NPU：究極の生命単位③AIH概要:ナノ原形質の構造
続編
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Ling, G. (2007). Nano-protoplasm: The ultimate unit of life. Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR, 39(2), 111–234. https://gilbertling.org/pdf/PCP39-2_ling.pdf
2. 会合誘導仮説
会合誘導仮説という統一理論は50年以上前、リンの「固定電荷 仮説」の名でその胎動を始めた。13年後の1965年に「細胞水の分極配向多層理論 (POM)」が追加されて完成に至る。だがこの理論の核心部分については1962年出版の「生命状態の物理理論：会合誘導仮説 」[1]にて語られている。
[1]Ling, G. (1962). A Physical Theory of the Living State: The Association-Induction Hypothesis (G. Paul R, Ed.). Blaisdell Publishing Co.
生理学の修士/博士号に統計力学は不要だが、AIHの理解には初歩的な統計力学が不可欠である。1962年出版の拙著の第一章は(会合/解離現象の)統計力学に紙面を割いている。この章の末尾には統計力学の教科書となる3冊を推薦している。ガウニー (1949)[2]、ラッシュブルック (1949)[3]、最後にフォウラー &グッゲンハイム (1939)[4]である。この物理学領域の訓練を受けていない生物学者向けにR.ガウニーの『統計力学入門』が昔も今も強く推奨される。
[2]Gurney, R. W. (1949). Introduction To Statistical Mechanics.
[3]Rushbrooke G. S. (1949). Introduction To Statistical Mechanics.
[4]Fowler R. H., & Guggenheim E. A. (1939). Statistical thermodynamics ： Version of statistical mechanics for students of physics and chemistry. University press;
2.1. ナノプロトプラズム(NP)：全ての生物質の基本単位
デュジャルダンが自身のSarcodeをこう記している[5]。
「観察者達が"生きるゼリー"と呼ぶこれは水に不溶の半透明なゲル状の物質であり、球状の塊へと収縮し、解剖針に吸い付き、また粘液の如く引き伸ばされ、こうしたものが他の構成要素に挟まれる形で凡有る下等動物に見受けられる。 」
これは原生生物の大部分を占める物質の巨視的性質の特徴である。彼もモウルもシュルツェもハクスリーも、これ以上の説明には及んでいない。だがこのような特徴の物質を生命の物理的基礎とするのは問題である。例えば細胞核に「Sarcode」や「Protoplasm」との類似性はない。Protoplasmでなければ細胞核は物理的基礎の一部でもないのだろうか？ではそれは何か？こうした一見解決不可能な問題もAIHは簡単に解決する。
2.1.1. 二種類の原形質：①マクロ 原形質②ミクロ 原形質
原形質には二種類ある。マクロ原形質とミクロ原形質である。前者にはシュルツェやハクスリーがそう呼んだものに加え、細胞核や細胞膜、その他、彼らが含めなかった(存在を知らなかった)様々な細胞性構造物の成分も含む。
細胞がより高次元の物理的基礎である通り、マクロ原形質もまた高次元に於ける物理的基礎であることに変わりない。マクロ原形質や生細胞の全てに類似性があるわけではなく、それは外見に類似性がなくとも男女はどちらも人間であることと同様である。外見は人間を特徴付ける一部に過ぎない。男女の共通点はより深い部分にある。凡有るマクロ原形質も生細胞と同様、より深い基本的次元に共通点がある。
深層かつ基本的な次元の「何か」はミクロ原形質に備わる。嘗て私はミクロ原形質を「生物学的固定電荷システム 」[6]「基礎的有機的機械 」[7]と呼んだ。現在はまた名称を新たにしている。「ナノ原形質 」、略してNPである。
[6]Ling, 1962; p. 53
[7]Ling, G.N. (2001). Life at the Cell and Below-Cell Level -The Hidden History of a Fundamental revolution in Biology. Pacific Press.
