轉載自Bridges,2001 Vol 12(1):5 ISSEEM
儘管人類由超過XNUMX萬億個細胞組成,但是我們的身體中沒有任何生理功能尚未在單個有核(真核)細胞的生物學中預先存在。 單細胞生物,例如變形蟲或草履蟲,具有消化系統,排泄系統,呼吸系統,肌肉骨骼系統,免疫系統,生殖系統和心血管系統等細胞學上的等效物。 在人體中,這些生理功能與特定器官的活動有關。 這些相同的生理過程是通過稱為器官的微小器官系統在細胞中進行的。
通過嚴格調節細胞生理系統的功能來維持細胞生命。 可預測的行為表述表示存在細胞“神經系統”。 該系統通過引起適當的行為反應來對環境刺激作出反應。 協調細胞對其內部和外部環境的調節和反應的細胞器將代表“大腦”的細胞質等同物。
自從1950年代初遺傳密碼被打破以來,細胞生物學家一直青睞遺傳決定論的概念,即基因“控制”生物學的概念。 實際上,所有細胞的基因都包含在細胞最大的細胞器細胞核內。 傳統觀點認為細胞核是細胞的“指揮中心”。 這樣,細胞核將代表“大腦”的細胞等效物。
遺傳決定論推斷生物的表達和命運在其遺傳密碼中主要是“預定的”。 生物表達的遺傳基礎在生物科學中已根深蒂固,成為共識性的真理,這一信念使我們為健康和疾病提供參考。 因此,對某些疾病的易感性或異常行為的表達的觀念通常與遺傳譜係有關,有時與自發突變有關。 通過擴展,大多數科學家還認為,人類的思想和意識被“編碼”在神經系統的分子中。 反過來,這提倡了觀念的出現,即意識的出現反映了“機器中的鬼魂”。
DNA在影響和調節生物學行為和進化中的首要地位是基於一個沒有根據的假設。 HF Nijhout的一篇開創性的文章(BioEssays 1990,12(9):441-446)描述了遺傳“控制”和“程序”的概念最初是如何被喻為隱喻的,以幫助定義和指導研究途徑。 儘管缺乏實質性的支持證據,但這一令人信服的假設在五十多年內得到了廣泛的重複,導致“模型的隱喻”成為“機制的真相”。 由於該假設強調遺傳程序是生物控制階梯上的“頭號梯級”,因此基因在引發生物學表達和行為方面已獲得了病因的地位(例如,導致癌症,酗酒,甚至犯罪的基因)。
原子核及其基因是細胞的“大腦”的說法是站不住腳且不合邏輯的假設。 如果將大腦從動物身上移開,生理整合的破壞將立即導致生物體的死亡。 如果細胞核真正代表了細胞的大腦,那麼細胞核的去除將導致細胞功能的停止和立即的細胞死亡。 然而,實驗上去核的細胞可以在沒有基因的情況下存活兩個或更多個月,但是仍然能夠對環境和細胞質刺激產生復雜的反應(Lipton,et al。,Differentiation 1991,46:117-133)。 邏輯揭示了細胞核不可能是細胞的大腦!
