Informacije

Jonski kanali pod uticajem gravitacije

Jonski kanali pod uticajem gravitacije


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

U literaturi sam otkrio da se akcijski potencijali ponašaju drugačije kada se promijeni gravitacija (ne mogu u potpunosti pristupiti).

Svojstva akcijskog potencijala ovise o gravitaciji. http://link.springer.com/article/10.1007/BF02870977

Postoje li jonski kanali u neuronima za koje je manje ili više vjerovatno da će biti osjetljivi na promjene u gravitaciji?


Ujedinjeni u raznolikosti: mehanoosjetljivi ionski kanali u biljkama

Mehanosenzitivni (MS) ionski kanali uobičajeni su mehanizam za opažanje i reagiranje na mehaničku silu. Ova klasa mehanoreceptora je sposobna prenijeti napetost membrane izravno u ionski tok. U biljnim sistemima, predloženo je da ionski kanali MS imaju širok raspon uloga, od percepcije dodira i gravitacije do osmotske homeostaze unutarstaničnih organela. Identificirane su tri porodice biljnih MS ionskih kanala: porodice slične MscS (MSL), aktivnosti koje dopunjuju Mid1 (MCA) i porodice s dvije pore kalija (TPK). Kanali iz ovih porodica uvelike variraju u strukturi i funkciji, lokalizirani su u više ćelijskih odjeljaka i provode jone klorida, kalcija i/ili kalija. Međutim, oni i dalje vjerovatno predstavljaju samo dio raznolikosti MS jonskih kanala u biljnim sistemima.

Ključne riječi: MCA MSL MscS TPK1 mehanotransdukcija.

Figure

Modeli za mehanoosjetljive (MS) ione…

Modeli za mehanosenzitivno (MS) gajting jonskih kanala. ( a ) Model poremećaja lipida...

Filogenetski odnosi, podstanične lokalizacije i ...

Filogenetski odnosi, subćelijske lokalizacije i topologije kanala sličnih MscS (MSL). ( a )…

Molekularno nekarakterisani mehanosenzitivni jon (MS) ...

Molekularno neokarakterizirane aktivnosti jonskih kanala (MS) identificirane u biljnim membranama. Plazma membrana - lokalizirana ...


Biljke osjećaju silu: kako biljke osjećaju dodir, gravitaciju i druge fizičke sile

„Zamislite sebe kako planinarite kroz šumu ili hodate po travnjaku,“ kaže Elizabeth Haswell, PhD, docentica biologije u Umjetnosti i nauci na Univerzitetu Washington u St. Louisu. "Sada se zapitajte: zna li grmlje da netko prolazi pored njih? Zna li trava da se lomi pod nogama? Naravno, biljke ne razmišljaju o mislima, ali reagiraju na dodir na nekoliko načina. "

"Jasno je", kaže Haswell, "da biljke mogu reagirati na fizičke podražaje, poput gravitacije ili dodira. Korijeni rastu," osjetljiva biljka "presavija lišće, a loza se uvija oko rešetke. Ali mi tek počinjemo da saznaju kako to rade", kaže ona.

Osamdesetih godina prošlog stoljeća rad s bakterijskim stanicama pokazao je da imaju mehanoosjetljive kanale, sitne pore u staničnoj membrani koje se otvaraju kada se ćelija napuhne vodom i membrana se rastegne, puštajući nabijene atome i druge molekule da jure iz ćelije. Voda prati ione, ćelija se skuplja, membrana se opušta, a pore se zatvaraju.

U bakteriji su pronađeni geni koji kodiraju sedam takvih kanala Escherichia coli i 10 in Arabidopsis thaliana, mala cvjetnica srodna senfu i kupusu. Oboje E. coli i Arabidopsis služe kao uzorni organizmi u Haswellovoj laboratoriji.

Ona sumnja da postoji još mnogo kanala koje tek treba otkriti i da će se pokazati da imaju širok spektar funkcija.

Nedavno su Haswell i kolege sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju, koji su glavni istraživači na grantu Nacionalnog instituta za zdravlje (NIH) za analizu mehanosenzitivnih kanala, napisali pregledni članak o dosadašnjem radu kako bi "složili svoje misli "dok su se pripremali za pisanje obnove granta. Recenzija se pojavila u izdanju časopisa od 11. oktobra Struktura.

Oticanje bakterija može izgledati nepovezano sa presavijanjem letaka, ali Haswell je spreman kladiti se da su svi povezani i da su mehanoosjetljivi ionski kanali u dnu svih. Na kraju krajeva, pokreti biljaka - i brzi i spori - su na kraju svi hidraulički pokretani tamo gdje ioni idu, a voda će ih pratiti.

Giant E. coli ćelije

Veliki problem pri proučavanju ionskih kanala oduvijek je bila njihova mala veličina, što predstavlja ogromne tehničke izazove.

Rani radovi na terenu, koji su učinjeni kako bi se razumjeli ionski kanali čije koordinirano otvaranje i zatvaranje stvara živčani impuls, obavljeni su u izuzetno velikim ćelijama: džinovskim živčanim stanicama europske lignje, koje su imale dovoljno velike projekcije da se vide golim okom .

Eksperimenti s tim kanalima na kraju su doveli do razvoja osjetljive električne tehnike snimanja poznate kao patch stezaljka koja je omogućila istraživačima da ispitaju svojstva jednog ionskog kanala. Patch clamp snimanje koristi kao elektrodu staklenu mikropipetu koja ima otvoreni vrh. Vrh je dovoljno mali da zatvara "zakrpu" stanične membrane koja često sadrži samo jedan ili nekoliko jonskih kanala.

Rad sa patch stezaljkama pokazao je da postoji mnogo različitih tipova jonskih kanala i da su oni uključeni ne samo u prijenos nervnih impulsa već i u mnoge druge biološke procese koji uključuju brze promjene u stanicama.

Mehanosenzitivni kanali otkriveni su kada su naučnici počeli da traže jonske kanale u bakterijama, što nije bilo sve do 1980-ih, jer su jonski kanali bili povezani sa nervima, a smatralo se da bakterije nemaju nervni sistem.

