• About Science in School
  • About EIROforum
  • Submit an article
Science in School
Science in School
  • Understand
    • Recent research and science topics
      • Astronomy / space
      • Biology
      • Chemistry
      • Earth science
      • Engineering
      • General science
      • Health
      • History
      • Mathematics
      • Physics
      • News from the EIROs
      • Science and society
  • Inspire
    • People, events and resources
      • Advertorials
      • Career focus
      • Competitions and events
      • Education focus
      • Resource reviews
      • Science and society
      • Science miscellany
      • Scientist profiles
      • Teacher profiles
  • Teach
    • Activities and projects
      • Astronomy / space
      • Biology
      • Chemistry
      • Earth science
      • Engineering
      • General science
      • Health
      • History
      • Mathematics
      • Physics
      • Science and society
  • Archive
  • Login
  • Contact
Godište:
14-16, 16-19
Issue 38
 -  15/11/2019

Šta se dešava kada ćelije prihvate oštećenje?

Giorgia Guglielmi

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.
 

Artistic impression of a network of neurons. The branched extensions, known as dendrites, transmit impulses to the cell body.
Umetnička slika mreže neurona. Izraštaji koji nalikuju granama, poznati kao dendriti, prenose impulse do tela ćelije.
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.

A 3-day-old larva of Platynereis: muscles are shown in red and the nervous system in green.
Larva Platynereis stara 3
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.

 

Reference

  • 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

Internet reference

  • w1 – Pročitajte više o Arendt Group na EMBL.

Institution

EMBL   

Autor

Rođena u Apuliji, sunčanoj regiji na jugu Italije, Giorgia Guglielmi je stekla svoje diplome osnovnih i master studija iz biologije na Univerzitetu u Rimu ‘Tor Vergata’. Od tada, pridružila se Timu za biologiju razvića u Evropskoj laboratoriji za molekularnu Biologiju (EMBL) u Hajdelbergu u Nemačkoj, da istraži kako se embrioni oblikuju tokom razvića. Giorgia-ini napori da kontroliše kontrakciju u pojedinačnim ćelijama Drosophila-e upotrebom lasera doneli su joj nadimak “ubica muva” i doktorat iz oblasti biologije summa cum laude. Entuzijasta za naučnu komunikaciju, Giorgia je sada polaznik programa za naučno pisanje Tehnološkog Instituta u Masačusetsu (Massachusetts Institute of Technology (MIT)). Kada nije na MIT-u (guglielm@mit.edu), možete je naći na Tviteru (Twitter) @GiorgiaWithAnI ili na biciklu negde u Masačusetsu.

CC-BY
  • Log in or register to post comments
Log in to post a comment

Issues

  • Current issue
  • Archive

Institutions

Tools

  • Download article (PDF)
  • Print
  • Share

Recenzija

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
Biologija, Biohemija, Evolūcija

Godište:
14-16, 16-19

Povezani članci

  • Stem ćelije kancera – nada za budućnost?
  • Evolucija na delu: patogeni
  • Istraživanje uzroka šizofrenije
  • Sta znamo o klimi? Ispitujuci antropoloske efekte globalnog zagrevanja
  • Prirodni eksperimenti: izvođenje laboratorije napolje

Login / My account

Create new account
Forgot password


Contact us

Please contact us via our email address editor@scienceinschool.org.

  • More contact details

Get involved

  • Submit an article
  • Review articles
  • Translate articles

Support Science in School


EIROforum members:
CERN European Molecular Biology Laboratory European Space Agency European Southern Observatory
European Synchrotron Radiation Facility EUROfusion European XFEL Institut Laue-Langevin


EIROforum
Published and funded by EIROforum


  • About Science in School
  • About EIROforum
  • Imprint
  • Copyright
  • Safety note
  • Disclaimer
  • Archive
  • Donate
  • Contact
  • Facebook
  • Twitter
ISSN 1818-0361

CERN
European Molecular Biology Laboratory
European Space Agency
European Southern Observatory
European Synchrotron Radiation Facility
EUROfusion
European XFEL
Institut Laue-Langevin
EIROforum

Published and funded by EIROforum
  • About Science in School
  • About EIROforum
  • Imprint
  • Copyright
  • Safety note
  • Disclaimer
  • Archive
  • Donate
  • Contact
  • Facebook
  • Twitter
ISSN 1818-0361