Трансдукция механических стимулов

Реферат на тему:

«Трансдукция механических стимулов»
План Трансдукция механических стимулов Структура рецепторов волосковых клеток Трансдукция через отклонение волоскового пучка Концевые связи и воротные пружины Адаптация волосковых клеток

Литература

Трансдукция механических стимулов

Очевидно, что должны существовать чувствительные к растяжению ионные каналы, расположенные на механочувствительных нервных окончаниях, где генерируется рецепторный потенциал. Более того, эти каналы трансдукции должны отличаться от каналов, обеспечивающих генерацию потенциала действия, поскольку ответы на растяжение сохраняются в присутствии местного анестетика, который блокирует распространение возбуждения. Механочувствительные ионные каналы обнаружены в самых разнообразных клетках и органах, включая эндотелиальные клетки кровеносных сосудов, барорецепторы в каротидном синусе, рецепторы прикосновения и давления в коже, мышечные рецепторы растяжения и Механочувствительные волосковые клетки внутреннего уха.

Методом фиксации напряжения было показано, что токи, лежащие в основе рецепторного потенциала в рецепторах растяжения рака, обусловлены увеличением проницаемости как для натрия и калия, так и для двухвалентных катионов, а также для более крупных органических катионов, таких как трис (три аминометан) и аргинин. Увеличение проводимости, вызванное растяжением, не чувствительно к тетродотоксину, однако подвержено влиянию некоторых местных анестетиков. Рецепторные потенциалы в мышечных веретенах позвоночных также связаны с увеличением катионной проницаемости.

Одиночные каналы, активируемые прогибанием мембраны (membrane distortion), впервые наблюдали в мембранных кусочках (пэтчах) из эмбриональных мышечных клеток цыпленка и в мембранах других клеток, не имеющих отношения к сенсорной трансдукции. Пэтч-отведения активности похожих каналов, сделанные на первичных дендритах рецептора растяжения рака, показывают, что относительные проницаемости этих каналов для натрия, калия и кальция согласуются с более ранними наблюдениями, сделанными на целой клетке. О том, как деформация мембраны вызывает открывание каналов, пока почти ничего не известно. Механочувствительные волосковые клетки уха позвоночных

Наше понимание механотрансдукции продвинулось дальше всего в изучении волосковых клеток позвоночных. Механочувствительные волосковые клетки внутреннего уха реагируют на акустическую вибрацию или движения головы, вызывающие перемещение жидкости в полостях внутреннего уха. Точная форма перемещения жидкости зависит от конфигурации и состава конкретного концевого органа, задействованного в каждом процессе. В главе 18 мы обсуждаем частотно-специфичный паттерн колебаний мембран в спирали улитки и различные функции внутренних и внешних волосковых клеток для слухового восприятия. Здесь достаточно будет указать, что волосковые клетки в улитке (cochlea) стимулируются движениями жидкости в диапазоне акустической частоты - у человека от 20 до 20000 Гц. Вестибулярные концевые органы внутреннего уха построены совершенно иначе и реагируют на гораздо более низкие частоты, возникающие при движениях головы. Гравитационная нагрузка на мешочек (saccule) и маточку (utricle), создаваемая содержащей кристаллики отолитовой мембраной (otolithic membrane), обеспечивает чувствительность этих эпителиальных структур к линейному ускорению. Волосковые клетки в полукружных каналах (semicircular canals) активируются угловым ускорением при вращении головы. Независимо от типа движения, перемещение жидкости вызывает отклонение пучка модифицированных микроворсинок, или стереоцилий, которые отходят от апикальной поверхности волосковой клетки. Отклонение пучка напрямую приводит к открыванию механочувствительных ионных каналов.

  Структура рецепторов волосковых клеток

Волосковые клетки и окружающие их вспомогательные клетки формируют эпителиальные слои, которыми отделены друг от друга разнородные жидкие среды внутреннего уха. Базально-латеральные участки мембраны волосковых клеток омываются перилимфой, сходной по составу с обычной внеклеточной жидкостью, содержащей много натрия и мало калия. Апикальная поверхность волосковой клетки, формирующая волоски, повернута в сторону эндолимфы, раствора, сходного определенным образом с цитоплазмой и содержащего калий в высокой концентрации, а натрий и кальций - в низкой. Волосковые клетки на своих базально-латеральных поверхностях формируют синоптические контакты с афферентными волокнами. Некоторые волосковые клетки также получают синоптические входы от эфферентных нейронов ствола мозга.

