器蛋白可以充当“多重”设备,因为它们可以增加信号系统的多功能性。 这样的蛋白使受体与效应蛋白接触(图M中的P)。 通过“编程”处理器蛋白偶联,可以将各种输入与各种输出链接起来。 加工蛋白使用有限数量的IMP提供大量的行为库。
效应器IMPs将受体介导的环境信号转化为生物学行为。 一些效应蛋白的输出功能可能代表了所引发行为的全部范围。 但是,在大多数情况下,效应物IMP的输出实际上是一个次要的“信号”,它可以穿透细胞并激活其他细胞质蛋白途径的行为。 激活的效应蛋白也可作为转录因子,即引发基因表达的信号。
细胞的行为由偶联的受体和效应物IMP的联合作用控制。 受体提供“环境意识”,效应蛋白将这种意识转化为“物理感觉”。 根据严格的定义,受体效应复合物代表感知的基本单位。 蛋白质感知单元提供了生物学意识的基础。 感知“控制”细胞行为,尽管实际上,细胞实际上是受信念“控制”的,因为感知不一定是准确的。
细胞膜是有机信息处理器。 它可以感知环境并将其意识转化为“信息”,从而影响蛋白质途径的活性并控制基因的表达。 对膜的结构和功能的描述如下:(A)基于其磷脂分子的组织,膜是液晶; B)IMP效应子蛋白通过疏水性屏障对信息的调节运输使该膜成为半导体; 膜被赋予了IMP,它们可以用作门(受体)和通道。 膜是具有栅极和沟道的液晶半导体,是一种信息处理晶体管,一种有机计算机芯片。
每个受体效应复合物代表一个生物的BIT,一个感知单元。 尽管此假设于1986年首次正式提出(Lipton 1986,《清洁能源通讯的行星协会》 5:4),但此概念已在技术上得到验证。 康奈尔(Cornell)等人(Nature 1997,387:580-584)将膜连接到金箔基底上。 通过控制膜和箔之间的电解质,它们能够数字化受体激活通道的打开和关闭。 细胞和芯片是同源结构。
该单元是一种基于碳的“计算机芯片”,可读取环境。 它的“键盘”由接收器组成。 通过其蛋白质“键”输入环境信息。 数据通过效应蛋白转化为生物学行为。 IMP BIT充当调节细胞功能和基因表达的开关。 核代表具有DNA编码软件的“硬盘”。 分子生物学的最新进展强调了该硬盘的读/写特性。
有趣的是,膜的厚度(约7.5 nm)由磷脂双层的尺寸决定。 由于膜IMP的直径约为6-8 nm,因此它们只能在膜中形成单层膜.IMP单元不能彼此堆叠,因此添加更多的感知单元与膜表面积的增加直接相关。 通过这种理解,进化,意识的扩展(即添加更多的IMP)将最有效地使用分形几何来建模。 生物学的分形性质可以在细胞,多细胞生物(人)和多细胞生物群落(人类社会)的层次结构中观察到的结构和功能重复中观察到。
这种对细胞控制机制的新认识使我们摆脱了遗传决定论的局限。 生物学行为不是像程序化的遗传自动机那样,而是动态地与环境联系在一起的。 尽管这种还原论方法强调了个体感知蛋白的机制,但对加工机制的理解却强调了生物体的整体性。 细胞的表达反映了对所有感知到的物理和能量环境刺激的识别。 因此,“能量医学的心脏”可能真正地存在于膜的魔力中。