معلومة

تتأثر القنوات الأيونية بالجاذبية

تتأثر القنوات الأيونية بالجاذبية


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد وجدت في الأدبيات أن إمكانات الفعل تتصرف بشكل مختلف عندما تتغير الجاذبية (لا يمكن الوصول إليها بشكل كامل).

تعتمد خصائص جهد العمل على الجاذبية. http://link.springer.com/article/10.1007/BF02870977

هل هناك أي قنوات أيونية في الخلايا العصبية من المرجح أن تكون أكثر أو أقل حساسية للتغيرات في الجاذبية؟


متحدون في التنوع: قنوات أيونية حساسة للميكانيكية في النباتات

القنوات الأيونية الحساسة للميكانيكا (MS) هي آلية شائعة لإدراك القوة الميكانيكية والاستجابة لها. هذه الفئة من المستقبلات الميكانيكية قادرة على تحويل توتر الغشاء مباشرة إلى تدفق الأيونات. في أنظمة النبات ، تم اقتراح قنوات MS الأيونية للعب مجموعة واسعة من الأدوار ، من إدراك اللمس والجاذبية إلى التوازن التناضحي للعضيات داخل الخلايا. تم تحديد ثلاث عائلات من القنوات الأيونية لمرض التصلب العصبي المتعدد: عائلة MscS الشبيهة (MSL) ، والنشاط التكميلي Mid1 (MCA) ، وعائلات البوتاسيوم ثنائي المسام (TPK). تختلف القنوات من هذه العائلات على نطاق واسع في التركيب والوظيفة ، وتوضع في مقصورات خلوية متعددة ، وتوصيل أيونات الكلوريد والكالسيوم و / أو البوتاسيوم. ومع ذلك ، لا يزال من المحتمل أن تمثل جزءًا صغيرًا فقط من تنوع قناة MS الأيونية في أنظمة المصنع.

الكلمات الدالة: MCA MSL MscS TPK1 النقل الميكانيكي.

الأرقام

نماذج للأيون الحساس للميكانيكا (MS) ...

نماذج لبوابات القنوات الأيونية الحساسة للميكانيكا (MS). ( أ ) نموذج اضطراب الدهون ...

علاقات النشوء والتطور ، والتوطين تحت الخلوي ، و ...

العلاقات التطورية ، والتوطين الخلوي ، وطبولوجيا القنوات الشبيهة بـ MscS (MSL). ( أ )…

أيون حساس ميكانيكي (MS) غير مميز جزيئيًا ...

أنشطة قناة الأيونات غير المعينة جزيئيًا (MS) الحساسة للميكانيكية المحددة في أغشية النبات. غشاء البلازما - مترجم ...


النباتات تشعر بالقوة: كيف تشعر النباتات باللمس والجاذبية والقوى الفيزيائية الأخرى

تقول إليزابيث هاسويل ، دكتوراه ، أستاذة مساعدة في علم الأحياء في الآداب والعلوم بجامعة واشنطن في سانت لويس: "تخيل نفسك تتجول في الغابة أو تمشي عبر العشب". "اسأل نفسك الآن: هل تعرف الشجيرات أن شخصًا ما يتخطىها؟ هل يعرف العشب أنه يتم سحقه تحت الأقدام؟ بالطبع ، النباتات لا تفكر في الأفكار ، لكنها تستجيب للتلامس بعدة طرق. "

يقول هاسويل: "من الواضح ،" أن النباتات يمكن أن تستجيب للمنبهات الجسدية ، مثل الجاذبية أو اللمس. تنمو الجذور للأسفل ، ويطوي "النبات الحساس" أوراقه ، وتوجد خيوط كرمة حول تعريشة. لكننا بدأنا للتو لمعرفة كيف يفعلون ذلك "، كما تقول.

في الثمانينيات ، أظهر العمل على الخلايا البكتيرية أن لديها قنوات حساسة للميكانيكا ، ومسام صغيرة في غشاء الخلايا تنفتح عندما تنتفخ الخلية بالماء ويتم شد الغشاء ، مما يسمح للذرات المشحونة والجزيئات الأخرى بالخروج من الخلية. يتبع الماء الأيونات ، وتنقبض الخلية ، ويرخي الغشاء ، وتغلق المسام.

تم العثور على الجينات المشفرة لسبع قنوات من هذا القبيل في البكتيريا الإشريكية القولونية و 10 بوصة نبات الأرابيدوبسيس thaliana، نبات مزهر صغير متعلق بالخردل والكرنب. على حد سواء بكتريا قولونية و أرابيدوبسيس بمثابة نموذج كائنات حية في مختبر هاسويل.

إنها تشك في وجود العديد من القنوات التي لم يتم اكتشافها بعد ، وأنها ستثبت أن لديها مجموعة متنوعة من الوظائف.

في الآونة الأخيرة ، كتب هاسويل وزملاؤه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وهم باحثون رئيسيون مشاركون في منحة المعاهد الوطنية للصحة (NIH) لتحليل القنوات الميكانيكية الحساسة ، مقالة مراجعة حول العمل حتى الآن من أجل "تجميع أفكارهم معًا حيث كانوا مستعدين لكتابة تجديد المنحة. ظهرت المراجعة في عدد 11 أكتوبر من بنية.

قد تبدو البكتيريا المنتفخة غير مرتبطة بالمنشورات القابلة للطي ، لكن هاسويل على استعداد للمراهنة على أنها جميعها مرتبطة وأن القنوات الأيونية الحساسة ميكانيكيًا في أسفل كل منهم. بعد كل شيء ، فإن حركات النبات - السريعة والبطيئة - يتم تشغيلها هيدروليكيًا في النهاية حيث ستذهب الأيونات إلى الماء.

عملاق بكتريا قولونية الخلايا

لطالما كانت المشكلة الكبرى في دراسة القنوات الأيونية هي صغر حجمها ، مما يشكل تحديات تقنية هائلة.

العمل المبكر في هذا المجال ، الذي تم إنجازه لفهم القنوات الأيونية التي يخلق فتحها وإغلاقها المنسقان نبضًا عصبيًا ، تم إجراؤه في خلايا كبيرة بشكل استثنائي: الخلايا العصبية العملاقة للحبار الأوروبي ، والتي كانت لها نتوءات كبيرة بما يكفي لرؤيتها بالعين المجردة. .

أدت التجارب مع هذه القنوات في النهاية إلى تطوير تقنية تسجيل كهربائي حساسة تُعرف باسم مشبك التصحيح الذي سمح للباحثين بفحص خصائص قناة أيونية مفردة. يستخدم تسجيل المشبك التصحيح كقطب كهربائي ماصة زجاجية ذات طرف مفتوح. يكون الطرف صغيرًا بدرجة كافية بحيث يحيط بـ "رقعة" من غشاء الخلية تحتوي غالبًا على قناة أيونية واحدة أو بضع قنوات أيونية.

أظهر عمل Patch clamp أن هناك العديد من الأنواع المختلفة للقنوات الأيونية وأنها تشارك ليس فقط في نقل النبضات العصبية ولكن أيضًا في العديد من العمليات البيولوجية الأخرى التي تنطوي على تغييرات سريعة في الخلايا.

تم اكتشاف القنوات الحساسة للميكانيكا عندما بدأ العلماء في البحث عن القنوات الأيونية في البكتيريا ، ولم يكن ذلك حتى ثمانينيات القرن الماضي لأن القنوات الأيونية كانت مرتبطة بالأعصاب ولم يكن يُعتقد أن البكتيريا لديها جهاز عصبي.

