Τι γίνεται όταν τα κύτταρα αποδέχονται την ζημία; Understand article
Μεταφρασμένο από τον Κωνσταντίνο Μιχαλοδημητράκη. Οι επιστήμονες προτείνουν μία νέα υπόθεση για να αντιμετωπίσουν ένα από τα μεγάλα εναπομείναντα μυστήρια…
Kintsugi είναι μία αρχαία Ιαπωνική τέχνη επισκευής σπασμένων κεραμικών με χρυσό ή άλλα πολύτιμα υλικά. Η φιλοσοφία πίσω από αυτή είναι ότι το σπάσιμο και η επισκευή είναι αναπόσπαστα μέρη της ζωής ενός αντικειμένου και μπορεί ακόμα και να οδηγήσουν σε πιο πολύτιμα αντικείμενα. Σύμφωνα με μία υπόθεση που αναπτύχθηκε από τους επιστήμονες Detlev Arendt και Thibaut Brunet στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (European Molecular Biology Laboratory, EMBL)w1 στην Χαϊδελβέργη στη Γερμανία, προγονικά ευκαρυωτικά κύτταρα μπορεί να είχαν υποβληθεί σε μία παρόμοια διεργασία ζημιάς και επιδιόρθωσης που, με την πορεία της εξέλιξης, οδήγησε σε πολύ εξειδικευμένα εγκεφαλικά και μυϊκά κύτταρα (Brunet & Arendt, 2016).
Ένα κυτταρικό δηλητήριο
Όταν ένας νευρώνας ή ένα μυϊκό κύτταρο στο σώμα μας ανιχνεύσει ένα σήμα, αποκρίνεται με το να επιτρέψει σε κάποια ιόντα, όπως νατρίου και ασβεστίου, να μπουν μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτή η ροή μορίων προς τα μέσα ενεργοποιεί ακριβείς αποκρίσεις, που κάνουν τα μυϊκά κύτταρα να συσπώνται και τους νευρώνες να απελευθερώνουν χημικά τα οποία είναι υπεύθυνα για την επικοινωνία μεταξύ κυττάρων. Το πώς εξελίχθηκε το κεντρικό νευρικό μας σύστημα για να χρησιμοποιεί αυτά τα χημικά εναύσματα είναι ακόμα μυστήριο, αλλά οι Detlev και Thibaut πλησιάζουν πιο κοντά σε μία απάντηση.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Scott Ingram· πηγή εικόνας: Flickr
Το ασβέστιο είναι σε υψηλές συγκεντρώσεις επιβλαβές για όλα τα ζωντανά κύτταρα, καθώς σχηματίζει αδιάλυτα συσσωματώματα με μόρια που είναι κλειδιά για την κυτταρική επιβίωση. Για αυτό το ασβέστιο μπορεί να είναι 10 000 φορές λιγότερο στο εσωτερικό του κυττάρου από ότι είναι στο αίμα. Η χημική σύνθεση των σύγχρονων κυττάρων θεωρείται ότι είναι ένα «δακτυλικό αποτύπωμα» της σύστασης του περιβάλλοντος στο οποίο ξεκίνησε η ζωή πριν από περισσότερο από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα πρώτα κύτταρα, καθώς ήταν διαπερατά για μικρά μόρια, είχαν την ίδια σύσταση με το υδάτινο περιβάλλον στο οποίο ζούσαν, όπου η συγκέντρωση του ασβεστίου ήταν χαμηλή. Όταν όμως τα προγονικά κύτταρα εκτέθηκαν για πρώτη φορά σε περιβάλλοντα πλούσια σε ασβέστιο, πιθανότατα περίπου πριν από 1,5 δισεκατομμύριο χρόνια, αναγκάστηκαν να αναπτύξουν μία απόκριση για να προστατέψουν τον εαυτό τους από αυτό το τοξικό μόριο. Εφόσον μία από τις κύριες οδούς εισροής ασβεστίου στο κύτταρο είναι η ρήξη της κυτταρικής μεμβράνης, οι επιστήμονες πιστεύουν πως μια πολύ σημαντική κυτταρική απόκριση έπρεπε να αντισταθμίζει την ζημία της μεμβράνης.