U E. coli, ionski kanali su ugrađeni u plazma membranu, koja se nalazi unutar stanične stijenke, ali čak i ako se zid može ukloniti, ćelije su premale da bi se pojedinačno zakrpile. Dakle, posao se obavlja sa posebno pripremljenim džinovskim bakterijskim stanicama zvanim sferoflasti.

Oni se proizvode uzgojem E. coli u bujonu koji sadrži antibiotik koji sprječava potpuno razdvajanje ćelija kćeri kada se ćelija podijeli. Kako se ćelije množe, u kulturi se stvaraju "zmije" mnogih stanica koje dijele jednu plazma membranu. "Ako tada probavite stanični zid, oni će se nabubriti i formirati veliku sferu", kaže Haswell.

Nije da su sferoplasti toliko veliki. „Većinu studija obavljamo u Xenopus oociti (žabja jaja) čiji su promjeri 150 puta veći od promjera sferoplasta ", kaže ona.

Tri mehanoosjetljive aktivnosti kanala

Kako bi pronašli ionske kanale u bakterijama, naučnici su proveli elektrofiziološka istraživanja sferoplasta. Zalijepili su pipetu na sferoplast i primijenili usisavanje na membranu dok su tražili male struje koje teku kroz membranu.

„Ono što su otkrili bilo je zaista neverovatno“, kaže Hasvel. "Postojale su tri različite aktivnosti koje se otvaraju (pokreću da se otvore) samo deformacijom membrane." (Zvale su se "aktivnosti" jer još nitko nije znao njihovu molekularnu ili genetsku osnovu.)

Tri aktivnosti su nazvane mehanosenzitivni kanali velike (MscL), male (MscS) i mini (MscM) provodljivosti. Oni su se razlikovali jedan od drugog po tome koliko ste morali unijeti napetosti da biste ih otvorili i po njihovoj provodljivosti.

Jednu od laboratorija za rad sa sferoplastima vodio je dr Ching Kung sa Univerziteta Wisconsin-Madison. MscL protein je identifikovan, a njegov gen je 1994. godine klonirao dr Sergej Suharev, tada član Kung -ove laboratorije. Njegov eksperiment obilaska sile, kaže Haswell, uključivao je rekonstituiranje frakcija bakterijske plazma membrane u sintetičke membrane (liposome) kako bi se vidjelo da li bi one dale provodljivost velikog kanala.

Godine 1999. gen koji kodira MscS identifikovan je u laboratoriji doktora Iana Bootha na Univerzitetu u Aberdeenu. Komparativno, malo je posla urađeno na mini kanalu, koji je izbirljiv i često se ne pojavljuje, kaže Haswell, iako je Boothova grupa nedavno identifikovala protein koji doprinosi MscM aktivnosti.

Nakon što su oba gena bila poznata, istraživači su izvršili nokaut eksperimente kako bi vidjeli što se dogodilo s bakterijama koje nemaju gene potrebne za stvaranje kanala. Ono što su otkrili, kaže Haswell, je da ako nedostaju i MscL i MscS geni, ćelije ne bi mogle preživjeti "osmotski pad", što je bakterijski ekvivalent torture vodom.

"Standardni test", kaže Haswell, "je uzgoj bakterija nekoliko generacija u vrlo slanoj juhi, tako da imaju priliku uravnotežiti svoju unutrašnju koncentraciju osmolita s vanjskom." (Osmoliti su molekuli koji utiču na osmozu, odnosno kretanje vode u ćeliju i iz nje.) "Oni to rade", kaže ona, "tako što uzimaju osmolite iz okoline i prave svoje."

"Onda", kaže ona, "uzmete ove bakterije koje su pune osmolita i bacite ih u slatku vodu. Ako nemaju MscS i MscL proteine ​​koji im omogućavaju da izbacuju ione kako bi izbjegli nekontrolirani priliv vode, oni nemoj preživjeti." To je pomalo poput izbacivanja morske ribe u slatkovodni akvarij.

Zašto postoje tri aktivnosti kanala mechanosenstivie? Trenutno prihvaćeni model, Haswell kaže da su kanali s manjom provodljivošću prva linija odbrane. Otvaraju se rano kao odgovor na osmotski šok, tako da se kanal velike provodljivosti, kroz koji molekule ćelije trebaju pobjeći, ne otvara osim ako je to krajnje potrebno. Postepeni odgovor tako daje ćeliji najbolje šanse za opstanak.

Kristalizacija proteina

Sljedeći korak u ovoj naučnoj odiseji, utvrđivanje strukture proteina, također je bio vrlo težak. Proteinske strukture se tradicionalno otkrivaju pročišćavanjem proteina, kristalizacijom iz vodene otopine, a zatim bombardiranjem kristala rendgenskim zrakama. Položaji atoma u proteinu mogu se zaključiti iz uzorka difrakcije X zraka.

U određenom smislu, kristalizacija proteina nije toliko različita od uzgoja slatkiša iz šećerne otopine, ali, kao i uvijek, đavo je u detaljima. Kristali proteina su mnogo teži za uzgoj od kristala šećera, a nakon što porastu, izuzetno su krhki. Čak se mogu oštetiti i rendgenskim sondama koje su se koristile za njihovo ispitivanje.

A da stvari budu još gore MscL i MscS se protežu kroz plazma membranu, što znači da su njihovi krajevi, koji su izloženi periplazmi izvan ćelije i citoplazmi unutar ćelije, vodoljubivi i njihovi srednji delovi, koji su zaglavljeni u masnom membrane, odbija ih voda. Zbog ove dvostruke prirode nemoguće je precipitirati membranske proteine ​​iz vodenih otopina.

Umjesto toga, tehnika je da se protein okruži onim što je okarakterisano kao "vrlo izmišljeni deterdženti", koji ih štite - ali jedva - od vode. Pronalaženje magične ravnoteže može potrajati koliko i naučna karijera.

Prvi mehanosenzitivni kanal koji je kristaliziran bio je MscL - ne protein u E. coli ali analogni molekul (homolog) iz bakterije koja uzrokuje tuberkulozu. Ovaj rad je urađen u laboratoriji jednog od Haswellovih koautora, Douglasa C. Reesa, istražitelja Howarda Hughesa sa Kalifornijskog tehnološkog instituta.