對克隆的人類細胞的研究使我意識到,細胞的質膜障礙(通常稱為細胞膜)代表細胞的“大腦”。 細胞膜是進化中出現的第一個生物細胞器,是每個活生物體共有的唯一細胞器。 細胞膜將細胞質分隔開來,將其與外部環境的變幻莫測分離開來。 膜的屏障能力使細胞能夠對細胞質環境進行嚴格的“控制”,這是進行生物反應的必要條件。 細胞膜很薄,只能用電子顯微鏡觀察。 因此,直到1950年左右,膜結構的存在和普遍表達才得以明確。
在電子顯微照片中,細胞膜表現為包裹細胞的逐漸消失的薄(<10nm),三層(黑白色黑)“皮膚”。 誘使細胞生物學家相信,細胞膜的基本結構簡單性(對所有生物都是相同的)。 在最近五十年的大部分時間裡,該膜被認為是“被動的”半滲透性屏障,類似於透氣的“保鮮膜”,其功能是僅包含細胞質。
膜的分層外觀反映了其磷脂結構單元的組織。 這些棒棒糖狀分子是兩親性的,它們既具有球形的極性磷酸鹽頭(圖A),又具有兩個棒狀的非極性腿(圖B)。 當在溶液中振盪時,磷脂自組裝成穩定的結晶雙層(圖C)。
組成膜核心的脂質腿提供了疏水屏障(圖D),該屏障將細胞質與不斷變化的外部環境隔開。 脂質的被動屏障功能可維持細胞質完整性,而生命過程則需要在細胞質與周圍環境之間進行代謝產物和信息的主動交換。 質膜的生理活性是由膜的蛋白質介導的。
提供給人體的大約100,000種不同蛋白質中的每一種均由連接的氨基酸的線性鏈組成。 “鏈”由二十種不同氨基酸組成。 每種蛋白質的獨特結構和功能由構成其鏈的氨基酸的特定序列定義。 合成為線性串,氨基酸鏈隨後折疊成獨特的三維小球。 蛋白質的最終構象(形狀)反映了其組成氨基酸之間電荷的平衡。
折疊蛋白的三維形態賦予其表面特殊形狀的裂口和囊袋。 具有互補的物理形狀和電荷的分子和離子將以鎖定鍵的特異性結合到蛋白質的表面裂口和口袋。 另一個分子的結合會改變蛋白質的電荷分佈。 作為響應,蛋白質的氨基酸鏈將自發地重折疊以重新平衡電荷分佈。 重新折疊會改變蛋白質的構象。 在從一種構象轉變為另一種構象時,蛋白質表達運動。 細胞利用蛋白質的構象運動來執行生理功能。 蛋白質運動產生的工作負責“生命”。
構成蛋白質鏈的二十多個氨基酸中的許多是非極性的(疏水的,喜歡油的)。 蛋白質的疏水部分通過將自身插入膜的脂質核心中來尋求穩定性。 這些蛋白質的極性(憎水)部分從膜的水覆蓋表面中的一個或兩個延伸。 整合在膜內的蛋白質稱為整合膜蛋白質(IMP)。
膜IMPs在功能上可分為兩類:受體和效應子。 接收器是響應環境信號的輸入設備。 效應器是激活細胞過程的輸出設備。 位於膜下方細胞質中的一系列加工蛋白,可將信號接收受體與產生作用的效應子連接起來。
受體是識別環境信號的分子“天線”。 一些受體天線從膜的細胞質面向內延伸。 這些受體“讀取”內部環境並提供對細胞質狀況的認識。 從細胞外表面延伸出來的其他受體可以使人們了解外界環境信號。
常規的生物醫學科學認為,環境“信息”只能由分子物質攜帶(Science 1999,284:79-109)。 根據此概念,受體僅識別在物理上補充其表面特徵的“信號”。 即使已經充分證明蛋白質受體對振動頻率有反應,這種物質主義信念仍然得以維持。 通過稱為電構象偶聯的過程(Tsong,Trends in Biochem。Sci。1989,14:89-92),共振振動能場可以改變蛋白質中電荷的平衡。 在諧波能量場中,受體會改變其構象。 因此,膜受體對物理和充滿活力的環境信息都做出響應。
受體的“激活”構象通知細胞信號的存在。 受體構象的改變提供了細胞的“意識”。 在其“激活的”構象中,信號接收受體可以與產生特定功能的效應蛋白或中介加工蛋白結合。 信號終止時,受體蛋白質恢復其原始的“非活性”構象並與其他蛋白質分離。
效應蛋白家族代表“輸出”裝置。 有三種不同類型的效應子,轉運蛋白,酶和細胞骨架蛋白。 轉運蛋白(包括廣泛的通道家族)用於將分子和信息從膜屏障的一側轉運到另一側。 酶負責代謝合成和降解。 細胞骨架蛋白調節細胞的形狀和運動。