На волосковых клетках разных типов, независимо от места их расположения, находится от нескольких десятков до сотен ранжированных по высоте стереоцилий (видоизмененных микроворсинок, содержащих филаменты полимеризованного актина). Самые длинные стереоцилий обнаружены на волосковых клетках полукружных каналов, самые короткие - в высокочастотной области улитки. В составе любого пучка стереоцилий расположены в порядке повышения высоты, как трубы органа или как ступеньки лестничного марша. Во многих волосковых клетках находится только один настоящий волосок, киноцилий (содержащий набор из 9 + 2 микротрубочек), который находится возле центра самого высокого ряда стереоцилий. В волосковых клетках улитки киноцилии присутствуют только в раннем онтогенезе, позже они исчезают. Стереоцилий закреплены своим основанием в покровной пластинке. Во время отклонения пучка стереоцилий ведут себя как жесткие удилища и сгибаются только в месте прикрепления⁾. Разнообразные боковые сочленения способствуют тому, что скопление стереоцилий перемещается как единый колосковый пучок.

Трансдукция через отклонение волоскового пучка

Уже несколько лет известно, что электрические реакции в волосковых клетках возникают благодаря деформации волоскового пучка, однако для непосредственного экспериментального подтверждения этого потребовалась разработка чувствительной аппаратуры, которая могла бы вызвать и измерить ничтожно малые перемещения при отведении от волосковых клеток. Слуховой и вестибулярный эпителий холоднокровных позвоночных, таких как черепахи и лягушки, оказался наиболее удобным для проведения таких опытов. Процедуры, использованные Кроуфордом и Феттиплейсом для стимуляции волосковых клеток в базальном сосочке (basilar papilla) черепахи (слуховой эпителий, аналог органа Корти у млекопитающих). Базальные сосочки были извлечены из внутреннего уха и помещены в солевом растворе в камеру, смонтированную на предметном столике микроскопа. Микроэлектрод записывает потенциал мембраны волосковой клетки, в то время как стекловолокно, прикрепленное к пьезоэлектрическому манипулятору, давит на пучок волосков. Проецируя изображение стекловолокна на пару фотодиодов, можно уловить смещения всего на 1 нм. Такой стимул производит в волосковой клетке изменение потенциала величиной в 0,2 мВ.

Хадспет и его коллеги детально описали процесс трансдукции в вестибулярных волосковых клетках лягушки. В одной из серий экспериментов они непосредственно продемонстрировали функциональную ориентацию волоскового пучка, варьируя направление стимуляции, осуществляемой пьезоэлектрическим манипулятором. Отклонения в сторону киноцилия деполяризовали клетку, тогда как движение от него приводили к гиперполяризации. Отклонение пучка в направлении, перпендикулярном этой оси, не вызвало изменений мембранного тока. Величина изменения потенциала, генерируемого в волосковой клетке, изменяется в зависимости от угла отклонения пучка.

Концевые связи и воротные пружины

Какая структурная особенность волоскового пучка могла бы лежать в основе ориентационной избирательности трансдукции? Пикльз и коллеги, используя сканирующий электронный микроскоп, описали уникальный класс внеклеточных связей, соединяющих верхушки одного волоска с боковой поверхностью соседнего, более длинного волоска. Эти концевые связи наблюдались только вдоль оси механической стимуляции (т. е. ориентированы вверх и вниз по «лестнице»). Положение концевых связей позволяет предположить, что они могут быть вовлечены в механотрансдукцию, а воздействие, разрывающее концевую связь, должно прекращать трансдукцию. Действительно, внеклеточные отведения указывают на то, что каналы, активируемые механическим стимулом, расположены вблизи вершины волоскового пучка.

Количественные измерения трансдукции и идентификация концевых связей были объединены в гипотезе воротной пружины (gating spring), описывающей механизм механотрансдукции в волосковых клетках. Отклонение волоскового пучка в «позитивном» направлении (в сторону более высоких волосков) увеличивает расстояние между концами волосков, растягивает воротную пружину, открывая таким образом ворота каналов трансдукции. Когда пучок смещается в сторону, противоположную более длинным волоскам, происходит сжатие пружины, и каналы закрываются. Хотя такая схема может показаться достаточно идеализированной, однако требование прямой физической связи между механикой пучка и открыванием канала диктуется огромной скоростью, с которой в волосковых клетках происходит трансдукция, имеющая постоянную времени открывания около 40 мкс. К тому же энергетика и механика трансдукции согласуются с данной моделью. Например, можно измерить уменьшение жесткости пучка по мере того, как открываются каналы трансдукции, так, будто это молекулярное движение действительно снимает напряжение с воротной пружины. Каналы трансдукции в волосковых клетках