في بكتريا قولونية، يتم تضمين القنوات الأيونية في غشاء البلازما ، الموجود داخل جدار الخلية ، ولكن حتى إذا كان من الممكن تجريد الجدار بعيدًا ، فإن الخلايا صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ترقيعها بشكل فردي. لذلك يتم العمل باستخدام خلايا بكتيرية عملاقة مُعدة خصيصًا تسمى الخلايا الكروية.

هذه مصنوعة من خلال الزراعة بكتريا قولونية في مرق يحتوي على مضاد حيوي يمنع الخلايا الوليدة من الانفصال التام عند انقسام الخلية. مع تكاثر الخلايا ، تتكاثر "ثعابين" العديد من الخلايا التي تشترك في غشاء بلازما واحد في المزرعة. يقول هاسويل: "إذا هضمت جدار الخلية بعد ذلك ، فإنها تنتفخ لتشكل كرة كبيرة".

لا يعني ذلك أن الخلايا الكروية هي بهذا الحجم. "نحن نقوم بمعظم دراساتنا في Xenopus البويضات (بيض الضفادع) ، التي يبلغ قطرها 150 مرة أكبر من تلك الموجودة في الخلايا الكروية ".

ثلاثة أنشطة قناة حساسة للميكانيكا

للعثور على قنوات أيونية في البكتيريا ، أجرى العلماء مسوحات فيزيولوجية كهربية للبلاستيدات الكروية. قاموا بوضع ماصة على البلاستيدات الكروية وطبقوا الشفط على الغشاء أثناء بحثهم عن تيارات صغيرة تتدفق عبر الغشاء.

يقول هاسويل: "ما وجدوه كان مذهلاً حقًا". "كانت هناك ثلاثة أنشطة مختلفة لا يتم فتحها إلا من خلال تشوه الغشاء." (أطلق عليها اسم "أنشطة" لأنه لم يكن أحد يعرف أساسها الجزيئي أو الجيني حتى الآن).

تم تسمية الأنشطة الثلاثة بالقنوات الحساسة للميكانيكا للموصلية الكبيرة (MscL) والصغيرة (MscS) والمصغرة (MscM). تم تمييزهم عن بعضهم البعض من خلال مقدار التوتر الذي يجب عليك إدخاله من أجل جعلهم ينفتحون وبواسطة مواصلتهم.

أحد المختبرات التي تعمل مع الخلايا الكروية كان يقودها تشينغ كونغ ، دكتوراه ، في جامعة ويسكونسن ماديسون. تم التعرف على بروتين MscL وتم استنساخ جينه في عام 1994 من قبل Sergei Sukharev ، دكتوراه ، ثم عضو في مختبر Kung. يقول هاسويل إن تجربته في جولة القوة تضمنت إعادة تشكيل أجزاء من غشاء البلازما البكتيري إلى أغشية اصطناعية (الجسيمات الشحمية) لمعرفة ما إذا كانت ستمنح قناة توصيل كبيرة.

في عام 1999 ، تم تحديد ماجستير ترميز الجينات في مختبر إيان بوث ، دكتوراه ، في جامعة أبردين. وبالمقارنة ، تم إنجاز القليل من العمل على القناة الصغيرة ، وهو أمر صعب وغالبًا لا يظهر ، كما يقول هاسويل ، على الرغم من تحديد مجموعة بوث مؤخرًا بروتينًا يساهم في نشاط MscM.

بمجرد معرفة الجينين ، أجرى الباحثون تجارب بالضربة القاضية لمعرفة ما حدث للبكتيريا التي لا تحتوي على الجينات اللازمة لإنشاء القنوات. ما وجدوه ، كما يقول هاسويل ، هو أنه إذا كانت جينات MscL و MscS مفقودة ، فلن تتمكن الخلايا من النجاة من "الصدمة التناضحية" ، وهي المكافئ البكتيري للتعذيب المائي.

يقول هاسويل: "الفحص القياسي هو زراعة البكتيريا لبضعة أجيال في مرق مالح جدًا ، بحيث يكون لديهم فرصة لتحقيق التوازن بين تركيز الأسمولية الداخلية والتركيز الخارجي." (الأسمولية هي جزيئات تؤثر على التناضح ، أو حركة الماء داخل الخلية وخارجها) ، كما تقول ، "بأخذ الأسمولات من البيئة وصنعها."

"ثم ،" كما تقول ، "تأخذ هذه البكتيريا المليئة بالأسموليت وترميها في المياه العذبة. إذا لم يكن لديهم بروتينات MscS و MscL التي تسمح لهم بإلقاء الأيونات لتجنب التدفق غير المنضبط للمياه ، فإنهم لا تنجو ". إنه يشبه إلى حد ما إلقاء أسماك المياه المالحة في حوض أسماك المياه العذبة.

لماذا توجد ثلاثة أنشطة قناة آلية؟ يقول هاسويل إن النموذج المقبول حاليًا هو أن القنوات ذات المواصلات الأصغر هي خط الدفاع الأول. يتم فتحها مبكرًا استجابةً للصدمة التناضحية بحيث لا يتم فتح قناة الموصلية الكبيرة ، والتي من خلالها يمكن للجزيئات التي تحتاجها الخلية الهروب ، إلا إذا كان ذلك ضروريًا للغاية. وبالتالي فإن الاستجابة المتدرجة تعطي الخلية أفضل فرصة للبقاء على قيد الحياة.

بلورة البروتينات

كانت الخطوة التالية في هذه الرحلة العلمية ، وهي اكتشاف هياكل البروتينات ، صعبة للغاية أيضًا. تُكتشف هياكل البروتين تقليديًا عن طريق تنقية البروتين ، وبلورته من محلول مائي ، ثم قصف البلورة بالأشعة السينية. يمكن استنتاج مواضع الذرات في البروتين من نمط حيود الأشعة السينية.

بمعنى أن تبلور البروتين لا يختلف كثيرًا عن زراعة الحلوى الصخرية من محلول السكر ، ولكن ، كما هو الحال دائمًا ، يكمن الشيطان في التفاصيل. يصعب نمو بلورات البروتين أكثر من بلورات السكر ، وبمجرد نموها تصبح هشة للغاية. حتى أنها يمكن أن تتلف بسبب مجسات الأشعة السينية المستخدمة لفحصها.

ولزيادة الأمور سوءًا ، يمتد MscL و MscS إلى غشاء البلازما ، مما يعني أن نهاياتهما ، التي تتعرض للخط المحيط خارج الخلية والسيتوبلازم داخل الخلية ، هي محبة للماء وأقسامها الوسطى ، وهي عالقة في الدهون. غشاء ، صد بالماء. بسبب هذه الطبيعة المزدوجة ، من المستحيل ترسيب بروتينات الغشاء من المحاليل المائية.

وبدلاً من ذلك ، فإن التقنية هي إحاطة البروتين بما تم وصفه بأنه "منظفات شديدة التصنيع" تحميها - ولكن بالكاد - من الماء. يمكن أن يستغرق العثور على التوازن السحري ما يصل إلى مهنة علمية.

كانت أول قناة حساسة ميكانيكيًا تمت بلورتها هي MscL - وليس البروتين الموجود فيها بكتريا قولونية لكن الجزيء المماثل (متماثل) من البكتيريا المسببة لمرض السل. تم إجراء هذا العمل في مختبر أحد المؤلفين المشاركين لهاسويل ، وهو دوجلاس سي ريس ، وهو محقق هوارد هيوز في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

ماجستير من بكتريا قولونية تبلور في مختبر Rees بعد عدة سنوات ، في عام 2002 ، وتبلور بروتين MscS مع طفرة تركته عالقًا في الحالة المفتوحة المفترضة في مختبر Booth في عام 2008. "والآن لدينا هيكلان بلوريان لـ MscS واثنين (من سلالات بكتيرية مختلفة) لـ MscL ، "يقول هاسويل.