«Εάν κοιτάξετε ευκαρυωτικά κύτταρα, από φύκη μέχρι νευρώνες, η πλειοψηφία των μορίων που κάνουν ένα κύτταρο να συσπάται είναι ευαίσθητα στο ασβέστιο, οπότε εικάσαμε ότι η κυτταρική σύσφιξη εξελίχθηκε αρχικά σε απόκριση σε μια εισροή εξωτερικού δηλητηρίου έτσι ώστε να κλείσει η μεμβράνη μόλις σπάσει», λέει ο Thibaut. «Αυτό ήταν λίγο μία προσπάθεια στην τύχη, αλλά όταν κοιτάξαμε στην βιβλιογραφία για να δοκιμάσουμε αυτή την υπόθεση, μας συνεπήρε όταν είδαμε ότι αυτός είναι ο πραγματικός τρόπος που δουλεύει!»
Ο δρόμος προς τους νευρώνες και τους μυς
Ακολουθώντας την διάρρηξη της κυτταρικής μεμβράνης, δύο ευαίσθητες στο ασβέστιο πρωτεΐνες, που ονομάζονται ακτίνη και μυοσίνη, οργανώνονται σε ένα δακτύλιο γύρω από την πληγή στην μεμβράνη. Το πλέγμα που δημιουργείται από ακτίνη και μυοσίνη συρρικνώνεται, κάνοντας την κυτταρική μεμβράνη να συσφιχθεί και σταδιακά να κλείσει την πληγή. Το ασβέστιο επίσης ενεργοποιεί την απευλευθέρωση δομών που μοιάζουν με φυσαλίδες, που λέγονται κυστίδια. Αυτά τα κυστίδια είναι πλούσια σε μόρια λιπιδίων, οπότε παρέχουν νέους δομικούς λίθους στην σπασμένη κυτταρική μεμβράνη. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτός ο μηχανισμός επούλωσης πληγών μπορεί να ήταν η πρώτη «απόκριση έκτακτης ανάγκης» των προγονικών κυττάρων στην εισροή ασβεστίου.
ημερών: οι μυς φαίνονται με
κόκκινο χρώμα και το
νευρικό σύστημα με
πράσινο.
Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Thibaut Brunet
/ EMBL
Όπως συμβαίνει συχνά στην εξέλιξη, αυτός ο μηχανισμός – ο οποίος αρχικά εξελίχθηκε για την επιδιόρθωση της μεμβράνης – αποδείχθηκε χρήσιμος σε άλλες περιπτώσεις. Η συστολή της μεμβράνης, που παραμορφώνει το κύτταρο, έγινε ένας τρόπος για να κινούνται τα κύτταρα. Η απελευθέρωση μορίων με έκκριση μέσω κυστιδίων έγινε ένας πανίσχυρος τρόπος επικοινωνίας με άλλα κύτταρα.
Καθώς αυξανόταν η πολυπλοκότητα των προγονικών κυττάρων, τα προγονικά κύτταρα έφτιαξαν συστήματα που ελέγχουν την συστολή και την έκκριση μιμούμενα την διάρρηξη της μεμβράνης, με το να προωθούν μία ελεγχόμενη εισροή ασβεστίου. Αυτό το σύστημα αναπτύχθηκε περεταίρω και η εισροή ιόντων μπορούσε να πολλαπλασιαστεί ενεργά σε ένα δυναμικό ενέργειας – ένα σύντομο ηλεκτρικό σήμα που μπορεί να εξαπλωθεί γρήγορα στην κυτταρική μεμβράνη, ενεργοποιώντας την συστολή και την έκκριση. Τα προγονικά κύτταρα πλέον έκαναν ταυτόχρονα διαφορετικές διεργασίες: μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα δυναμικό δράσης που προκαλούσε την συστολή ενός μέρους του ίδιου του κυττάρου. Επίσης δυναμικά ενέργειας διέγειραν την απελευθέρωση κυστιδίων γεμάτων με χημικά που είναι απαραίτητα για την επικοινωνία μεταξύ κυττάρων, κάτι που οδηγούσε στην μετάδοση της δράσης συστολής σε γειτονικά κύτταρα.
