Šta se dešava kada ćelije prihvate oštećenje? Understand article
Prevela Nina Portolan (Biološki fakultet Univerziteta u Beogradu). Naučnici predlažu novu hipotezu koja se bavi jednom od preostalih velikih misterija evolucije životinja.
Kintsugi je drevna japanska veština popravljanja polomljenog keramičkog posuđa zlatom ili drugim plemenitim metalima. Filozofija iza ovog običaja je da su lomljenje i popravka sastavni deo života predmeta, i u stvari mogu doprineti njegovoj vrednosti. Prema hipotezi koju su razvili Detlev Arendt i Thibaut Brunet iz Evropske Laboratorije za Molekularnu Biologiju (European Molecular Biology Laboratory (EMBL) w1) u Hajdelbergu u Nemačkoj, predačke eukariotske ćelije su možda prošle kroz sličan process popravke koji je tokom evolucije omogućio razvoj veoma specijalizovanih moždanih i mišićnih ćelija (Brunet & Arendt, 2016).
Ćelijski otrov
Kada neuron ili mišićna ćelija u našem telu detektuje signal ona odgovara tako što dopušta da neki joni poput natrijuma i kalcijuma kroz ćelijsku membranu uđu u ćeliju. Ovaj priliv molekula u ćeliju pokreće precizne odgovore, koji uzrokuju da se mišićne ćelije kontrahuju i da neuroni otpuste hemijske supstance odgovorne za komunikaciju među ćelijama. Kako je naš centralni nervni system evoluirao da koristi ove hemijske okidače je još uvek misterija, ali Detlev i Thibaut su sve bliže odgovoru.
Slika dobijena od Scott Ingram; izvor slike: Flickr
Pri visokim koncentracijama kalcijum je štetan za sve žive ćelije zbog toga što stvara nerastvorne agregate sa molekulima neophodnim za opstanak ćelije. Ovo je razlog zašto kalcijuma može biti i do 10 000 puta manje u ćeliji nego u krvi. Hemijski sastav današnjih ćelija smatra se “otiskom prsta” sastava sredine u kojoj je život nastao pre više od 3,5 milijardi godina. Pošto su bile propustljive za male molekule, prve ćelije su imale isti hemijski sastav kao i vodena sredina u kojoj su živele, gde je koncentracija kalcijuma bila niska. Ali, kada su se predačke ćelije prvi put susrele sa sredinom bogatom kalcijumom, najverovatnije pre oko 1,5 milijardi godina, morale su da razviju odgovor kojim bi se zaštitile od ovog toksičnog molekula. Pošto je jedan od glavnih puteva ulaska kalcijuma u ćeliju pucanje membrane, naučnici veruju da je veoma važan odgovor ćelije morao biti suprotstavljanje oštećenju membrane.
“ Ako pogledate eukariotske ćelije, od algi do neurona, većina molekula koji omogućavaju čine da se ćelija kontrahuje su osetljivi na kalcijum, tako da smo spekulisali da se konstrikcija ćelije prvobitno razvila kao odgovor na ulazak otrova iz spoljašnje sredine, kako bi se zatvorila membrana nakon pucanja,” kaže Thibaut. “Ovde je bilo i malo nagađanja, ali kada smo pogledali literaturu da bi testirali ovu hipotezu, bili smo uzbuđeni jer smo videli da ovo zaista jeste način na koji to funkcioniše!”
Put do neurona i mišića
Nakon pucanja ćelijske membrane, dva kalcijum-senzitivna molekula pod nazivom aktin i miozin, formiraju prsten oko otvora u membrani. Mreža koju formiraju aktin i miozin se skuplja, što dovodi do konstrikcije membrane i postepenog zatvaranja “rane”. Kalcijum je takođe okidač za oslobađanje struktura nalik na mehuriće pod nazivom vezikule. Ove vezikule su pune molekula masti, koji će oštećenoj ćelijskoj membrani obezbediti nove gradivne elemente. Naučnici veruju da je ovaj mehanizam “zatvaranja rana” možda bio “odgovor u hitnim slučajevima” za predačke ćelije pri ulasku kalcijuma.
dana: mišići su prikazani
crvenom bojom, a nervni
sistem zelenom.
Slika dobijena od: Thibaut
Brunet / EMBL
Kao što je to često slučaj u evoluciji, ovaj mehanizam – prvobitno nastao u svrhu popravke membrane – pokazao se korisnim i u drugim situacijama. Kontrakcija membrane, koja deformiše ćeliju, postala je način da se ćelije kreću. Oslobađanje molekula iz vezikula postalo je moćan način za komunikaciju sa drugim ćelijama.
Kako su postajale sve kompleksnije, predačke ćelije su formirale sisteme koji kontrolišu kontrakciju i sekreciju tako što imitiraju pucanje membrane, pospešujući kontrolisan ulaz kalcijuma u ćeliju. Ovaj sistem se dalje razvijao i ulazak (influks) jona se sada mogao aktivno povećati tako da nastane akcioni potencijal – kratkotrajan električni signal koji može brzo da se širi membranom, pokrećući pritom procese kontrakcije i sekrecije. Predačke ćelije su sada mogle da obavljaju više zadataka istovremeno: da generišu akcioni potencijal koji će uzrokovati da se deo te iste ćelije kontrahuje. Akcioni potencijali su takođe stimulisali oslobađanje vezikula sa hemikalijama neophodnim za komunikaciju između ćelija, što je dovelo do širenja kontraktilne aktivnosti na susedne ćelije.
Neke od ovih predačkih ćelija kasnije će dati dva posebna tipa ćelija kroz podelu rada: bukvalno su se podelile u dve grane, kontraktilne ćelije i mehanosenzorne ćelije. Od jedne grane, čija je primarna uloga bila kontrakcija, evoluirale su mišićne ćelije. Od druge grane, mehanosenzornih ćelija, koje su bile specijalizovane za genezu akcionog potencijala i oslobađanje vezikula za međućelijsku komunikaciju, nastali su neuroni kakve poznajemo danas. Ali, prastari putevi su očuvani: čak i danas, naši neuroni i mišići se i dalje oslanjaju na kontrolisan ulazak jakog ćelijskog otrova-kalcijuma – da bi odlučile kada da se kontrahuju ili da izluče produkte.
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 – Pročitajte više o Arendt Group na EMBL.
Institutions
Review
Možete li da se setite neke poteškoće koju ste prevazišli i to vas je učinilo jačim? Prema ovom članku, prastare eukariotske ćelije su možda prošle kroz procese oštećenja i poravke koji su doveli do nastanka više specijalizovanih ćelija- zahvaljujući evoluciji.
Ideje koje se pominju u članku mogu da se koriste na časovima biologije u srednjoj školi, pogotovo kada se uče biohemija i evolucija. Tekst takođe naglašava činjenicu da hemijski procesi imaju ključnu ulogu u procesima u ćeliji.
Pre nego što pročitaju tekst, učenici mogu da razmisle o tome šta je pokrenulo evoluciju jednostavnih eukariotskih ćelija u kompleksnije organizme.
Osim što se koristi kao vežba za razumevanje, ovaj članak može da pomogne podizanju svesti o važnosti evolucije u razvoju života na našoj planeti. Pitanja za diskusiju mogu da uključuju:
- Kako neuroni i mišićne ćelije u ljudskom organizmu reaguju kada detektuju signal?
- Zašto su visoke koncentracije kalcijuma štetne za sve žive ćelije?
- Koja je uloga proteina aktina i miozina nakon oštećenja membrane?
- Kako ćelije komuniciraju?
- Šta je akcioni potencijal?
Mireia Güell Serra, Španija