Реферат на тему:
Методом фіксації напруги було показано, що струми, що лежать в основі рецепторного потенціалу в рецепторах розтягування раку, обумовлені збільшенням проникності як для натрію і калію, так і для двовалентних катіонів, а також для більш великих органічних катіонів, таких як трис (три амінометан) і аргінін. Збільшення провідності, викликане розтяганням, не відчутно до тетродотоксин, однак піддається впливу деяких місцевих анестетиків. Рецепторні потенціали в м'язових веретенах хребетних також пов'язані зі збільшенням катіонної проникності.
На волоскових клітинах різних типів, незалежно від місця їх розташування, знаходиться від декількох десятків до сотень ранжируваних по висоті стереоцілій (видозмінених мікроворсинок, які містять філаменти полімеризованого актину). Найдовші стереоцілій виявлені на волоскових клітинах півколових каналів, самі короткі - у високочастотній області равлики. У складі будь-якого пучка стереоцілій розташовані в порядку підвищення висоти, як труби органу або як сходинки сходового маршу. У багатьох волоскових клітинах перебуває тільки один справжній волосок, кіноцілій (що містить набір з 9 + 2 мікротрубочок), який знаходиться біля центру найвищого ряду стереоцілій. У волоскових клітинах равлики кіноціліі присутні тільки в ранньому онтогенезі, пізніше вони зникають. Стереоцілій закріплені своєю основою в покривної платівці. Під час відхилення пучка стереоцілій ведуть себе як жорсткі вудилища і згинаються тільки в місці прикріплення). Різноманітні бокові зчленування сприяють тому, що скупчення стереоцілій переміщується як єдиний Колосковий пучок.
Хадспет і його колеги детально описали процес трансдукції у вестибулярних волоскових клітинах жаби. В одній із серій експериментів вони безпосередньо продемонстрували функціональну орієнтацію волосових пучка, варіюючи напрямок стимуляції, здійснюваної п'єзоелектричним маніпулятором. Відхилення у бік кіноцілія деполяризувати клітку, тоді як рух від нього приводили до гіперполяризації. Відхилення пучка в напрямку, перпендикулярному цієї осі, не викликало змін мембранного струму. Величина зміни потенціалу, що генерується в волоскові клітини, змінюється в залежності від кута відхилення пучка.
Кінцеві зв'язку та Воротні пружини
Яка структурна особливість волосових пучка могла б лежати в основі орієнтаційної вибірковості трансдукції? Пікльз і колеги, використовуючи скануючий електронний мікроскоп, описали унікальний клас позаклітинних зв'язків, що з'єднують верхівки одного волоска з бічною поверхнею сусіднього, більш довгого волосини. Ці кінцеві зв'язку спостерігалися тільки уздовж осі механічної стимуляції (тобто орієнтовані вгору і вниз по «сходах»). Положення кінцевих зв'язків дозволяє припустити, що вони можуть бути залучені в механотрансдукцію, а вплив, розриває кінцеву зв'язок, має припиняти трансдукція. Дійсно, позаклітинні відведення вказують на те, що канали, що активуються механічним стимулом, розташовані поблизу вершини волосових пучка.
Дуже мала кількість каналів в кожній волоскові клітини істотно ускладнює їх біохімічне та молекулярно-біологічне дослідження. Канали трансдукції волоскових клітин не є потенціалзалежні і не відкриваються будь-якими лігандами в традиційному сенсі цього слова. Тому малоймовірно, що можлива жорстка гомологічного між ними та іншими класами керованих іонних каналів, для яких гени вже описані. Проте все більше механочувствітельних іонних каналів клонується з бактерій, дріжджів, нематод і мух, так що гени-претенденти, швидше за все, будуть визначені в найближчому майбутньому.