من النباتات والطفرات

حتى هذه النقطة ، قد لا تبدو القنوات الميكانيكية الحساسة مثيرة للاهتمام لأن حياة البكتيريا ليست ذات أهمية قصوى لنا إلا إذا كانت تسبب لنا المرض.

ومع ذلك ، يقول هاسويل ، في أوائل العقد الأول من القرن الحالي ، بدأ العلماء في مقارنة جينات القنوات البكتيرية بجينومات الكائنات الحية الأخرى واكتشفوا أن هناك تسلسلات متماثلة ليس فقط في البكتيريا الأخرى ولكن أيضًا في بعض الكائنات متعددة الخلايا ، بما في ذلك النباتات.

تقول: "هذا هو المكان الذي شاركت فيه". "كنت مهتمًا باستجابة الجاذبية واللمس في النباتات. لقد رأيت هذه الأوراق واعتقدت أن هذه المتماثلات كانت مرشحة رائعة للبروتينات التي قد تتوسط هذه الاستجابات."

"هناك 10 متجانسات ماجستير في أرابيدوبسيس ولا توجد متماثلات لـ MscL. والأكثر من ذلك ، توجد متماثلات مختلفة ليس فقط في غشاء الخلية ولكن أيضًا في أغشية البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا. "

إن البلاستيدات الخضراء هي العضية التي تلتقط الضوء في خلية نباتية والميتوكوندريا هي محطة توليد الطاقة الخاصة بها ، ويُعتقد أن كلاهما كائنات مستقلة ذات يوم ابتُلعت واستُعبِدت من قبل الخلايا التي وجدتها مفيدة. أغشيتها هي بقايا ماضيها في العيش الحر.

يشير عدد المتماثلات ومواقعها في الخلايا النباتية إلى أن هذه القنوات تفعل أكثر بكثير من منع الخلايا من امتصاص الكثير من الماء.

إذن ماذا كانوا يفعلون بالضبط؟ لمعرفة ذلك ، اتصل Haswell بالإنترنت وطلبه أرابيدوبسيس بذور من مجموعة Salk في لا جولا ، كاليفورنيا ، كل منها به طفرة في أحد جينات القنوات العشر.

من هذه الطفرات ، علمت أن اثنتين من القنوات العشر تتحكمان في حجم البلاستيدات الخضراء والتقسيم المناسب وكذلك شكل الورقة. النباتات ذات الطفرات في هذين المتماثلين لقناة MscS لها بلاستيدات خضراء عملاقة لم تنقسم بشكل صحيح. حشدت البلاستيدات الخضراء الوحشية مختبرها على غلاف عدد أغسطس من الخلية النباتية.

يقول هاسويل: "لقد أظهرنا أن البكتيريا التي تفتقر إلى MscS و MscL لا تنقسم بشكل صحيح أيضًا ، لذا فإن الرابط بين هذه القنوات والانقسام محفوظ تطوريًا."

الفكرة الكبيرة

لكن يعتقد هاسويل وزملاؤها أنهم يخدشون السطح فقط. "نحن نبني فهمنا لهذه الفئة من القنوات على MscS نفسها ، وهو شكل محدود للغاية من القناة ،" كما تقول. "إنها صغيرة نسبيًا."

"لكننا نعلم أن بعض أفراد هذه العائلة لديهم امتدادات طويلة تخرج من الغشاء إما خارج الخلية أو داخلها. ونعتقد أن هذا يعني أن القنوات لا تفرز الأيونات فقط ، ولكنها تشير أيضًا إلى الخلية بأكملها في طرق أخرى: يمكن دمجها في مسارات الإشارات المشتركة ، مثل مسار استجابة الإجهاد التناضحي الخلوي.

نعتقد أننا قد نفقد الكثير من التعقيد من خلال التركيز بشكل حصري للغاية على الأعضاء الأولى من هذه العائلة من البروتينات التي يجب العثور عليها وتمييزها ، "كما تقول." ونعتقد أن هناك قناة أساسية مشتركة تجعل هذه البروتينات تستجيب لتوتر الغشاء ولكن أن جميع أنواع اللوائح ذات الصلة وظيفيًا يمكن وضعها فوق ذلك ".

"على سبيل المثال ،" هناك قناة في بكتريا قولونية يرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ MscS التي لها امتداد ضخم خارج الخلية يجعلها حساسة للبوتاسيوم. لذا فهي قناة حساسة للميكانيكا لكنها لا تدخل إلا في وجود البوتاسيوم. ما هو مهم بالنسبة لنا ، لا نعرفه حتى الآن ، لكنه يخبرنا أن هناك وظائف أخرى لم ندرسها ".

ماذا عن النبات الحساس؟

فهل هذه القنوات في أسفل حركات النبات السريعة حقًا مثل اللمس الخجل الشهير للنبات؟ (لمشاهدة فيلم عن هذه وغيرها من الحركات "السريعة" (السريعة) ، انتقل إلى موقع Plants in Motion الذي يديره زميل هاسويل روجر بي هانجارتنر من جامعة إنديانا).

هاسويل حذر. تقول: "هذا ممكن". "في حالة ميموزا بوديكا من المحتمل أن يكون هناك نبضة كهربائية تؤدي إلى فقدان الماء وانتفاخ الخلايا في قاعدة كل نشرة ، لذا فإن بروتينات القناة هذه مرشحة بشكل كبير.


تستخدم الحياة على الأرض للجاذبية - فماذا يحدث لخلايانا وأنسجتنا في الفضاء؟

انظري يا أمي ، لا جاذبية! الائتمان: ناسا ، CC BY

هناك قوة واحدة تترسخ آثارها بعمق في حياتنا اليومية لدرجة أننا ربما لا نفكر فيها كثيرًا على الإطلاق: الجاذبية. الجاذبية هي القوة التي تسبب التجاذب بين الجماهير. لهذا السبب عندما تسقط قلمًا يسقط على الأرض. ولكن نظرًا لأن قوة الجاذبية تتناسب مع كتلة الجسم ، فإن الأجسام الكبيرة فقط مثل الكواكب تخلق عوامل جذب ملموسة. هذا هو السبب في أن دراسة الجاذبية تركز تقليديًا على الأجسام الضخمة مثل الكواكب.

ومع ذلك ، فقد غيرت مهماتنا الفضائية المأهولة الأولى تمامًا طريقة تفكيرنا في تأثيرات الجاذبية على الأنظمة البيولوجية. إن قوة الجاذبية لا تجعلنا مرتبطين بالأرض فحسب ، بل إنها تؤثر على كيفية عمل أجسامنا على أصغر المقاييس. الآن مع احتمال القيام بمهام فضائية أطول ، يعمل الباحثون على اكتشاف ما يعنيه نقص الجاذبية لفيزيولوجيتنا - وكيفية تعويض ذلك.

تحرر من قبضة الجاذبية

لم يكن أي مخلوق أرضي قد قضى وقتًا في بيئة الجاذبية الصغرى حتى سافر المستكشفون إلى الفضاء.

لاحظ العلماء أن رواد الفضاء العائدين قد ازداد طولهم وقللوا بشكل كبير من كتلة العظام والعضلات. مفتونًا ، بدأ الباحثون في مقارنة عينات الدم والأنسجة من الحيوانات ورواد الفضاء قبل وبعد السفر إلى الفضاء لتقييم تأثير الجاذبية على علم وظائف الأعضاء. بدأ علماء الفضاء في بيئة خالية إلى حد كبير من الجاذبية في محطة الفضاء الدولية في استكشاف كيفية نمو الخلايا أثناء وجودها في الفضاء.