效應蛋白通常具有兩種構象:一種蛋白質可以表達其功能的活性構型;一種是蛋白質。 和“靜止”構象,其中蛋白質是無活性的。 例如,處於其主動構象的通道蛋白具有一個開放的孔,特定的離子或分子穿過該孔穿過膜屏障。 恢復為非活性構象後,蛋白質的重新折疊會收縮傳導通道,並且離子或分子的流動會停止。
將所有部分放在一起,我們可以洞悉細胞的“大腦”如何處理信息並引發行為。 細胞環境中無數的分子和輻射能信號會產生虛擬的信息雜音。 以類似於生物學傅立葉變換的方式,各個表面受體(圖H)感知表面上混亂的環境,並濾除特定頻率作為行為信號。 共振信號的接收(圖I,箭頭)在受體的細胞質部分誘導構象變化(圖I,箭頭)。 這種構象變化使受體能夠與特定的效應物IMP形成複合物(圖J,在這種情況下為通道IMP)。 受體蛋白的結合(圖K)反過來引起效應蛋白的構象變化(圖L,通道打開)。 活化的受體可以開啟酶途徑,誘導結構重組和運動,或激活跨膜的獨特脈衝電信號和離子的運輸。
處理器蛋白可以充當“多重”設備,因為它們可以增加信號系統的多功能性。 這樣的蛋白使受體與效應蛋白接觸(圖M中的P)。 通過“編程”處理器蛋白偶聯,可以將各種輸入與各種輸出鏈接起來。 加工蛋白使用有限數量的IMP提供大量的行為庫。
效應器IMPs將受體介導的環境信號轉化為生物學行為。 一些效應蛋白的輸出功能可能代表了所引發行為的全部範圍。 但是,在大多數情況下,效應物IMP的輸出實際上是一個次要的“信號”,它可以穿透細胞並激活其他細胞質蛋白途徑的行為。 激活的效應蛋白也可作為轉錄因子,即引發基因表達的信號。
細胞的行為由偶聯的受體和效應物IMP的聯合作用控制。 受體提供“環境意識”,效應蛋白將這種意識轉化為“物理感覺”。 根據嚴格的定義,受體效應複合物代表感知的基本單位。 蛋白質感知單元提供了生物學意識的基礎。 感知“控制”細胞行為,儘管實際上,細胞實際上是受信念“控制”的,因為感知不一定是準確的。
細胞膜是有機信息處理器。 它可以感知環境並將其意識轉化為“信息”,從而影響蛋白質途徑的活性並控制基因的表達。 對膜的結構和功能的描述如下:(A)基於其磷脂分子的組織,膜是液晶; B)IMP效應子蛋白通過疏水性屏障對信息的調節運輸使該膜成為半導體; 膜被賦予了IMP,它們可以用作門(受體)和通道。 膜是具有柵極和溝道的液晶半導體,是一種信息處理晶體管,一種有機計算機芯片。
每個受體效應複合物代表一個生物的BIT,一個感知單元。 儘管此假設於1986年首次正式提出(Lipton 1986,《清潔能源通訊的行星協會》 5:4),但此概念已在技術上得到驗證。 康奈爾(Cornell)等人(Nature 1997,387:580-584)將膜連接到金箔基底上。 通過控制膜和箔之間的電解質,它們能夠數字化受體激活通道的打開和關閉。 細胞和芯片是同源結構。
該單元是一種基於碳的“計算機芯片”,可讀取環境。 它的“鍵盤”由接收器組成。 通過其蛋白質“鍵”輸入環境信息。 數據通過效應蛋白轉化為生物學行為。 IMP BIT充當調節細胞功能和基因表達的開關。 核代表具有DNA編碼軟件的“硬盤”。 分子生物學的最新進展強調了該硬盤的讀/寫特性。
有趣的是,膜的厚度(約7.5 nm)由磷脂雙層的尺寸決定。 由於膜IMP的直徑約為6-8 nm,因此它們只能在膜中形成單層膜.IMP單元不能彼此堆疊,因此添加更多的感知單元與膜表面積的增加直接相關。 通過這種理解,進化,意識的擴展(即添加更多的IMP)將最有效地使用分形幾何模型進行建模。 生物學的分形性質可以在細胞,多細胞生物(人)和多細胞生物群落(人類社會)的層次結構中觀察到的結構和功能重複中觀察到。
這種對細胞控制機制的新認識使我們擺脫了遺傳決定論的局限。 生物學行為不是像程序化的遺傳自動機那樣,而是動態地與環境聯繫在一起的。 儘管這種還原論方法強調了個體感知蛋白的機制,但對加工機制的理解卻強調了生物體的整體性。 細胞的表達反映了對所有感知到的環境刺激的認識,包括物理的和能量的。 因此,“能量醫學的心臟”可能真正地存在於膜的魔力中。