Результат експерименту, в якому постійне відхилення на 0,65 мкм було докладено до пучка війок волоскові клітини черепахи, мембранний потенціал в якій встановлювався на різних рівнях шляхом фіксації напруги. При -72 м У входить трансдукціонниі струм спочатку досягав на піку 100 пА, а потім спадав з постійною часу приблизно 10 мс. Це адаптивне зміна викликано притоком іонів кальцію через відкриті трансдукціонние канали. Коли потенціал мембрани був фіксований на +60 мВ, то виникав виходить трансдукціонний струм (рівноважний потенціал дорівнює 0 мВ), який зберігався незмінним, адаптація при цьому усувалася. При +60 мВ рушійна сила для кальцію мала, і в клітку проникає невелика кількість кальцію. В інших експериментах адаптація також усувалася видаленням кальцію з позаклітинного розчину або внутрішньоклітинної ін'єкцією сильних кальцієвих хелатор).
У деяких волоскових клітинах адаптація супроводжується змінами жорсткості пучка, що передбачає «переустановку» жорсткості ворітної пружини). Це спостереження, в поєднанні з кальцієвої залежністю адаптації, призвело до припущення, що рух міозину уздовж актинового каркаса стереоціліі може зміщувати положення місця прикріплення кінцевий зв'язку, змінюючи жорсткість пучка. Шляхом клонування міозином з внутрішнього вуха і використання специфічних антитіл, було показано, що міозин Ι (нем'язові форма) розташований поблизу кінців стереоціліі в волоскових клітинах жаби. Ця відносно повільна адаптація, заснована на дії міозину, ймовірно, є найбільш значущою в вестибулярних волоскових клітинах. Більш швидка форма адаптації в слухових волоскових клітинах обумовлена іонами кальцію, що діють безпосередньо на трансдукціонние канали, змушуючи їх закриватися.
Тісний зв'язок між механічним входом і відкриванням трансдукціонного каналу має важливі наслідки для функції внутрішнього вуха. Такий тісний зв'язок передбачає, що в процесі трансдукції буде виникати негативний зворотний зв'язок. Таким чином, рецепторний потенціал змінює вхід кальцію (через зміну рушійної сили), приводячи до змін жорсткості або положення волосових пучка. Дійсно, зміна мембранного потенціалу волоскових клітин черепахи призводить волоскові пучок в рух.
Література
1. Грегорі Р.Л. Розумний очей.
2. Леках В.А. Ключ до розуміння фізіології.
3. Гамов Г., Ічасо М. Містер Томпкинс всередині самого себе: Пригоди в новій біології.
«Трансдукція механічних стимулів»
План
Трансдукція механічних стимулів
Структура рецепторів волоскових клітин
Трансдукція через відхилення волосових пучка
Кінцеві зв'язку та Воротні пружини
Адаптація волоскових клітин
ЛітератураТрансдукція механічних стимулів
Очевидно, що повинні існувати чутливі до розтягування іонні канали, розташовані на механочувствітельних нервових закінченнях, де генерується рецепторний потенціал. Більш того, ці канали трансдукції повинні відрізнятися від каналів, що забезпечують генерацію потенціалу дії, оскільки відповіді на розтяг зберігаються в присутності місцевого анестетика, який блокує поширення збудження. Механочувствітельние іонні канали виявлені в самих різноманітних клітинах і органах, включаючи ендотеліальні клітини кровоносних судин, барорецептори в каротидному синусі, рецептори дотику і тиску в шкірі, м'язові рецептори розтягування і Механочувствітельние волоскові клітини внутрішнього вуха.Методом фіксації напруги було показано, що струми, що лежать в основі рецепторного потенціалу в рецепторах розтягування раку, обумовлені збільшенням проникності як для натрію і калію, так і для двовалентних катіонів, а також для більш великих органічних катіонів, таких як трис (три амінометан) і аргінін. Збільшення провідності, викликане розтяганням, не відчутно до тетродотоксин, однак піддається впливу деяких місцевих анестетиків. Рецепторні потенціали в м'язових веретенах хребетних також пов'язані зі збільшенням катіонної проникності.