2.1.2 NPUの代表例
NPの代表例として哺乳類の成熟赤血球から始めよう(図1)。まず哺乳類の成熟赤血球には核がない。この欠落のお陰でここでの説明をシンプルにできる。赤血球はシュルツェが云う有核原形質ではないが、原形質の塊ではある。だが成熟赤血球に備わる魅力的なシンプルさは核の不在に止まらない。
赤血球の重量の内、最大65％は水分である。残り35％の乾燥物質の内、97％はタンパク質が一種類…ヘモグロビンで構成される。この点でも異次元のシンプルさである。赤血球の構成成分の残り1％には、新鮮な細胞1kgあたり約100mmolのカリウムイオン(K⁺)に、極微量のアデノシン三リン酸(ATP)や2，3-ジホスホグリセリン酸(2,3-DPG)など、エネルギー代謝による有機的生成物がある[9]。
シンプルな特徴のその第三は、成熟赤血球には内部に可視的な構造物が存在しないことである。電子顕微鏡でも細胞内部全体が図1の通りに一見して均質である。そして第四の特徴は、その安定性である[10]。哺乳類の成熟赤血球は、ヘモグロビンを放出せずに微細な断片へと機械的な分裂が可能である。
[8]Edelmann, L. (2002). Freeze-dried and resin-embedded biological material is well suited for ultrastructure research. Journal of Microscopy, 207(Pt 1), 5–26.; Fig.7B; https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.2002.01033.x
[9]Ponder, E. (1948). Hemolysis and Related Phenomena. Grune & Stratton.; p. 119
[10]Best, C. H., & Taylor, N. B. (1979). Physiological basis of medical practice; a University of Toronto text in applied physiology (3rd ed.). Baltimore : Williams & Wilkins Co.
以上の赤血球に備わる魅力的な性質を利用して想像上のナイフで細かく切り刻むと、最終的にヘモグロビン1分子が残る。また、断片の一つ一つに7,000の水分子、20のK⁺、ATPや2,3-DPGが1分子ずつ含まれており、そのすべてが直接ないし間接的にヘモグロビン1分子と結合している。それと同時に、これらは赤血球細胞質のNP隊 を構成している。飛び交う鵞鳥の群れや、戦時中の軍の部隊 のように、ダイナミック な構造をしている。個々の要素が入れ替わることはあれど、その全体的な組成式：
(Hb)₁ (H₂O)₇₀₀₀ (K⁺)₂₀ (ATP)₁
…は概ね一定である。次節では、全てのNPのより一般的な式を示す。
さて、哺乳類成熟赤血球の重量の内、34％はヘモグロビンである。つまり、赤血球1L当たりこのタンパク質が340g存在する。340をその分子量68,000ダールトンで割ると、赤血球1Lのヘモグロビンの濃度は5mMである。NPの各隊にはヘモグロビン1分子がいる以上、赤血球1L当たりのNPUの濃度もまた5mMである。NPの各隊が球状に纏まると仮定すれば、その直径は8.6nmとなる。このサイズはNPが生命の最小単位であることの証左である。
図2(処女作(1962)から転載)は、凡有る生細胞の化学組成が赤血球に類似することを示している。一貫して水が最も豊富であり、次にタンパク質、イオンや雑多な微小分子(※"灰成分 ")となる(※図では灰成分は10倍されている)。
左の薄い灰色の縦棒：タンパク質
真中の白の縦棒：水
右の黒の縦棒：灰成分(%×10)
ウイルス/バクテリア/真菌/高等植物のデータは[11]
人間のデータは[12]
[11]William S. Spector. (1956). Handbook of Biological Data. Saunders.