MscS from E. coli kristaliziran je u laboratoriju Rees nekoliko godina kasnije, 2002. godine, a protein MscS s mutacijom koja ga je ostavila zarobljenog u pretpostavljenom otvorenom stanju, kristaliziran je u laboratoriji Booth 2008. "Dakle, sada imamo dvije kristalne strukture za MscS i dvije (iz različitih bakterijskih sojeva) za MscL ", kaže Haswell.

Od biljaka i mutanata

Do ovog trenutka mehanoosjetljivi kanali možda se ne bi činili toliko zanimljivima jer nam životi bakterija nisu od najvećeg interesa osim ako nas ne razbole.

Međutim, kaže Haswell, početkom 2000 -ih, znanstvenici su počeli uspoređivati ​​gene za bakterijske kanale s genomima drugih organizama i otkrili su da postoje homologne sekvence ne samo u drugih bakterija, već i u nekim višećelijskim organizmima, uključujući biljke.

"Ovdje sam se umiješala", kaže ona. "Zanimao me gravitacijski i dodirni odgovor biljaka. Vidio sam ove papire i mislio da su ti homolozi odlični kandidati za proteine ​​koji bi mogli posredovati u tim odgovorima."

"Postoji 10 MscS-homologa u Arabidopsis i nema MscL homologa", kaže ona. "Štaviše, različiti homolozi se nalaze ne samo u ćelijskoj membrani već iu hloroplastima i mitohondrijskim membranama. "

Kloroplast je organela koja hvata svjetlost u biljnoj ćeliji, a mitohondriji su njegova elektrana za koje se smatra da su nekad bili neovisni organizmi koje su progutale i porobile ćelije koje su im bile korisne. Njihove membrane su ostaci njihove prošlosti slobodnog života.

Broj homologa i njihova lokacija u biljnim stanicama sugerira da ovi kanali čine mnogo više od sprečavanja ćelija da preuzmu previše vode.

Pa šta su tačno radili? Da bi saznao, Haswell je postao online i naručio Arabidopsis sjemena iz kolekcije Salk u La Jolla, Kalifornija, od kojih je svako imalo mutaciju u jednom od 10 kanala gena.

Od ovih mutanata saznala je da dva od deset kanala kontroliraju veličinu kloroplasta i pravilnu podjelu, kao i oblik lista. Biljke sa mutacijama u ova dva homologa MscS kanala imaju ogromne hloroplaste koji se nisu pravilno podijelili. Čudovišni hloroplasti zauzeli su njenu laboratoriju naslovnicu avgustovskog izdanja Biljna ćelija.

"Pokazali smo da se ni bakterije kojima nedostaje MscS i MscL ne dijele pravilno", kaže Haswell, "pa je veza između ovih kanala i podjele evolucijski očuvana."

Velika ideja

Ali Haswell i njeni koautori misle da samo grebu po površini. "Svoje razumijevanje ove klase kanala temeljimo na samom MscS -u, koji je vrlo smanjen oblik kanala", kaže ona. "Relativno je malen."

"Ali znamo da neki od članova ove porodice imaju dugačke nastavke koji strše iz membrane bilo izvan ili unutar ćelije. Sumnjamo da to znači da kanali ne samo da ispuštaju jone, već i da signaliziraju cijeloj ćeliji u Mogu se integrirati u uobičajene signalne puteve, kao što je put odgovora na ćelijski osmotski stres.

Mislimo da nam nedostaje mnogo složenosti ako se previše fokusiramo samo na prve članove ove porodice proteina koje treba pronaći i okarakterizirati ", kaže ona." Mislimo da postoji zajedničko jezgro kanala koje tjera ove proteine ​​da reagiraju na napetost membrane, ali da se sve vrste funkcionalno relevantne regulative mogu naslagati povrh toga."

„Na primjer“, kaže ona, „u njemu postoji kanal E. coli to je blisko povezano s MscS -om koji ima ogroman nastavak izvan ćelije zbog čega je osjetljiv na kalij. Dakle, to je mehanoosjetljiv kanal, ali ulazi samo u prisutnosti kalija. Za šta je to važno, još ne znamo, ali govori nam da postoje i druge funkcije koje nismo proučavali. "

Šta je sa osjetljivom biljkom?

Pa jesu li ti kanali na dnu zaista brzih kretanja biljaka poput čuvene dodirne stidljivosti osjetljive biljke? (Da biste vidjeli film o ovom i drugim "nastičnim" (brzim) pokretima, idite na lokaciju Plants in Motion koju održava Haswellov kolega Roger P. Hangartner sa Univerziteta Indiana).

Haswell je oprezan. "Moguće je", kaže ona. "U slucaju da Mimosa pudica vjerojatno postoji električni impuls koji izaziva gubitak vode i turgora u stanicama u podnožju svakog letka, pa su ti kanalni proteini odlični kandidati.


Život na Zemlji je navikao na gravitaciju – pa šta se dešava sa našim ćelijama i tkivima u svemiru?

Vidi mama, nema gravitacije! Zasluge: NASA, CC BY

Postoji jedna sila čiji su efekti toliko duboko ukorijenjeni u svakodnevnom životu da vjerojatno uopće ne razmišljamo o njoj: gravitacija. Gravitacija je sila koja uzrokuje privlačnost između masa. Zato kada ispustite olovku, ona pada na zemlju. No, budući da je gravitacijska sila proporcionalna masi objekta, samo veliki objekti poput planeta stvaraju opipljive atrakcije. Zbog toga se proučavanje gravitacije tradicionalno fokusiralo na masivne objekte poput planeta.

Naše prve svemirske misije s ljudskom posadom, međutim, potpuno su promijenile naše razmišljanje o efektima gravitacije na biološke sisteme. Sila gravitacije ne samo da nas drži usidrenim za tlo, već utječe na to kako naša tijela rade na najmanjim mjerilima. S obzirom na mogućnost dužih svemirskih misija, istraživači rade na tome da shvate šta nedostatak gravitacije znači za našu fiziologiju - i kako to nadoknaditi.