Поодинокі канали, що активуються прогибанием мембрани (membrane distortion), вперше спостерігали в мембранних шматочках (петча) з ембріональних м'язових клітин курчати і в мембранах інших клітин, що не мають відношення до сенсорної трансдукції. Петч-відведення активності схожих каналів, зроблені на первинних дендритах рецептора розтягування раку, показують, що відносні проникності цих каналів для натрію, калію і кальцію узгоджуються з більш ранніми спостереженнями, зробленими на цілій клітині. Про те, як деформація мембрани викликає відкривання каналів, поки майже нічого не відомо. Механочувствітельние волоскові клітини вуха хребетних
Наше розуміння механотрансдукціі просунулося найдалі у вивченні волоскових клітин хребетних. Механочувствітельние волоскові клітини внутрішнього вуха реагують на акустичну вібрацію або руху голови, викликають переміщення рідини в порожнинах внутрішнього вуха. Точна форма переміщення рідини залежить від конфігурації та складу конкретного кінцевого органу, задіяного у кожному процесі. У главі 18 ми обговорюємо частотно-специфічний паттерн коливань мембран в спіралі равлика і різні функції внутрішніх і зовнішніх волоскових клітин для слухового сприйняття. Тут досить буде вказати, що волоскові клітини в завитці (cochlea) стимулюються рухами рідини в діапазоні акустичної частоти - у людини від 20 до 20000 Гц. Вестибулярні кінцеві органи внутрішнього вуха побудовані зовсім інакше і реагують на набагато більш низькі частоти, що виникають при рухах голови. Гравітаційна навантаження на мішечок (saccule) і маточку (utricle), створювана містить кристалики отолітової мембраною (otolithic membrane), забезпечує чутливість цих епітеліальних структур до лінійного прискорення. Волоскові клітини в напівкружних каналах (semicircular canals) активуються кутовим прискоренням при обертанні голови. Незалежно від типу руху, переміщення рідини викликає відхилення пучка модифікованих мікроворсинок, або стереоцілій, які відходять від апікальної поверхні волоскові клітини. Відхилення пучка безпосередньо призводить до відкривання механочувствітельних іонних каналів.Структура рецепторів волоскових клітин
Волоскові клітини і навколишні їх допоміжні клітини формують епітеліальні шари, якими відокремлені один від одного різнорідні рідкі середовища внутрішнього вуха. Базально-латеральні ділянки мембрани волоскових клітин омиваються перилімфою, схожою за складом з звичайної позаклітинної рідиною, що містить багато натрію і мало калію. Апикальная поверхню волоскові клітини, що формує волоски, повернена у бік ендолімфи, розчину, схожого певним чином з цитоплазмою і містить калій у високій концентрації, а натрій і кальцій - у низькій. Волоскові клітини на своїх базально-латеральних поверхнях формують синоптичні контакти з аферентними волокнами. Деякі волоскові клітини також отримують синоптичні входи від еферентних нейронів стовбура мозку.На волоскових клітинах різних типів, незалежно від місця їх розташування, знаходиться від декількох десятків до сотень ранжируваних по висоті стереоцілій (видозмінених мікроворсинок, які містять філаменти полімеризованого актину). Найдовші стереоцілій виявлені на волоскових клітинах півколових каналів, самі короткі - у високочастотній області равлики. У складі будь-якого пучка стереоцілій розташовані в порядку підвищення висоти, як труби органу або як сходинки сходового маршу. У багатьох волоскових клітинах перебуває тільки один справжній волосок, кіноцілій (що містить набір з 9 + 2 мікротрубочок), який знаходиться біля центру найвищого ряду стереоцілій. У волоскових клітинах равлики кіноціліі присутні тільки в ранньому онтогенезі, пізніше вони зникають. Стереоцілій закріплені своєю основою в покривної платівці. Під час відхилення пучка стереоцілій ведуть себе як жорсткі вудилища і згинаються тільки в місці прикріплення). Різноманітні бокові зчленування сприяють тому, що скупчення стереоцілій переміщується як єдиний Колосковий пучок.