تُجرى معظم التجارب في هذا المجال فعليًا على الأرض باستخدام محاكاة الجاذبية الصغرى. عن طريق تدوير الأشياء - مثل الخلايا - في جهاز طرد مركزي بسرعات عالية ، يمكنك إنشاء ظروف الجاذبية المنخفضة هذه.

تطورت خلايانا لتتعامل مع قوى في عالم يتميز بالجاذبية إذا تحررت فجأة من تأثيرات الجاذبية ، تبدأ الأشياء في الغرابة.

في الرحلات الاستكشافية التي تستغرق شهورًا في الفضاء ، يتعين على أجسام رواد الفضاء التعامل مع بيئة خالية من الجاذبية تختلف تمامًا عما اعتادوا عليه على الأرض. الائتمان: ناسا ، CC BY

كشف القوى على المستوى الخلوي

إلى جانب قوة الجاذبية ، تخضع خلايانا أيضًا لقوى إضافية ، بما في ذلك إجهاد الشد والقص ، حيث تتغير الظروف داخل أجسامنا.

تحتاج خلايانا إلى طرق لاستشعار هذه القوى. إحدى الآليات المقبولة على نطاق واسع هي من خلال ما يسمى بالقنوات الأيونية الحساسة للميكانيكا. هذه القنوات عبارة عن مسام في غشاء الخلية تسمح لجزيئات مشحونة معينة بالمرور داخل الخلية أو خارجها اعتمادًا على القوى التي تكتشفها.

مثال على هذا النوع من المستقبلات الميكانيكية هو قناة PIEZO الأيونية ، الموجودة في جميع الخلايا تقريبًا. يقومون بتنسيق الإحساس باللمس والألم ، اعتمادًا على مواقعهم في الجسم. على سبيل المثال ، قد يؤدي الضغط على الذراع إلى تنشيط قناة PIEZO الأيونية في الخلايا العصبية الحسية ، وإخبارها بفتح البوابات. في ميكروثانية ، تدخل أيونات مثل الكالسيوم إلى الخلية ، وتمرير المعلومات التي تفيد بأن الذراع انضغاط. وتبلغ سلسلة الأحداث ذروتها بسحب الذراع. يمكن أن يكون هذا النوع من استشعار القوة أمرًا بالغ الأهمية ، لذلك يمكن للخلايا أن تتفاعل بسرعة مع الظروف البيئية.

بدون الجاذبية ، تكون القوى المؤثرة على القنوات الأيونية الحساسة للميكانيك غير متوازنة ، مما يتسبب في حركات غير طبيعية للأيونات. تنظم الأيونات العديد من الأنشطة الخلوية إذا لم يذهبوا إلى حيث ينبغي عليهم ومتى ينبغي ، فإن عمل الخلايا يصبح مجحفًا. يتم تعطيل تخليق البروتين والتمثيل الغذائي الخلوي.

فسيولوجيا بدون جاذبية

على مدى العقود الثلاثة الماضية ، اكتشف الباحثون بعناية كيف تتأثر أنواع معينة من الخلايا وأنظمة الجسم بالجاذبية الصغرى.

تعمل القنوات الموجودة في غشاء الخلية كحراس بوابات ، تفتح أو تُغلق للسماح للجزيئات بالدخول أو الخروج استجابةً لمنبه معين. الائتمان: Efazzari، CC BY-SA
  • الدماغ: منذ الثمانينيات ، لاحظ العلماء أن غياب الجاذبية يؤدي إلى زيادة احتباس الدم في الجزء العلوي من الجسم ، وبالتالي زيادة الضغط في الدماغ. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن هذا الضغط المتزايد يقلل من إطلاق الناقلات العصبية ، وهي الجزيئات الرئيسية التي تستخدمها خلايا الدماغ للتواصل. حفز هذا الاكتشاف دراسات حول المشكلات المعرفية الشائعة ، مثل صعوبات التعلم ، عند عودة رواد الفضاء.
  • العظام والعضلات: يمكن أن يتسبب انعدام الوزن في الفضاء في فقدان العظام بنسبة تزيد عن 1٪ شهريًا ، حتى في حالة رواد الفضاء الذين يخضعون لأنظمة تمارين صارمة. يستخدم العلماء الآن التطورات في علم الجينوم (دراسة تسلسل الحمض النووي) والبروتيوميات (دراسة البروتينات) لتحديد كيفية تنظيم التمثيل الغذائي لخلايا العظام عن طريق الجاذبية. في غياب الجاذبية ، وجد العلماء أن نوع الخلايا المسؤولة عن تكوين العظام يتم كبته. في نفس الوقت يتم تنشيط نوع الخلايا المسؤولة عن تدهور العظام. يعمل معًا على زيادة فقدان العظام المتسارع. حدد الباحثون أيضًا بعض الجزيئات الرئيسية التي تتحكم في هذه العمليات.
  • المناعة: تخضع المركبات الفضائية لتعقيم صارم لمنع انتقال الكائنات الغريبة. ومع ذلك ، خلال مهمة أبولو 13 ، أصاب أحد مسببات الأمراض الانتهازية رائد الفضاء فريد هايز. هذه البكتيريا ، الزائفة الزنجارية ، عادة ما يصيب فقط الأفراد الذين يعانون من ضعف المناعة. أثارت هذه الحلقة مزيدًا من الفضول حول كيفية تكيف الجهاز المناعي مع الفضاء. من خلال مقارنة عينات دم رواد الفضاء قبل وبعد بعثاتهم الفضائية ، اكتشف الباحثون أن نقص الجاذبية يضعف وظائف الخلايا التائية. هذه الخلايا المناعية المتخصصة مسؤولة عن محاربة مجموعة من الأمراض ، من نزلات البرد إلى الإنتان المميت.

للتعويض عن نقص الجاذبية

تستثمر وكالة ناسا ووكالات فضائية أخرى لدعم الاستراتيجيات التي من شأنها إعداد البشر للسفر في الفضاء لمسافات أطول. إن معرفة كيفية تحمل الجاذبية الصغرى هو جزء كبير من ذلك.

أفضل طريقة حاليًا للتغلب على غياب الجاذبية هي زيادة الحمل على الخلايا بطريقة أخرى - عن طريق التمرين. عادةً ما يقضي رواد الفضاء ساعتين على الأقل كل يوم في الجري ورفع الأثقال للحفاظ على حجم دم صحي وتقليل فقدان العظام والعضلات. لسوء الحظ ، يمكن أن تؤدي التمارين الصارمة إلى إبطاء تدهور صحة رواد الفضاء ، وليس منعه تمامًا.

المكملات هي طريقة أخرى يبحث بها الباحثون. من خلال دراسات الجينوم والبروتيوم واسعة النطاق ، تمكن العلماء من تحديد التفاعلات الكيميائية الخلوية المحددة التي تتأثر بالجاذبية. نحن نعلم الآن أن الجاذبية تؤثر على الجزيئات الرئيسية التي تتحكم في العمليات الخلوية مثل النمو والانقسام والهجرة. على سبيل المثال ، الخلايا العصبية التي تنمو في الجاذبية الصغرى في محطة الفضاء الدولية لديها نوع واحد أقل من المستقبلات للناقل العصبي GABA ، الذي يتحكم في الحركة والرؤية الحركية. إضافة المزيد من وظائف GABA المستعادة ، لكن الآلية الدقيقة لا تزال غير واضحة.