Какого типа каналы открываются на концах волосковых клеток? Оказалось, что это неизбирательные катионные каналы, имеющие значительную кальциевую проводимость. Проводимость одиночного канала - около 100 пСм. На основании этих данных, а также измерений величины общего генераторного тока можно рассчитать, что каждая волосковая клетка имеет около 100 каналов трансдукции. Это соответствует всего нескольким каналам на один стереоцилий.

Очень малое количество каналов в каждой волосковой клетке существенно затрудняет их биохимическое и молекулярно-биологическое исследование. Каналы трансдукции волосковых клеток не являются потенциалзависимыми и не открываются какими-либо лигандами в традиционном смысле этого слова. Поэтому маловероятно, что возможна жесткая гомологичность между ними и другими классами управляемых ионных каналов, для которых гены уже описаны. Однако все больше механочувствительных ионных каналов клонируется из бактерий, дрожжей, нематод и мух, так что гены-претенденты, скорее всего, будут определены в ближайшем будущем.

  Адаптация волосковых клеток

Волосковые клетки чрезвычайно чувствительны, пороговые ответы в них возникают при смещении волоскового пучка менее чем на 10^--9 м. Поэтому кажется весьма вероятным, что некоторые виды адаптивных процессов должны восстанавливать чувствительность в присутствии «фоновых» стимулов. Например, вестибулярные волосковые клетки в маточке и мешочке должны оставаться чувствительными к самым незначительным движениям головы, испытывая постоянное влияние силы тяжести, действующей на покровную отолитовую мембрану. Путем прямого измерения можно показать, что в процессе длительного смещения волосковые клетки действительно адаптируются.

Результат эксперимента, в котором постоянное отклонение на 0,65 мкм было приложено к пучку ресничек волосковой клетки черепахи, мембранный потенциал в которой устанавливался на разных уровнях путем фиксации напряжения. При -72 м В входящий трансдукционныи ток сначала достигал на пике 100 пА, а затем спадал с постоянной времени примерно 10 мс. Это адаптивное изменение вызвано притоком ионов кальция через открытые трансдукционные каналы. Когда потенциал мембраны был фиксирован на +60 мВ, то возникал выходящий трансдукционный ток (равновесный потенциал равен 0 мВ), который сохранялся неизменным, адаптация при этом устранялась. При +60 мВ движущая сила для кальция мала, и в клетку проникает небольшое количество кальция. В других экспериментах адаптация также устранялась удалением кальция из внеклеточного раствора или внутриклеточной инъекцией сильных кальциевых хелаторов).

В некоторых волосковых клетках адаптация сопровождается изменениями жесткости пучка, что предполагает «переустановку» жесткости воротной пружины⁾. Это наблюдение, в сочетании с кальциевой зависимостью адаптации, привело к предположению, что движение миозина вдоль актинового каркаса стереоцилии может смещать положение места прикрепления концевой связи, изменяя жесткость пучка. Путем клонирования миозинов из внутреннего уха и использования специфических антител, было показано, что миозин Ι (немышечная форма) расположен вблизи концов стереоцилии в волосковых клетках лягушки. Эта относительно медленная адаптация, основанная на действии миозина, вероятно, является наиболее значимой в вестибулярных волосковых клетках. Более быстрая форма адаптации в слуховых волосковых клетках обусловлена ионами кальция, действующими непосредственно на трансдукционные каналы, заставляя их закрываться.

Тесная связь между механическим входом и открыванием трансдукционного канала имеет важные последствия для функции внутреннего уха. Такая тесная связь предполагает, что в процессе трансдукции будет возникать отрицательная обратная связь. Таким образом, рецепторный потенциал изменяет вход кальция (через изменение движущей силы), приводя к изменениям жесткости или положения волоскового пучка. Действительно, изменение мембранного потенциала волосковых клеток черепахи приводит волосковый пучок в движение.

Литература

1.   Грегори Р.Л. Разумный глаз.

2.   Леках В.А. Ключ к пониманию физиологии.

3.   Гамов Г., Ичас М. Мистер Томпкинс внутри самого себя: Приключения в новой биологии.