Трансдукція через відхилення волосових пучка
Вже кілька років відомо, що електричні реакції в волоскових клітинах виникають завдяки деформації волосових пучка, однак для безпосереднього експериментального підтвердження цього потрібна розробка чутливої апаратури, яка могла б викликати і виміряти мізерно малі переміщення при відведенні від волоскових клітин. Слуховий та вестибулярний епітелій холоднокровних хребетних, таких як черепахи і жаби, виявився найбільш зручним для проведення таких дослідів. Процедури, використані Кроуфордом і Феттіплейсом для стимуляції волоскових клітин у базальному сосочке (basilar papilla) черепахи (слуховий епітелій, аналог органу Корті у ссавців). Базальні сосочки були витягнуті з внутрішнього вуха і поміщені в сольовому розчині в камеру, змонтовану на предметному столику мікроскопа. Мікроелектрод записує потенціал мембрани волоскові клітини, в той час як скловолокно, прикріплене до п'єзоелектричному маніпулятору, тисне на пучок волосків. Проектуючи зображення скловолокна на пару фотодіодів, можна вловити зміщення всього на 1 нм. Такий стимул виробляє в волоскові клітини зміна потенціалу величиною в 0,2 мВ.Хадспет і його колеги детально описали процес трансдукції у вестибулярних волоскових клітинах жаби. В одній із серій експериментів вони безпосередньо продемонстрували функціональну орієнтацію волосових пучка, варіюючи напрямок стимуляції, здійснюваної п'єзоелектричним маніпулятором. Відхилення у бік кіноцілія деполяризувати клітку, тоді як рух від нього приводили до гіперполяризації. Відхилення пучка в напрямку, перпендикулярному цієї осі, не викликало змін мембранного струму. Величина зміни потенціалу, що генерується в волоскові клітини, змінюється в залежності від кута відхилення пучка.
Кінцеві зв'язку та Воротні пружини
Яка структурна особливість волосових пучка могла б лежати в основі орієнтаційної вибірковості трансдукції? Пікльз і колеги, використовуючи скануючий електронний мікроскоп, описали унікальний клас позаклітинних зв'язків, що з'єднують верхівки одного волоска з бічною поверхнею сусіднього, більш довгого волосини. Ці кінцеві зв'язку спостерігалися тільки уздовж осі механічної стимуляції (тобто орієнтовані вгору і вниз по «сходах»). Положення кінцевих зв'язків дозволяє припустити, що вони можуть бути залучені в механотрансдукцію, а вплив, розриває кінцеву зв'язок, має припиняти трансдукція. Дійсно, позаклітинні відведення вказують на те, що канали, що активуються механічним стимулом, розташовані поблизу вершини волосових пучка.
Кількісні вимірювання трансдукції та ідентифікація кінцевих зв'язків були об'єднані в гіпотезі ворітної пружини (gating spring), яка описує механізм механотрансдукціі в волоскових клітинах. Відхилення волосових пучка в «позитивному» напрямку (у бік більш високих волосків) збільшує відстань між кінцями волосків, розтягує ворітну пружину, відкриваючи таким чином ворота каналів трансдукції. Коли пучок зміщується в бік, протилежний більш довгим волоскам, відбувається стиснення пружини, і канали закриваються. Хоча така схема може здатися досить ідеалізованої, однак вимога прямої фізичної зв'язку між механікою пучка і відкриванням каналу диктується величезною швидкістю, з якою у волоскових клітинах відбувається трансдукція, що має постійну часу відкривання близько 40 мкс. До того ж енергетика та механіка трансдукції узгоджуються з цією моделлю. Наприклад, можна виміряти зменшення жорсткості пучка в міру того, як відкриваються канали трансдукції, так, ніби це молекулярний рух дійсно знімає напругу з ворітної пружини. Канали трансдукції в волоскових клітинах
Якого типу канали відкриваються на кінцях волоскових клітин? Виявилося, що це не вибіркові катіонні канали, що мають значну кальцієву провідність. Провідність одиночного каналу - близько 100 ПСМ. На підставі цих даних, а також вимірювань величини загального генераторного струму можна розрахувати, що кожна волосових клітина має близько 100 каналів трансдукції. Це відповідає всього декількох каналах на один стереоцілій.Дуже мала кількість каналів в кожній волоскові клітини істотно ускладнює їх біохімічне та молекулярно-біологічне дослідження. Канали трансдукції волоскових клітин не є потенціалзалежні і не відкриваються будь-якими лігандами в традиційному сенсі цього слова. Тому малоймовірно, що можлива жорстка гомологічного між ними та іншими класами керованих іонних каналів, для яких гени вже описані. Проте все більше механочувствітельних іонних каналів клонується з бактерій, дріжджів, нематод і мух, так що гени-претенденти, швидше за все, будуть визначені в найближчому майбутньому.