Oslobođen stiska gravitacije

Tek kada su istraživači otputovali u svemir, bilo koje zemaljsko stvorenje nije provelo vrijeme u okruženju mikrogravitacije.

Naučnici su primijetili da su astronauti koji su se vratili porasli i značajno smanjili koštanu i mišićnu masu. Zaintrigirani, istraživači su počeli uspoređivati ​​uzorke krvi i tkiva životinja i astronauta prije i poslije svemirskog putovanja kako bi procijenili utjecaj gravitacije na fiziologiju. Naučnici-astronauti u okruženju Međunarodne svemirske stanice bez gravitacije počeli su istraživati ​​kako ćelije rastu dok su u svemiru.

Većina eksperimenata u ovom polju zapravo se provodi na Zemlji, međutim, koristeći simuliranu mikrogravitaciju. Okretanjem predmeta - poput ćelija - u centrifugi pri velikim brzinama, možete stvoriti ove smanjene uvjete gravitacije.

Naše ćelije su evoluirale da se nose sa silama u svetu koji karakteriše gravitacija, ako se iznenada oslobode efekata gravitacije, stvari počinju da postaju čudne.

Na višemjesečnim ekspedicijama u svemir, tijela astronauta moraju se nositi sa okruženjem bez gravitacije koje je veoma različito od onoga na koje su navikli na Zemlji. Zasluge: NASA, CC BY

Detekcija sila na ćelijskom nivou

Zajedno sa silom gravitacije, naše ćelije su podložne i dodatnim silama, uključujući napetost i posmična naprezanja, kako se uslovi mijenjaju u našim tijelima.

Naše ćelije trebaju načine da osjete te sile. Jedan od široko prihvaćenih mehanizama je kroz takozvane ionske kanale osjetljive na mehano. Ovi kanali su pore na staničnoj membrani koje propuštaju određene nabijene molekule da uđu ili izađu iz ćelije ovisno o silama koje otkriju.

Primjer ove vrste mehano-receptora je jonski kanal PIEZO, koji se nalazi u gotovo svim stanicama. Oni koordiniraju dodir i bol, ovisno o njihovoj lokaciji u tijelu. Na primjer, uštip na ruci aktivirao bi PIEZO ionski kanal u osjetnom neuronu, govoreći mu da otvori kapije. U mikrosekundama bi joni kao što je kalcijum ušli u ćeliju, prenoseći informaciju da je ruka stegnuta. Niz događaja kulminira povlačenjem ruke. Ova vrsta senzora sile može biti ključna, tako da ćelije mogu brzo reagovati na uslove okoline.

Bez gravitacije, sile koje djeluju na mehanički osjetljive ionske kanale su neuravnotežene, uzrokujući abnormalno kretanje iona. Joni regulišu mnoge ćelijske aktivnosti, ako ne idu tamo gdje bi trebali kada bi trebali, rad ćelija ide naopako. Sinteza proteina i ćelijski metabolizam su poremećeni.

Fiziologija bez gravitacije

U posljednje tri decenije istraživači su pažljivo otkrivali kako mikrogravitacija utiče na određene vrste ćelija i tjelesnih sistema.

Kanali u ćelijskoj membrani djeluju kao čuvari vrata, otvarajući se ili zatvarajući kako bi pustili molekule da uđu ili izađu kao odgovor na određeni stimulans. Kredit: Efazzari, CC BY-SA
  • Mozak: Od 1980 -ih, naučnici su primijetili da odsustvo gravitacije dovodi do pojačanog zadržavanja krvi u gornjim dijelovima tijela, pa tako i do povećanog pritiska u mozgu. Nedavna istraživanja pokazuju da ovaj povećani pritisak smanjuje oslobađanje neurotransmitera, ključnih molekula koje moždane stanice koriste za komunikaciju. Ovo otkriće motiviralo je proučavanje uobičajenih kognitivnih problema, poput poteškoća u učenju, u povratku astronauta.
  • Kosti i mišići: Beztežinski prostor može uzrokovati više od 1 posto gubitka kosti mjesečno, čak i kod astronauta koji se podvrgavaju strogim režimima vježbanja. Sada naučnici koriste napredak u genomici (proučavanju sekvenci DNK) i proteomici (proučavanju proteina) da bi identifikovali kako je metabolizam koštanih ćelija regulisan gravitacijom. U nedostatku gravitacije, naučnici su otkrili da je vrsta ćelija zaduženih za formiranje kosti potisnuta. Istovremeno se aktiviraju vrste ćelija koje su odgovorne za degradaciju kostiju. Zajedno doprinosi ubrzanom gubitku koštane mase. Istraživači su također identificirali neke od ključnih molekula koji kontroliraju ove procese.
  • Imunitet: Svemirske letjelice podliježu rigoroznoj sterilizaciji kako bi se spriječio prijenos stranih organizama. Ipak, tokom misije Apollo 13, oportunistički patogen zarazio je astronauta Freda Haisea. Ova bakterija, Pseudomonas aeruginosa, obično inficira samo osobe s oslabljenim imunitetom. Ova epizoda izazvala je više znatiželje o tome kako se imunološki sistem prilagođava svemiru. Upoređujući uzorke krvi astronauta prije i poslije svemirskih misija, istraživači su otkrili da nedostatak gravitacije slabi funkcije T-ćelija. Ove specijalizovane imunološke ćelije odgovorne su za borbu protiv niza bolesti, od obične prehlade do smrtonosne sepse.

Nadoknada nedostatka gravitacije

NASA i druge svemirske agencije ulažu u podršku strategijama koje će ljude pripremiti za svemirska putovanja na veće udaljenosti. Smisao kako izdržati mikrogravitaciju veliki je dio toga.

Trenutačna najbolja metoda za prevladavanje nedostatka gravitacije je povećanje opterećenja ćelija na drugi način - vježbom. Astronauti obično provode najmanje dva sata dnevno trčeći i dižući težinu kako bi održali zdrav volumen krvi i smanjili gubitak kostiju i mišića. Nažalost, rigorozne vježbe mogu samo usporiti pogoršanje zdravlja astronauta, a ne i spriječiti ga u potpunosti.