Μερικοί από αυτούς τους κυτταρικούς προγόνους οδήγησαν αργότερα σε δύο ξεχωριστούς τύπους κυττάρων μέσω του διαχωρισμού της εργασίας: στην κυριολεξία διασπάστηκαν σε δύο κλάδους, τα συσταλτικά και τα μηχανοαισθητήρια κύτταρα. Στον ένα κλάδο, τα συσταλτικά κύτταρα, των οποίων η κύρια δράση ήταν να συστέλλονται, έχουν εξελιχθεί σε μυϊκά κύτταρα. Στον άλλο κλάδο, μηχανοαισθητήρια κύτταρα, τα οποία έχουν εξειδικευτεί στην δημιουργία δυναμικών ενέργειας και στην απελευθέρωση κυστιδίων επικοινωνίας μεταξύ κυττάρων, έχουν εξελιχθεί στους νευρώνες που βλέπουμε σήμερα. Αλλά τα αρχαία μονοπάτια έχουν διατηρηθεί: ακόμα και τώρα, οι νευρώνες και τα μυϊκά μας κύτταρα ακόμα βασίζονται στην ελεγχόμενη εισροή ενός δυνατού κυτταρικού δηλητηρίου – του ασβεστίου – για να αποφασίσουν πότε να εκκρίνουν και να συστέλλονται.
References
- Brunet T, Arendt D (2016) From damage response to action potentials: early evolution of neural and contractile modules in stem eukaryotes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B, Biological Sciences 371: 20150043
Web References
- w1 – Διαβάστε περισσότερα για το Arendt Group στο EMBL.
Institutions
Review
Μπορείτε να σκεφτείτε μία δυσκολία που καταφέρατε να ξεπεράσετε και τελικά σας έκανε πιο δυνατούς; Σύμφωνα με αυτό το άρθρο, αρχαία ευκαρυωτικά κύτταρα μπορεί να πέρασαν από διεργασίες ζημιάς και επιδιόρθωσης που οδήγησαν σε πιο εξειδικευμένα κύτταρα – χάρη στην εξέλιξη.
Οι ιδέες που αναφέρονται στο άρθρο μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μαθήματα βιολογίας στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση, ειδικά όταν μελετάται βιοχημεία και η εξέλιξη. Το κείμενο επίσης αναδεικνύει το γεγονός ότι οι χημικές αντιδράσεις και φυσικές διεργασίες κατέχουν ένα καθοριστικό ρόλο στις κυτταρικές διεργασίες.
Πριν διαβάσουν το άρθρο, οι μαθητές θα μπορούσαν να σκεφτούν τι οδήγησε την εξέλιξη των απλών ευκαρυωτικών κυττάρων σε πιο πολύπλοκα.
Εκτός από το να χρησιμοποιηθεί ως άσκηση κατανόησης, το άρθρο μπορεί να βοηθήσει στην αύξηση της επίγνωσης της σημασίας της εξέλιξης για την ανάπτυξη της ζωής στον πλανήτη μας. Πιθανές ερωτήσεις για συζήτηση περιλαμβάνουν:
- Πώς αντιδρούν οι νευρώνες ή τα μυϊκά κύτταρα στο ανθρώπινο σώμα όταν ανιχνεύσουν ένα σήμα;
- Γιατί είναι οι υψηλές συγκεντρώσεις ασβεστίου επιβλαβείς για όλα τα ζωντανά κύτταρα;
- Ποιος είναι ο ρόλος των πρωτεϊνών ακτίνης και μυοσίνης μετά την διάρρηξη της κυτταρικής μεμβράνης;
- Πώς επικοινωνούν μεταξύ τους τα κύτταρα;
- Τι είναι ένα δυναμικό ενέργειας;
Mireia Güell Serra, Ισπανία