تقوم ناسا أيضًا بتقييم ما إذا كانت إضافة البروبيوتيك إلى طعام الفضاء لتعزيز الجهاز الهضمي والجهاز المناعي لرواد الفضاء قد يساعد في درء الآثار السلبية للجاذبية الصغرى.

في الأيام الأولى للسفر إلى الفضاء ، كان أحد التحديات الأولى هو معرفة كيفية التغلب على الجاذبية حتى يتمكن الصاروخ من التحرر من سحب الأرض. التحدي الآن هو كيفية تعويض التأثيرات الفسيولوجية لنقص قوة الجاذبية ، خاصة أثناء الرحلات الفضائية الطويلة.

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. اقرأ المقال الأصلي.


فسيولوجيا بدون جاذبية

الدماغ: منذ الثمانينيات ، لاحظ العلماء أن غياب الجاذبية يؤدي إلى زيادة احتباس الدم في الجزء العلوي من الجسم ، وبالتالي زيادة الضغط في الدماغ. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن هذا الضغط المتزايد يقلل من إطلاق الناقلات العصبية ، وهي الجزيئات الرئيسية التي تستخدمها خلايا الدماغ للتواصل. حفز هذا الاكتشاف دراسات حول المشكلات المعرفية الشائعة ، مثل صعوبات التعلم ، عند عودة رواد الفضاء.

العظام والعضلات: يمكن أن يتسبب انعدام الوزن في الفضاء في فقدان العظام بنسبة تزيد عن 1٪ شهريًا ، حتى في حالة رواد الفضاء الذين يخضعون لأنظمة تمارين صارمة. يستخدم العلماء الآن التطورات في علم الجينوم (دراسة تسلسل الحمض النووي) والبروتيوميات (دراسة البروتينات) لتحديد كيفية تنظيم التمثيل الغذائي لخلايا العظام عن طريق الجاذبية. في غياب الجاذبية ، وجد العلماء أن نوع الخلايا المسؤولة عن تكوين العظام يتم كبته. في نفس الوقت يتم تنشيط نوع الخلايا المسؤولة عن تدهور العظام. يعمل معًا على زيادة فقدان العظام المتسارع. حدد الباحثون أيضًا بعض الجزيئات الرئيسية التي تتحكم في هذه العمليات.


العيوب الوراثية للقنوات الأيونية

ثبت الآن أن العديد من الأمراض الوراثية التي تظهر عيوبًا في الوظائف الفسيولوجية للقنوات الأيونية ناتجة عن طفرات في الجينات المشفرة لقنوات أيونية محددة. على سبيل المثال ، تعمل قناة البوتاسيوم القلبية المسماة HERG (الجين البشري المرتبط بالإيثر-أ-جو-جو) على حماية القلب من الإيقاع غير المناسب. يُظهر الأشخاص الذين يفتقرون إلى جين HERG الوظيفي شذوذًا في مخطط كهربية القلب يُسمى & # x0022long Q-T syndrome ، & # x0022 مما يجعلهم عرضة للسكتة القلبية المفاجئة عندما يكونون تحت الضغط. ينتج التليف الكيسي عن طفرات في قناة كلوريد معينة تسمى منظم توصيل الغشاء عبر التليف الكيسي.


كيف تشعر النباتات باللمس والجاذبية والقوى الفيزيائية الأخرى

إليزابيث هاسويل ، دكتوراه ، أستاذ مساعد في علم الأحياء في الآداب والعلوم بجامعة واشنطن في سانت لويس ، في غرفة نمو مع "فئران المختبر" ، نباتات نبات الأرابيدوبسيس التي تستخدمها لفهم كيفية استجابة النباتات للمس والجاذبية وغير ذلك القوى الميكانيكية. إذا تم لمس نباتات نبات الأرابيدوبسيس البرية بشكل متكرر. نموهم متوقف. الائتمان: ديفيد كيلبر / WUSTL

(PhysOrg.com) - في الجزء السفلي من قدرة النباتات على الإحساس باللمس أو الجاذبية أو التعريشة القريبة توجد قنوات حساسة للميكانيكية ، وهي عبارة عن مسام عبر غشاء بلازما الخلايا الذي يتم فتحه وإغلاقه بسبب تشوه الغشاء. إليزابيث هاسويل ، دكتوراه ، عالمة أحياء في جامعة واشنطن في سانت لويس ، تدرس الأدوار التي تلعبها هذه القنوات في نباتات Arabdopsis من خلال زراعة النباتات الطافرة التي تفتقر إلى واحد أو أكثر من بروتينات القنوات العشرة المحتملة في هذا النوع.

تقول إليزابيث هاسويل ، دكتوراه ، أستاذة مساعدة في علم الأحياء في الآداب والعلوم بجامعة واشنطن في سانت لويس: "تخيل نفسك تتجول في الغابة أو تمشي عبر العشب". "اسأل نفسك الآن: هل تعرف الشجيرات أن شخصًا ما يتخطىها؟ هل يعرف العشب أنه يتم سحقه تحت الأقدام؟ بالطبع ، النباتات لا تفكر في الأفكار ، لكنها تستجيب للتلامس بعدة طرق. "

يقول هاسويل: "من الواضح ،" أن النباتات يمكن أن تستجيب للمنبهات الجسدية ، مثل الجاذبية أو اللمس. تنمو الجذور ، ويطوي "النبات الحساس" أوراقه ، ويثني خيوط الكرمة حول تعريشة. لكننا بدأنا للتو لمعرفة كيف يفعلون ذلك "، كما تقول.

في الثمانينيات ، أظهر العمل على الخلايا البكتيرية أن لديها قنوات حساسة للميكانيكا ، ومسام صغيرة في غشاء الخلايا تنفتح عندما تنتفخ الخلية بالماء ويتم شد الغشاء ، مما يسمح للذرات المشحونة والجزيئات الأخرى بالخروج من الخلية. يتبع الماء الأيونات ، وتنقبض الخلية ، ويرخي الغشاء ، وتغلق المسام.

تم العثور على الجينات المشفرة لسبع قنوات من هذا القبيل في البكتيريا الإشريكية القولونية و 10 بوصة نبات الأرابيدوبسيس thaliana، نبات مزهر صغير متعلق بالخردل والكرنب. على حد سواء بكتريا قولونية و Arabidopsis بمثابة نموذج كائنات حية في مختبر Haswell.

إنها تشك في وجود العديد من القنوات التي لم يتم اكتشافها بعد ، وأنها ستثبت أن لديها مجموعة متنوعة من الوظائف.

في الآونة الأخيرة ، كتب هاسويل وزملاؤه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وهم باحثون رئيسيون مشاركون في منحة المعاهد الوطنية للصحة (NIH) لتحليل القنوات الميكانيكية الحساسة ، مقالة مراجعة حول العمل حتى الآن من أجل "تجميع أفكارهم معًا حيث كانوا مستعدين لكتابة تجديد المنحة. ظهرت المراجعة في عدد 11 أكتوبر من بنية.

قد تبدو البكتيريا المنتفخة غير مرتبطة بالمنشورات القابلة للطي ، لكن هاسويل على استعداد للمراهنة على أنها جميعها مرتبطة وأن القنوات الأيونية الحساسة ميكانيكيًا في أسفل كل منهم. بعد كل شيء ، حركات المصنع & # 151 السريعة والبطيئة على حد سواء & # 151 في نهاية المطاف كلها تعمل بالطاقة هيدروليكيًا حيث ستذهب الأيونات إلى الماء.

عملاق بكتريا قولونية الخلايا

لطالما كانت المشكلة الكبرى في دراسة القنوات الأيونية هي صغر حجمها ، مما يشكل تحديات تقنية هائلة.