Suplementi su još jedna metoda koju istraživači istražuju. Kroz opsežne genomske i proteomičke studije, naučnici su uspjeli identificirati specifične ćelijsko-kemijske interakcije na koje utječe gravitacija. Sada znamo da gravitacija utiče na ključne molekule koji kontrolišu ćelijske procese kao što su rast, deoba i migracija. Na primjer, neuroni uzgojeni u mikrogravitaciji na Međunarodnoj svemirskoj stanici imaju manje od jedne vrste receptora za neurotransmiter GABA, koji kontrolira motoričke pokrete i vid. Dodavanje više GABA obnovljene funkcije, ali tačan mehanizam je još uvijek nejasan.

NASA također procjenjuje može li dodavanje probiotika svemirskoj hrani za jačanje probavnog i imunološkog sistema astronauta pomoći u suzbijanju negativnih učinaka mikrogravitacije.

U prvim danima svemirskog putovanja, jedan od prvih izazova bio je pronalaženje kako savladati gravitaciju kako bi se raketa mogla osloboditi Zemljine sile. Sada je izazov kako nadoknaditi fiziološke efekte nedostatka gravitacione sile, posebno tokom dugih svemirskih letova.

Ovaj je članak izvorno objavljen na stranici The Conversation. Pročitajte originalni članak.


Fiziologija bez gravitacije

Mozak: Od 1980 -ih, naučnici su primijetili da odsustvo gravitacije dovodi do pojačanog zadržavanja krvi u gornjim dijelovima tijela, pa tako i do povećanog pritiska u mozgu. Nedavna istraživanja pokazuju da ovaj povećani pritisak smanjuje oslobađanje neurotransmitera, ključnih molekula koje moždane stanice koriste za komunikaciju. Ovo otkriće motiviralo je proučavanje uobičajenih kognitivnih problema, poput poteškoća u učenju, u povratku astronauta.

Kosti i mišići: Beztežinski prostor može uzrokovati više od 1 posto gubitka kosti mjesečno, čak i kod astronauta koji se podvrgavaju strogim režimima vježbanja. Sada naučnici koriste napredak u genomici (proučavanju sekvenci DNK) i proteomici (proučavanju proteina) kako bi identificirali kako je metabolizam koštanih stanica reguliran gravitacijom. U nedostatku gravitacije, naučnici su otkrili da je vrsta ćelija zaduženih za formiranje kosti potisnuta. Istodobno se aktivira vrsta stanica odgovornih za razgradnju kosti. Zajedno to doprinosi ubrzanom gubitku koštane mase. Istraživači su također identificirali neke od ključnih molekula koji kontroliraju te procese.


Genetski defekti jonskih kanala

Pokazalo se da je nekoliko genetskih bolesti koje pokazuju nedostatke u fiziološkim funkcijama ionskih kanala uzrokovano mutacijama u genima koji kodiraju specifične ionske kanale. Na primjer, srčani kalijumski kanal nazvan HERG (gen povezan s ljudskim eterom-a-go-go) djeluje tako da štiti srce od neodgovarajućeg ritma. Ljudi bez funkcionalnog HERG gena pokazuju abnormalnost na svom elektrokardiogramu zvanu "long Q-T sindrom" što ih predisponira na iznenadni srčani zastoj kada su pod stresom. Cistična fibroza je rezultat mutacija određenog hloridnog kanala koji se naziva regulator transmembranske provodljivosti cistične fibroze.


Kako biljke osjećaju dodir, gravitaciju i druge fizičke sile

Elizabeth Haswell, dr., docentica biologije u umjetnosti i znanosti na Washington University u St. Louisu, u komori za rast sa svojim "laboratorijskim štakorima", biljkama Arabidopsis koje koristi da razumije kako biljke reagiraju na dodir, gravitaciju i druge mehaničke sile. Ako se biljke Arabidopsis divljeg tipa često dodiruju. njihov rast je usporen. Zasluge: David Kilper/WUSTL

(PhysOrg.com) - Na dnu sposobnosti biljaka da osjete dodir, gravitaciju ili obližnju rešetku nalaze se mehanoosjetljivi kanali, pore kroz staničnu plazma membranu koje se otvaraju i zatvaraju deformacijom membrane. Elisabeth Haswell, doktorica biologije, sa Sveučilišta Washington u St.

„Zamislite sebe kako šetate kroz šumu ili hodate po travnjaku,“ kaže dr Elizabeth Haswell, docentica biologije u umjetnosti i nauci na Univerzitetu Washington u St. Louisu. "Sada se zapitajte: zna li grmlje da neko prolazi pored njih? Zna li trava da se gnječi pod nogama? Naravno, biljke ne razmišljaju o mislima, ali reagiraju na dodir na više načina. "

"Jasno je", kaže Haswell, "da biljke mogu reagirati na fizičke podražaje, poput gravitacije ili dodira. Korijeni rastu," osjetljiva biljka "presavija lišće, a loza se uvija oko rešetke. Ali mi tek počinjemo da saznaju kako to rade", kaže ona.

Osamdesetih godina prošlog stoljeća rad s bakterijskim stanicama pokazao je da one imaju mehanoosjetljive kanale, sitne pore u ćelijskoj membrani koje se otvaraju kada se stanica napuhne vodom i membrana se rastegne, puštajući nabijene atome i druge molekule da izlete iz stanice. Voda prati ione, ćelija se skuplja, membrana se opušta, a pore se zatvaraju.

U bakteriji su pronađeni geni koji kodiraju sedam takvih kanala Escherichia coli i 10 in Arabidopsis thaliana, mala cvjetnica srodna senfu i kupusu. Oboje E. coli i Arabidopsis služe kao uzorni organizmi u Haswellovoj laboratoriji.

Ona sumnja da postoji još mnogo kanala koje tek treba otkriti i da će se pokazati da imaju širok spektar funkcija.

Nedavno su Haswell i kolege sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju, koji su glavni istraživači na grantu Nacionalnog instituta za zdravlje (NIH) za analizu mehanosenzitivnih kanala, napisali pregledni članak o dosadašnjem radu kako bi "složili svoje misli "dok su se pripremali za pisanje obnove granta. Recenzija se pojavila u izdanju od 11. oktobra Struktura.