Адаптація волоскових клітин
Волоскові клітини надзвичайно чутливі, порогові відповіді в них виникають при зміщенні волосових пучка менш ніж на 10 - 9 м. Тому здається вельми вірогідним, що деякі види адаптивних процесів повинні відновлювати чутливість у присутності «фонових» стимулів. Наприклад, вестибулярні волоскові клітини в маточки і мішечку повинні залишатися чутливими до самих незначних рухам голови, відчуваючи постійний вплив сили тяжіння, що діє на покривну отолітового мембрану. Шляхом прямого вимірювання можна показати, що в процесі тривалого зміщення волоскові клітини дійсно адаптуються.Результат експерименту, в якому постійне відхилення на 0,65 мкм було докладено до пучка війок волоскові клітини черепахи, мембранний потенціал в якій встановлювався на різних рівнях шляхом фіксації напруги. При -72 м У входить трансдукціонниі струм спочатку досягав на піку 100 пА, а потім спадав з постійною часу приблизно 10 мс. Це адаптивне зміна викликано притоком іонів кальцію через відкриті трансдукціонние канали. Коли потенціал мембрани був фіксований на +60 мВ, то виникав виходить трансдукціонний струм (рівноважний потенціал дорівнює 0 мВ), який зберігався незмінним, адаптація при цьому усувалася. При +60 мВ рушійна сила для кальцію мала, і в клітку проникає невелика кількість кальцію. В інших експериментах адаптація також усувалася видаленням кальцію з позаклітинного розчину або внутрішньоклітинної ін'єкцією сильних кальцієвих хелатор).
У деяких волоскових клітинах адаптація супроводжується змінами жорсткості пучка, що передбачає «переустановку» жорсткості ворітної пружини). Це спостереження, в поєднанні з кальцієвої залежністю адаптації, призвело до припущення, що рух міозину уздовж актинового каркаса стереоціліі може зміщувати положення місця прикріплення кінцевий зв'язку, змінюючи жорсткість пучка. Шляхом клонування міозином з внутрішнього вуха і використання специфічних антитіл, було показано, що міозин Ι (нем'язові форма) розташований поблизу кінців стереоціліі в волоскових клітинах жаби. Ця відносно повільна адаптація, заснована на дії міозину, ймовірно, є найбільш значущою в вестибулярних волоскових клітинах. Більш швидка форма адаптації в слухових волоскових клітинах обумовлена іонами кальцію, що діють безпосередньо на трансдукціонние канали, змушуючи їх закриватися.
Тісний зв'язок між механічним входом і відкриванням трансдукціонного каналу має важливі наслідки для функції внутрішнього вуха. Такий тісний зв'язок передбачає, що в процесі трансдукції буде виникати негативний зворотний зв'язок. Таким чином, рецепторний потенціал змінює вхід кальцію (через зміну рушійної сили), приводячи до змін жорсткості або положення волосових пучка. Дійсно, зміна мембранного потенціалу волоскових клітин черепахи призводить волоскові пучок в рух.
Література
1. Грегорі Р.Л. Розумний очей.
2. Леках В.А. Ключ до розуміння фізіології.
3. Гамов Г., Ічасо М. Містер Томпкинс всередині самого себе: Пригоди в новій біології.