العمل المبكر في هذا المجال ، الذي تم إنجازه لفهم القنوات الأيونية التي يخلق فتحها وإغلاقها المنسقان نبضًا عصبيًا ، تم إجراؤه في خلايا كبيرة بشكل استثنائي: الخلايا العصبية العملاقة للحبار الأوروبي ، والتي كانت لها نتوءات كبيرة بما يكفي لرؤيتها بالعين المجردة. .

أدت التجارب مع هذه القنوات في النهاية إلى تطوير تقنية تسجيل كهربائي حساسة تُعرف باسم مشبك التصحيح الذي سمح للباحثين بفحص خصائص قناة أيونية مفردة. يستخدم تسجيل المشبك التصحيح كقطب كهربائي ماصة زجاجية ذات طرف مفتوح. يكون الطرف صغيرًا بدرجة كافية بحيث يحيط بـ "رقعة" من غشاء الخلية تحتوي غالبًا على قناة أيونية واحدة أو بضع قنوات أيونية.

أظهر عمل Patch clamp وجود أنواع مختلفة من القنوات الأيونية وأنها تشارك ليس فقط في نقل النبضات العصبية ولكن أيضًا في العديد من العمليات البيولوجية الأخرى التي تنطوي على تغييرات سريعة في الخلايا.

تم اكتشاف القنوات الحساسة للميكانيكا عندما بدأ العلماء في البحث عن القنوات الأيونية في البكتيريا ، ولم يكن ذلك حتى ثمانينيات القرن الماضي لأن القنوات الأيونية كانت مرتبطة بالأعصاب ولم يكن يُعتقد أن البكتيريا لديها جهاز عصبي.

في بكتريا قولونية، يتم تضمين القنوات الأيونية في غشاء البلازما ، الموجود داخل جدار الخلية ، ولكن حتى إذا كان من الممكن تجريد الجدار بعيدًا ، فإن الخلايا صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ترقيعها بشكل فردي. لذلك يتم العمل مع خلايا بكتيرية عملاقة مُعدة خصيصًا تسمى الخلايا الكروية.

هذه مصنوعة من خلال الزراعة بكتريا قولونية في مرق يحتوي على مضاد حيوي يمنع الخلايا الوليدة من الانفصال التام عند انقسام الخلية. مع تكاثر الخلايا ، تتكاثر "ثعابين" العديد من الخلايا التي تشترك في غشاء بلازما واحد في المزرعة. يقول هاسويل: "إذا هضمت جدار الخلية بعد ذلك ، فإنها تنتفخ لتشكل كرة كبيرة".

لا يعني ذلك أن الخلايا الكروية هي بهذا الحجم. وتقول: "إننا نقوم بمعظم دراساتنا على بويضات Xenopus (بيض الضفادع) ، التي يبلغ أقطارها 150 مرة أكبر من تلك الموجودة في الخلايا الكروية".

ثلاث قنوات حساسة للميكانيكية

للعثور على قنوات أيونية في البكتيريا ، أجرى العلماء مسوحات فيزيولوجية كهربية للبلاستيدات الكروية. قاموا بوضع ماصة على البلاستيدات الكروية وطبقوا الشفط على الغشاء أثناء بحثهم عن تيارات صغيرة تتدفق عبر الغشاء.

يقول هاسويل: "ما وجدوه كان مذهلاً حقًا". "كانت هناك ثلاثة أنشطة مختلفة لا يتم فتحها إلا من خلال تشوه الغشاء." (أطلق عليها اسم "أنشطة" لأنه لم يعرف أحد بعد أساسها الجزيئي أو الجيني).

تم تسمية الأنشطة الثلاثة بالقنوات الحساسة للميكانيكا للموصلية الكبيرة (MscL) والصغيرة (MscS) والمصغرة (MscM). تم تمييزهم عن بعضهم البعض من خلال مقدار التوتر الذي يجب عليك إدخاله من أجل جعلهم ينفتحون وبواسطة مواصلتهم.

أحد المختبرات التي تعمل مع الخلايا الكروية كان يقودها تشينغ كونغ ، دكتوراه ، في جامعة ويسكونسن ماديسون. تم التعرف على بروتين MscL وتم استنساخ جينه في عام 1994 من قبل Sergei Sukharev ، دكتوراه ، ثم عضو في مختبر Kung. يقول هاسويل إن تجربته في جولة القوة تضمنت إعادة تشكيل أجزاء من غشاء البلازما البكتيري إلى أغشية اصطناعية (الجسيمات الشحمية) لمعرفة ما إذا كانت ستمنح قناة توصيل كبيرة.

إن تمثيلات قسم المسام لقناة MscS في الإشريكية القولونية في تكويناتها غير الموصلة (العلوية) والمفتوحة (السفلية) تستند إلى دراسات التبلور بالأشعة السينية لهيكل البروتين. غالبًا ما يوصف الانتقال بين الحالات المغلقة والمفتوحة على أنه مشابه لتضييق وتوسيع حدقة العين. The “closed” state can still appear to have an opening because amino acids around the opening act as a “hydrophobic plug” that prevents ions from moving through it.

In 1999, the gene encoding MscS was identified in the lab of Ian Booth, PhD, at the University of Aberdeen. Comparatively, little work has been done on the mini channel, which is finicky and often doesn't show up, Haswell says, though a protein contributing to MscM activity was recently identified by Booth's group.

Once both genes were known, researchers did knockout experiments to see what happened to bacteria that didn't have the genes needed to make the channels. What they found, says Haswell, was that if both the MscL and MscS genes were missing, the cells could not survive "osmotic downshock," the bacterial equivalent of water torture.

"The standard assay," Haswell says, "is to grow the bacteria for a couple of generations in a very salty broth, so that they have a chance to balance their internal osmolyte concentration with the external one." (Osmolytes are molecules that affect osmosis, or the movement of water into and out of the cell.) "They do this," she says, "by taking up osmolytes from the environment and by making their own."

"Then," she says, "you take these bacteria that are chockfull of osmolytes and throw them into fresh water. If they don't have the MscS and MscL proteins that allow them to dump ions to avoid the uncontrolled influx of water, they don't survive." It's a bit like dumping saltwater fish into a freshwater aquarium.

Why are there three mechanosenstivie channel activities? The currently accepted model, Haswell says is that the channels with the smaller conductances are the first line of defense. They open early in response to osmotic shock so that the channel of large conductance, through which molecules the cell needs can escape, doesn't open unless it is absolutely necessary. The graduated response thus gives the cell its best chance for survival.

E. coli’s MscL and MscS channels (left), says Haswell, may be reduced forms of mechanosensitive channels. Many of the other known channels have extensions either outside or inside the cell that suggest they are up to something more complex than MscL and MscS. (The small brown clothespins between blue squiggles are a schematic representation of the plasma membrane the channels bridge.)

Crystallizing the proteins

The next step in this scientific odyssey, figuring out the proteins' structures, also was very difficult. Protein structures are traditionally discovered by purifying a protein, crystallizing it out of a water solution, and then bombarding the crystal with X-rays. The positions of the atoms in the protein can be deduced from the X-ray diffraction pattern.

In a sense crystallizing a protein isn't all that different from growing rock candy from a sugar solution, but, as always, the devil is in the details. Protein crystals are much harder to grow than sugar crystals and, once grown, they are extremely fragile. They even can even be damaged by the X-ray probes used to examine them.

And to make things worse MscL and MscS span the plasma membrane, which means that their ends, which are exposed to the periplasm outside the cell and the cytoplasm inside the cell, are water-loving and their middle sections, which are stuck in the greasy membrane, are repelled by water. Because of this double nature it is impossible to precipitate membrane proteins from water solutions.