Oticanje bakterija može izgledati nepovezano sa presavijanjem letaka, ali Haswell je spreman kladiti se da su svi povezani i da su mehanoosjetljivi ionski kanali u dnu svih. Na kraju krajeva, pokreti biljaka — i brzi i spori — su u konačnici svi hidraulički pokretani tamo gdje ioni idu, a voda će uslijediti.

Giant E. coli ćelije

Veliki problem pri proučavanju ionskih kanala oduvijek je bila njihova mala veličina, što predstavlja ogromne tehničke izazove.

Rani radovi na terenu, koji su učinjeni kako bi se razumjeli ionski kanali čije koordinirano otvaranje i zatvaranje stvara živčani impuls, obavljeni su u izuzetno velikim ćelijama: džinovskim živčanim stanicama europske lignje, koje su imale dovoljno velike projekcije da se vide golim okom .

Eksperimenti s ovim kanalima su na kraju doveli do razvoja osjetljive tehnike električnog snimanja poznate kao patch clamp koja je omogućila istraživačima da ispitaju svojstva jednog jonskog kanala. Snimanje patch stezaljkom koristi kao elektrodu staklenu mikropipetu s otvorenim vrhom. Vrh je dovoljno mali da zatvara "zakrpu" stanične membrane koja često sadrži samo jedan ili nekoliko jonskih kanala.

Rad sa patch stezaljkama pokazao je da postoji mnogo različitih tipova jonskih kanala i da su oni uključeni ne samo u prijenos nervnih impulsa već i u mnoge druge biološke procese koji uključuju brze promjene u stanicama.

Mehanoosjetljivi kanali otkriveni su kada su znanstvenici počeli tražiti ionske kanale u bakterijama, što je bilo tek 1980 -ih jer su jonski kanali bili povezani s živcima, a za bakterije se nije mislilo da imaju nervni sistem.

U E. coli, ionski kanali su ugrađeni u plazma membranu, koja se nalazi unutar stanične stijenke, ali čak i ako se zid može ukloniti, ćelije su premale da bi se pojedinačno zakrpile. Dakle, posao se obavlja sa posebno pripremljenim džinovskim bakterijskim stanicama zvanim sferoflasti.

One se prave kultivisanjem E. coli u bujonu koji sadrži antibiotik koji sprječava potpuno razdvajanje ćelija kćeri kada se ćelija podijeli. Kako se ćelije množe, u kulturi se stvaraju "zmije" mnogih stanica koje dijele jednu plazma membranu. "Ako tada probavite stanični zid, oni će se nabubriti i formirati veliku sferu", kaže Haswell.

Nije da su sferoplasti tako veliki. "Većinu naših studija radimo na oocitima Xenopus (žabja jaja), čiji su promjeri 150 puta veći od promjera sferoplasta", kaže ona.

Tri mehanoosjetljive aktivnosti kanala

Kako bi pronašli jonske kanale u bakterijama, naučnici su izvršili elektrofiziološka istraživanja sferoplasta. Zalijepili su pipetu na sferoplast i primijenili usisavanje na membranu dok su tražili male struje koje teku kroz membranu.

„Ono što su otkrili bilo je zaista neverovatno“, kaže Hasvel. "Postojale su tri različite aktivnosti koje su zatvorene (pokrenute za otvaranje) samo deformacijom membrane." (Zvale su se "aktivnosti" jer još nitko nije znao njihovu molekularnu ili genetsku osnovu.)

Tri aktivnosti su nazvane mehano osjetljivi kanali velike (MscL), male (MscS) i mini (MscM) provodljivosti. Oni su se međusobno razlikovali po tome koliko ste napetosti morali uvesti da biste ih otvorili i po njihovoj provodljivosti.

Jednu od laboratorija za rad sa sferoplastima vodio je dr Ching Kung sa Univerziteta Wisconsin-Madison. MscL protein je identifikovan, a njegov gen je 1994. godine klonirao dr Sergej Suharev, tada član Kung -ove laboratorije. Njegov eksperiment obilaska sile, kaže Haswell, uključivao je rekonstituiranje frakcija bakterijske plazma membrane u sintetičke membrane (liposome) kako bi se vidjelo da li bi one dale provodljivost velikog kanala.

Prikazi sekcije pora MscS kanala u E. coli u njegovim neprovodnim (gornja) i otvorena (donja) konfiguracija zasnovani su na studijama kristalizacije rendgenskih zraka strukture proteina. Prijelaz između zatvorenog i otvorenog stanja često se opisuje kao sličan sužavanju i širenju zjenice oka. The “closed” state can still appear to have an opening because amino acids around the opening act as a “hydrophobic plug” that prevents ions from moving through it.

In 1999, the gene encoding MscS was identified in the lab of Ian Booth, PhD, at the University of Aberdeen. Comparatively, little work has been done on the mini channel, which is finicky and often doesn't show up, Haswell says, though a protein contributing to MscM activity was recently identified by Booth's group.

Once both genes were known, researchers did knockout experiments to see what happened to bacteria that didn't have the genes needed to make the channels. What they found, says Haswell, was that if both the MscL and MscS genes were missing, the cells could not survive "osmotic downshock," the bacterial equivalent of water torture.

"The standard assay," Haswell says, "is to grow the bacteria for a couple of generations in a very salty broth, so that they have a chance to balance their internal osmolyte concentration with the external one." (Osmolytes are molecules that affect osmosis, or the movement of water into and out of the cell.) "They do this," she says, "by taking up osmolytes from the environment and by making their own."

"Then," she says, "you take these bacteria that are chockfull of osmolytes and throw them into fresh water. If they don't have the MscS and MscL proteins that allow them to dump ions to avoid the uncontrolled influx of water, they don't survive." It's a bit like dumping saltwater fish into a freshwater aquarium.

Why are there three mechanosenstivie channel activities? The currently accepted model, Haswell says is that the channels with the smaller conductances are the first line of defense. They open early in response to osmotic shock so that the channel of large conductance, through which molecules the cell needs can escape, doesn't open unless it is absolutely necessary. The graduated response thus gives the cell its best chance for survival.