[12]Mitchell, H. H., Hamilton, T. S., Steggerda, F. R., & Bean, H. W. (1945). The chemical composition of the adult human body and its bearing on the biochemistry of growth. Journal of Biological Chemistry, 158(3), 625–637. https://doi.org/10.1016/S0021-9258(19)51339-4
図3(同著)は、生細胞を構成するタンパク質の類似性を表している。生理学的活性な(シルクフィブロインやエラスチン等の支持タンパク質とは対照の)タンパク質には2種類の三重機能性アミノ酸残基 が高濃度に含まれている。
(i)アスパラギン酸とグルタミン酸残基
：タンパク質分子に組み込まれると、それぞれβカルボキシル基とγカルボキシル基の形でタンパク質に負の(固定)電荷や固定アニオンを与える
(ii)リジンとアルギニン(＋ヒスチジン)残基
：タンパク質分子に組み込まれると、それぞれεアミノ基やグアニジル基の形で正の(固定)電荷や固定カチオンを与える。
固定アニオンおよびカチオンの含有量は生理学的活性のヘモグロビンも例外ではなく、そのアミノ酸残基の11％は固定アニオン、またほぼ同じ割合(10％)の固定カチオンを持つ[13]。
[13]Dayhoff, M. B. O. (1972). Atlas of Protein Sequence and Structure (Vol. 5.). National Biomedical Research Foundation. ;p. D-61, D-72.)
先述の通り各NPUは(赤血球細胞質のように)その固有の原形質に特徴的なタンパク質1分子を含む。複雑な原形質の場合、各NPUに2つ以上の種類と個数のタンパク質分子がある。その場合、赤血球NPUでの(Hb)₁の部分が($${A_lB_mC_n ....Z_1}$$)に置換する。A, B, C...Zは別々のタンパク質成分、添字のl, m, n…は正の整数となるが、末尾のタンパク質成分Zは常に1 となる。水やK⁺等の個数の最適化も当然発生する。すると、すべてのNPにおける一般式は次のようになる。
$${NP = (A_lB_mC_n.... Z_1) (H_2O)_{a×1000} (K^+)_{b×10} (ATP)_c}$$ …①
a, b, c 並びにl, m, n は全て正数である。
2.1.3. 全てのNPの共通点/相違点
全てのタンパク質には長いポリペプチド鎖があり、有機的機構の産物が持つ特徴の一つである。これが完全に伸長 すると長距離を網羅できる。前述の通り、原形質タンパク質には原則としてβ-/γ-カルボキシル基の形で固定アニオンを輸送する為の豊富なアミノ酸残基がある。加えてε-アミノ基やグアニジル基の形で固定カチオンも輸送する。後述の通り、固定β-/γ-カルボキシル基が特に重要となる理由が最低でも2つある。第一、これらは短い側鎖上にあり、ポリペプチド鎖…情報とエネルギー伝達の高速道路として機能…の近傍にある。第二、β-/γ-カルボキシル基は(骨格となるNHCO基を除く)他のどの官能基よりも遥かにその数が多い。このすべてに大量の水分子とK⁺(とNa⁺)とATPが加わると、典型的なNPの化学組成が完成する。要約すると、すべてのNPに共通の基本特性は以下の通りである。
1）長い、部分共振するポリペプチド鎖
2）2種類の近接官能基
-1)β-/γ-カルボキシル基と骨格のNHCO基、これ等に接する互換性 のパートナー(K⁺, Na⁺, (β-/γ-カルボキシル基の)固定カチオン)
-2)ポリペプチド鎖の上下にある第三アミノ酸残基に属すCONH基や(骨格NHCO基の)大量の水分子
3）一次 /副次 /仮性 吸着サイトの普遍的存在、それぞれに最適化された主要吸着体
全てのNPの動的構造は図5の図解の通り、式①の化学的要素を共有する集合体 と、これら基本成分が共有する空間的・エネルギー的関係性により構築される。図5では伝えられない詳細については次節で記述する。その前に、NPの多様性を生む原因を追究する必要がある。
NPの多様性はそのタンパク質成分を構成するアミノ酸残基の種類や配列順序により生じる。また、様々なタンパク質の付着物からも生じる(例：ヘム鉄は赤血球NPを赤く、クロロフィルは葉緑体を緑にする)。多様性の源泉は他にも、細胞内に占めるNPUの位置や、これら構成成分同士の空間的・エネルギー的な関係性にもある。実際、調理済みのロブスターと、それを食べる人間の相違点とは…スコットランドの哲学者ジェイムス・スターリングが、ハクスリーの云う『生命の物理的基礎』への(歴史的な)批判的論考で指摘した通り…次節で言及する生と死の問題にある。道すがら、先ほど約束した「生命の新たな定義」を述べることにしよう。
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