Instead the technique is to surround the protein with what have been characterized as "highly contrived detergents," that protect them — but just barely — from the water. Finding the magical balance can take as long as a scientific career.

The first mechanosensitive channel to be crystallized was MscL—not the protein in بكتريا قولونية but the analogous molecule (a homolog) from the bacterium that causes tuberculosis. This work was done in the lab of one of Haswell's co-authors, Douglas C. Rees a Howard Hughes investigator at the California Institute of Technology.

MscS from بكتريا قولونية was crystallized in the Rees laboratory several years later, in 2002, and an MscS protein with a mutation that left it stuck in the presumed open state was crystallized in the Booth laboratory in 2008. "So now we have two crystal structures for MscS and two (from different bacterial strains) for MscL," Haswell says.

Of plants and mutants

Up to this point, mechanosensitive channels might not seem all that interesting because the lives of bacteria are not of supreme interest to us unless they are making us ill.

However, says, Haswell, in the early 2000s, scientists began to compare the genes for the bacterial channels to the genomes of other organisms and they discovered that there are homologous sequences not just in other bacteria but also in some multicellular organisms, including plants.

"This is where I got involved," she says. "I was interested in gravity and touch response in plants. I saw these papers and thought these homologs were great candidates for proteins that might mediate those responses."

"There are 10 MscS-homologs in Arabidopsis and no MscL homologs," she says. "What's more, different homologs are found not just in the cell membrane but also in chloroplast and mitochondrial membranes. "

The chloroplast is the light-capturing organelle in a plant cell and the mitochondria is its power station both are thought to be once-independent organisms that were engulfed and enslaved by cells which found them useful. Their membranes are vestiges of their free-living past.

The number of homologs and their locations in plant cells suggests these channels do much more than prevent the cells from taking on board too much water.

So what exactly were they doing? To find out Haswell got online and ordered Arabidopsis seeds from the Salk collection in La Jolla, Calif., each of which had a mutation in one of the 10 channel genes.

From these mutants she's learned that two of the ten channels control chloroplast size and proper division as well as leaf shape. Plants with mutations in these two MscS channel homologs have giant chloroplasts that haven't divided properly. The monster chloroplasts garnered her lab the cover of the August issue of The Plant Cell.

"We showed that bacteria lacking MscS and MscL don't divide properly either,"Haswell says, "so the link between these channels and division is evolutionarily conserved."

But Haswell and her co-authors think they are only scratching the surface. "We are basing our understanding of this class of channels on MscS itself, which is a very reduced form of the channel," she says. "It's relatively tiny."

"But we know that some of the members of this family have long extensions that stick out from the membrane either outside or inside the cell. We suspect this means that the channels not only discharge ions, but that they also signal to the whole cell in other ways. They may be integrated into common signaling pathways, such as the cellular osmotic stress response pathway.

We think we may be missing a lot of complexity by focusing too exclusively on the first members of this family of proteins to be found and characterized," she says. "We think there's a common channel core that makes these proteins respond to membrane tension but that all kinds of functionally relevant regulation may be layered on top of that."

"For example," she says, "there's a channel in بكتريا قولونية that's closely related to MscS that has a huge extension outside the cell that makes it sensitive to potassium. So it's a mechanosensitive channel but it only gates in the presence of potassium. What that's important for, we don't yet know, but it tells us there are other functions out there we haven't studied."

What about the sensitive plant?

So are these channels at the bottom of the really fast plant movements like the sensitive plant's famous touch shyness? (To see a movie of this and other "nastic" (fast) movements, go to the Plants in Motion site maintained by Haswell's colleague Roger P. Hangartner of Indiana University).

Haswell is circumspect. "It's possible," she says. "In the case of ميموزا بوديكا there's probably an electrical impulse that triggers a loss of water and turgor in cells at the base of each leaflet, so these channel proteins are great candidates.


Classen, D.E. وSponsor, B.S.: Effects of gravity on liposome-reconstituted cardiac gap junction channelling activity. بيوتشيم. بيوفيز. الدقة. Com., 161 (1), 358–362 (1989).

Fernandes de Lima, V. M., Goldermann, M. وHanke, W.: The retinal spreading depression. Shaker Verlag, Aachen, Germany, (1999).

Fujieda, S. Mogami, Y. Baba, S. A., Shibata, F. وArasato, T. (1995). Effect of micro gravity on the spatial oscillation behaviour of Belousov-Zhabotinskii reactions catalysed by ferroin. Space Utilization Res., 12, 207–210 (1997).

Fujieda, S., Mogami, Y., Moriyasu, K. وMori, Y.: Nonequilibrium / nonlinear chemical oscillation in the virtual absence of gravity. Adv Space Res., 23 (12), 2057–2063 (1999).

Graille, C., Shlyck, G., Buser, P., Kozlovskaia, I. وRouguel-Buser, A.: Inflight electroretinograms compared to ground controls in behaving monkeys: differences in attentional states? مخ. الدقة. Rev., 28, 52–60 (1998).

Grundel, A., Drescher, J., Spatenko, Y.A. وPolyakov, V.V.: Heart period and heart-period variability during sleep on the MIR space station. J. Sleep Res., 8, 37–43 (1999).

Hanke, W., Goldermann, M., Brand, S. وFernandes de Lima, V.M. The retinal spreading depression: A Model for non-linear behaviour of the brain. In: A perspective look at nonlinear media — from physics to biology and social sciences. Paresi et al., eds, Springer, Berlin, Germany, pp. 227–243 (1998).

Hanke, W., Wiedemann, M. وFernandes de Lima, V. M.: Control of excitability of neuronal tissue by weak external forces. Faraday Discuss., 120, 237–248 (2001).

Meissner, K. وHanke, W.: Patch clamp experiments under microgravity. J. of Gravitational Physiol., 9 (1), 377–378 (2002). Meissner, K., Schwertner, J. and Hanke, W.: Hoch hinaus. Biologie in unserer Zeit, 6, 390–395 (2003).

Rüegg, D.G., Kakebeeke, T.H. وStuder, L.M.: Einfluß der Schwerkraft auf die Fortleitungsgeschwindigkeit von Muskel-Aktionspotentialen. In: Bilanzsymposium Forschung unter Weltraumbedingungen. Kelle, H. and Sahm, P.R., eds., WPF, Aachen, Germany, pp. 752–759 (2000).

Wiedemann, M., Fernandes de Lima, V.M. وHanke, W.: Gravity dependence of waves in the retinal spreading depression and in gel-type Belousov-Zhabotinsky systems. PCCP, 4, 1370–1373 (2002).

Wiedemann, M., Rahmann, H. and Hanke, W.: Gravitational impact on ion channels incorporated into planar lipid bilayers. In: Planar lipid bilyers and their aplications. TiTien and Ottova, eds., Elesevier Sciences. pp., 669–698 (2003).


Mechanosensitive channels are activated by stress in the actin stress fibres, and could be involved in gravity sensing in plants

H. Tatsumi, Department of Physiology, Nagoya University Graduate School of Medicine, 65 Tsurumai Showa-ku, Nagoya Aichi 4668550, Japan.

EcoTopia Science Institute, Nagoya University, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

Graduate School of Biological Science, Nara Institute of Science and Technology, Nara, Japan

FIRST Research Center for Innovative Nanobiodevice, Nagoya University, Nagoya, Japan

Nagoya University Graduate School of Medicine, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

Nagoya University Graduate School of Medicine, Nagoya, Japan

H. Tatsumi, Department of Physiology, Nagoya University Graduate School of Medicine, 65 Tsurumai Showa-ku, Nagoya Aichi 4668550, Japan.