E. coli’s MscL and MscS channels (left), says Haswell, may be reduced forms of mechanosensitive channels. Many of the other known channels have extensions either outside or inside the cell that suggest they are up to something more complex than MscL and MscS. (The small brown clothespins between blue squiggles are a schematic representation of the plasma membrane the channels bridge.)

Crystallizing the proteins

The next step in this scientific odyssey, figuring out the proteins' structures, also was very difficult. Protein structures are traditionally discovered by purifying a protein, crystallizing it out of a water solution, and then bombarding the crystal with X-rays. The positions of the atoms in the protein can be deduced from the X-ray diffraction pattern.

In a sense crystallizing a protein isn't all that different from growing rock candy from a sugar solution, but, as always, the devil is in the details. Protein crystals are much harder to grow than sugar crystals and, once grown, they are extremely fragile. They even can even be damaged by the X-ray probes used to examine them.

And to make things worse MscL and MscS span the plasma membrane, which means that their ends, which are exposed to the periplasm outside the cell and the cytoplasm inside the cell, are water-loving and their middle sections, which are stuck in the greasy membrane, are repelled by water. Because of this double nature it is impossible to precipitate membrane proteins from water solutions.

Instead the technique is to surround the protein with what have been characterized as "highly contrived detergents," that protect them — but just barely — from the water. Finding the magical balance can take as long as a scientific career.

The first mechanosensitive channel to be crystallized was MscL—not the protein in E. coli but the analogous molecule (a homolog) from the bacterium that causes tuberculosis. This work was done in the lab of one of Haswell's co-authors, Douglas C. Rees a Howard Hughes investigator at the California Institute of Technology.

MscS from E. coli was crystallized in the Rees laboratory several years later, in 2002, and an MscS protein with a mutation that left it stuck in the presumed open state was crystallized in the Booth laboratory in 2008. "So now we have two crystal structures for MscS and two (from different bacterial strains) for MscL," Haswell says.

Of plants and mutants

Up to this point, mechanosensitive channels might not seem all that interesting because the lives of bacteria are not of supreme interest to us unless they are making us ill.

However, says, Haswell, in the early 2000s, scientists began to compare the genes for the bacterial channels to the genomes of other organisms and they discovered that there are homologous sequences not just in other bacteria but also in some multicellular organisms, including plants.

"This is where I got involved," she says. "I was interested in gravity and touch response in plants. I saw these papers and thought these homologs were great candidates for proteins that might mediate those responses."

"There are 10 MscS-homologs in Arabidopsis and no MscL homologs," she says. "What's more, different homologs are found not just in the cell membrane but also in chloroplast and mitochondrial membranes. "

The chloroplast is the light-capturing organelle in a plant cell and the mitochondria is its power station both are thought to be once-independent organisms that were engulfed and enslaved by cells which found them useful. Their membranes are vestiges of their free-living past.

The number of homologs and their locations in plant cells suggests these channels do much more than prevent the cells from taking on board too much water.

So what exactly were they doing? To find out Haswell got online and ordered Arabidopsis seeds from the Salk collection in La Jolla, Calif., each of which had a mutation in one of the 10 channel genes.

From these mutants she's learned that two of the ten channels control chloroplast size and proper division as well as leaf shape. Plants with mutations in these two MscS channel homologs have giant chloroplasts that haven't divided properly. The monster chloroplasts garnered her lab the cover of the August issue of The Plant Cell.

"We showed that bacteria lacking MscS and MscL don't divide properly either,"Haswell says, "so the link between these channels and division is evolutionarily conserved."

But Haswell and her co-authors think they are only scratching the surface. "We are basing our understanding of this class of channels on MscS itself, which is a very reduced form of the channel," she says. "It's relatively tiny."

"But we know that some of the members of this family have long extensions that stick out from the membrane either outside or inside the cell. We suspect this means that the channels not only discharge ions, but that they also signal to the whole cell in other ways. They may be integrated into common signaling pathways, such as the cellular osmotic stress response pathway.

We think we may be missing a lot of complexity by focusing too exclusively on the first members of this family of proteins to be found and characterized," she says. "We think there's a common channel core that makes these proteins respond to membrane tension but that all kinds of functionally relevant regulation may be layered on top of that."

"For example," she says, "there's a channel in E. coli that's closely related to MscS that has a huge extension outside the cell that makes it sensitive to potassium. So it's a mechanosensitive channel but it only gates in the presence of potassium. What that's important for, we don't yet know, but it tells us there are other functions out there we haven't studied."

What about the sensitive plant?

So are these channels at the bottom of the really fast plant movements like the sensitive plant's famous touch shyness? (To see a movie of this and other "nastic" (fast) movements, go to the Plants in Motion site maintained by Haswell's colleague Roger P. Hangartner of Indiana University).

Haswell is circumspect. "It's possible," she says. "In the case of Mimosa pudica there's probably an electrical impulse that triggers a loss of water and turgor in cells at the base of each leaflet, so these channel proteins are great candidates.


Classen, D.E. iSponsor, B.S.: Effects of gravity on liposome-reconstituted cardiac gap junction channelling activity. Biochem. Biophys. Res. Com., 161 (1), 358–362 (1989).

Fernandes de Lima, V. M., Goldermann, M. iHanke, W.: The retinal spreading depression. Shaker Verlag, Aachen, Germany, (1999).

Fujieda, S. Mogami, Y. Baba, S. A., Shibata, F. iArasato, T. (1995). Effect of micro gravity on the spatial oscillation behaviour of Belousov-Zhabotinskii reactions catalysed by ferroin. Space Utilization Res., 12, 207–210 (1997).

Fujieda, S., Mogami, Y., Moriyasu, K. iMori, Y.: Nonequilibrium / nonlinear chemical oscillation in the virtual absence of gravity. Adv Space Res., 23 (12), 2057–2063 (1999).

Graille, C., Shlyck, G., Buser, P., Kozlovskaia, I. iRouguel-Buser, A.: Inflight electroretinograms compared to ground controls in behaving monkeys: differences in attentional states? Mozak. Res. Rev., 28, 52–60 (1998).

Grundel, A., Drescher, J., Spatenko, Y.A. iPolyakov, V.V.: Heart period and heart-period variability during sleep on the MIR space station. J. Sleep Res., 8, 37–43 (1999).