EcoTopia Science Institute, Nagoya University, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

Graduate School of Biological Science, Nara Institute of Science and Technology, Nara, Japan

FIRST Research Center for Innovative Nanobiodevice, Nagoya University, Nagoya, Japan

Nagoya University Graduate School of Medicine, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

الملخص

Mechanosensitive (MS) channels are expressed in a variety of cells. The molecular and biophysical mechanism involved in the regulation of MS channel activities is a central interest in basic biology. MS channels are thought to play crucial roles in gravity sensing in plant cells. To date, two mechanisms have been proposed for MS channel activation. One is that tension development in the lipid bilayer directly activates MS channels. The second mechanism proposes that the cytoskeleton is involved in the channel activation, because MS channel activities are modulated by pharmacological treatments that affect the cytoskeleton. We tested whether tension in the cytoskeleton activates MS channels. Mammalian endothelial cells were microinjected with phalloidin-conjugated beads, which bound to stress fibres, and a traction force to the actin cytoskeleton was applied by dragging the beads with optical tweezers. MS channels were activated when the force was applied, demonstrating that a sub-pN force to the actin filaments activates a single MS channel. Plants may use a similar molecular mechanism in gravity sensing, since the cytoplasmic Ca 2+ concentration increase induced by changes in the gravity vector was attenuated by potential MS channel inhibitors, and by actin-disrupting drugs. These results support the idea that the tension increase in actin filaments by gravity-dependent sedimentation of amyloplasts activates MS Ca 2+ -permeable channels, which can be the molecular mechanism of a Ca 2+ concentration increase through gravistimulation. We review recent progress in the study of tension sensing by actin filaments and MS channels using advanced biophysical methods, and discuss their possible roles in gravisensing.


The Relative Refractory Period:

Immediately after the absolute refractory period, the cell can generate an action potential, but only if it is depolarized to a value more positive than normal threshold. This is true because some sodium channels are still inactive and some potassium channels are still open. This is called the relative refractory period. The cell has to be depolarized to a more positive membrane potential than normal threshold to open enough sodium channels to begin the positive feedback loop. The lengths of the absolute and relative refractory periods are important because they determine how fast neurons can generate action potentials.

The neuron is a cell with electric activity. It is based on the idea that neuronal activity can be completely described by the flow of different currents associated with the neuron's membrane. The membrane of the cell has an electric potential Vم called membrane potential and is assumed equal at all points of the membrane. The presence of such an electric potential at the membrane of the neuron is the result of the charges balancing between the internal and external environment of the cell. Several types of ions of either positive or negative charge are present outside and inside the cell, and the difference between inner and the outer concentration of the different ion species produces the polarization of the membrane. The membrane potential is measured in Volts (V). The electric activity of a neuron is due to the continuous exchanges of electric currents or charges with other neurons.

To understand the generation of sodium and potassium currents with respect to the action potential generation with the help of remotely triggered equipment.

Hardware neuron model can provide real time processing. By going through the circuit dynamics one can understand both biological as well as physiological behaviors of neuron.

We have designed an analog neuron model using Resistors, transistors, capacitors and externally input voltage. These all are some basic electronic components which will make analog neuron to behave like normal neuron.

  • Resistance represents the difficulty a particle experiences while moving in a medium. It is measured in ohms. The inverse of resistance is conductance. Conductance is the ease at which a particle can move through a medium. It is measured in Siemens. Because they are inversely related, high conductance are correlated to low resistance, and vice versa. It is important to note that generally speaking resistance and conduction in the neuron are dealing with the ability of ions to cross the membrane. Thus it often referred to as membrane resistance or membrane conductance. As such, when the majority of ion channels are closed, few ions cross the membrane, and membrane resistance is said to be high.
  • The capacitor is a passive electronic components consisting of pair of conductors separated by an insulator. The cell membrane is also said to act as a capacitor, and has a property known as capacitance. A capacitor consists of two conducting regions separated by an insulator. A capacitor works by accumulating a charge on one of the conducting surfaces. As this charge builds, it creates an electric field that pushes like charges on the other side of the insulator away. This causes an induced current known as a capacitive current. It is important to realize that there is no current between the conducting surfaces of the capacitor. Capacitance may be defined two ways as:

Thus given a set number of charges on each side of the membrane, a higher capacitance results in a lower potential difference. In a cellular sense, increased capacitance requires a greater ion concentration difference across the membrane.

  • Transistor is an active semiconductor device commonly used to amplify (strengthen) or switch electronic signal. Here we are using 3 transistors, two NPN and one PNP transistor. Transistor has mainly three terminals. Emitter (E), Base (B) and Collector(C). Transistor T1 and T3 are NPN transistor and T2 is a PNP transistor. For an NPN transistor collector voltage is more positive than emitter. So current flows from collector to emitter. For a PNP transistor emitter voltage is more positive than collector. So current flows from emitter to collector.

We have added one diode at the base of T1 to eliminate the bias voltage of T2. Strictly speaking it limits the fast inward current to a short burst.

Here we give an input excitation to the cell membrane as square wave form of amplitude 2Volt peak to peak (Vص), since we want to obtain the output as pulse wave form. A square wave resembles to an impulse wave form in shape when pulse width is low. Here R1 represent a variable resistor which represent the membrane resistance and is inversely proportional to membrane conductance. By varying this R1 membrane conductance can be changed considerably i.e., when membrane resistance (R1) decreases the membrane conductance increases making flow of signals easier. Cm is the membrane capacitance. In any cell membrane there is a charge separation across the cell. The seperation of charge by a insulator causes a capacitive effect on the cell. This effect is modelled as membrane capacitance. If there is only the resistor when the input voltage is applied, then voltage will be changed to steady state value, hence we are using a capacitor Cm along with it which resist this change. When the applied input makes the membrane capacitance to change above threshold value, then only voltage gated sodium channels open. The membrane potential is measured with respect to ground.


When the input excitation is given the membrane capacitance Cm begins to charge, when the voltage across the capacitor reaches more than cut in voltage of transistor T1, the transistor turns on and the current flows from collector to emitter. Then the base voltage of transistor T2 becomes less and T2 also turns on and current flows from emitter to collector i.e., Na channel is on and Iنا begins to flow inwardly. The energy for it provided by an electrical gradient of Na + across the membrane, here it is modelled as Eنا.


The threshold value of potassium channels is modeled as transistor base emitter cut in voltage. The sodium current charges the capacitor C1. When the voltage across the capacitor C1 reaches more than cut in voltage of transistor T3, the transistor turns on and the potassium current flows from collector to emitter outwardly i.e., K channels on. Thus the depolarising phase of an action potential.

By this time membrane capacitor Cm becomes fully charged and begins to discharge i.e., when the capacitor voltage drops transistor T1 turn off, consequently T2. Then sodium current stops its flow i.e., sodium channel closes. As a result capacitor C1 begins to discharge and transistor T3 turn which leads potassium current to stop flow. Thus the repolarising phase of an action potential.

To study the effects of drugs like TEA or TTX on the ion channels.

Some chemical agents can selectively block voltage-dependent membrane channels. Tetrodoxin (TTX), which comes from the Japanese puffer fish, blocks the voltage-dependent changes in Na + permeability, but has no effect on the voltage-dependent changes in K + permeability. This observation indicates that the Na + and K + channels are unique one of these can be selectively blocked and not affect the other. Another agent, tetraethylammonium (TEA), has no effect on the voltage-dependent changes in Na+ permeability, but it completely abolishes the voltage-dependent changes in K + permeability.


شاهد الفيديو: الأرض مسطحة I سلسلة 21 رصاصة I الرصاصة الأولى I الشمس و الشروق والغروب (ديسمبر 2022).