Hanke, W., Goldermann, M., Brand, S. iFernandes de Lima, V.M. The retinal spreading depression: A Model for non-linear behaviour of the brain. In: A perspective look at nonlinear media — from physics to biology and social sciences. Paresi et al., eds, Springer, Berlin, Germany, pp. 227–243 (1998).

Hanke, W., Wiedemann, M. iFernandes de Lima, V. M.: Control of excitability of neuronal tissue by weak external forces. Faraday Discuss., 120, 237–248 (2001).

Meissner, K. iHanke, W.: Patch clamp experiments under microgravity. J. of Gravitational Physiol., 9 (1), 377–378 (2002). Meissner, K., Schwertner, J. and Hanke, W.: Hoch hinaus. Biologie in unserer Zeit, 6, 390–395 (2003).

Rüegg, D.G., Kakebeeke, T.H. iStuder, L.M.: Einfluß der Schwerkraft auf die Fortleitungsgeschwindigkeit von Muskel-Aktionspotentialen. In: Bilanzsymposium Forschung unter Weltraumbedingungen. Kelle, H. and Sahm, P.R., eds., WPF, Aachen, Germany, pp. 752–759 (2000).

Wiedemann, M., Fernandes de Lima, V.M. iHanke, W.: Gravity dependence of waves in the retinal spreading depression and in gel-type Belousov-Zhabotinsky systems. PCCP, 4, 1370–1373 (2002).

Wiedemann, M., Rahmann, H. and Hanke, W.: Gravitational impact on ion channels incorporated into planar lipid bilayers. In: Planar lipid bilyers and their aplications. TiTien and Ottova, eds., Elesevier Sciences. pp., 669–698 (2003).


Mechanosensitive channels are activated by stress in the actin stress fibres, and could be involved in gravity sensing in plants

H. Tatsumi, Department of Physiology, Nagoya University Graduate School of Medicine, 65 Tsurumai Showa-ku, Nagoya Aichi 4668550, Japan.

EcoTopia Science Institute, Nagoya University, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

Graduate School of Biological Science, Nara Institute of Science and Technology, Nara, Japan

FIRST Research Center for Innovative Nanobiodevice, Nagoya University, Nagoya, Japan

Nagoya University Graduate School of Medicine, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

Nagoya University Graduate School of Medicine, Nagoya, Japan

H. Tatsumi, Department of Physiology, Nagoya University Graduate School of Medicine, 65 Tsurumai Showa-ku, Nagoya Aichi 4668550, Japan.

EcoTopia Science Institute, Nagoya University, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

Graduate School of Biological Science, Nara Institute of Science and Technology, Nara, Japan

FIRST Research Center for Innovative Nanobiodevice, Nagoya University, Nagoya, Japan

Nagoya University Graduate School of Medicine, Nagoya, Japan

Department of Biology, Tokyo Gakugei University, Tokyo, Japan

Sažetak

Mechanosensitive (MS) channels are expressed in a variety of cells. The molecular and biophysical mechanism involved in the regulation of MS channel activities is a central interest in basic biology. MS channels are thought to play crucial roles in gravity sensing in plant cells. To date, two mechanisms have been proposed for MS channel activation. One is that tension development in the lipid bilayer directly activates MS channels. The second mechanism proposes that the cytoskeleton is involved in the channel activation, because MS channel activities are modulated by pharmacological treatments that affect the cytoskeleton. We tested whether tension in the cytoskeleton activates MS channels. Mammalian endothelial cells were microinjected with phalloidin-conjugated beads, which bound to stress fibres, and a traction force to the actin cytoskeleton was applied by dragging the beads with optical tweezers. MS channels were activated when the force was applied, demonstrating that a sub-pN force to the actin filaments activates a single MS channel. Plants may use a similar molecular mechanism in gravity sensing, since the cytoplasmic Ca 2+ concentration increase induced by changes in the gravity vector was attenuated by potential MS channel inhibitors, and by actin-disrupting drugs. These results support the idea that the tension increase in actin filaments by gravity-dependent sedimentation of amyloplasts activates MS Ca 2+ -permeable channels, which can be the molecular mechanism of a Ca 2+ concentration increase through gravistimulation. We review recent progress in the study of tension sensing by actin filaments and MS channels using advanced biophysical methods, and discuss their possible roles in gravisensing.


The Relative Refractory Period:

Immediately after the absolute refractory period, the cell can generate an action potential, but only if it is depolarized to a value more positive than normal threshold. This is true because some sodium channels are still inactive and some potassium channels are still open. This is called the relative refractory period. The cell has to be depolarized to a more positive membrane potential than normal threshold to open enough sodium channels to begin the positive feedback loop. The lengths of the absolute and relative refractory periods are important because they determine how fast neurons can generate action potentials.

The neuron is a cell with electric activity. It is based on the idea that neuronal activity can be completely described by the flow of different currents associated with the neuron's membrane. The membrane of the cell has an electric potential Vm called membrane potential and is assumed equal at all points of the membrane. The presence of such an electric potential at the membrane of the neuron is the result of the charges balancing between the internal and external environment of the cell. Several types of ions of either positive or negative charge are present outside and inside the cell, and the difference between inner and the outer concentration of the different ion species produces the polarization of the membrane. The membrane potential is measured in Volts (V). The electric activity of a neuron is due to the continuous exchanges of electric currents or charges with other neurons.

To understand the generation of sodium and potassium currents with respect to the action potential generation with the help of remotely triggered equipment.

Hardware neuron model can provide real time processing. By going through the circuit dynamics one can understand both biological as well as physiological behaviors of neuron.

We have designed an analog neuron model using Resistors, transistors, capacitors and externally input voltage. These all are some basic electronic components which will make analog neuron to behave like normal neuron.

  • Resistance represents the difficulty a particle experiences while moving in a medium. It is measured in ohms. The inverse of resistance is conductance. Conductance is the ease at which a particle can move through a medium. It is measured in Siemens. Because they are inversely related, high conductance are correlated to low resistance, and vice versa. It is important to note that generally speaking resistance and conduction in the neuron are dealing with the ability of ions to cross the membrane. Thus it often referred to as membrane resistance or membrane conductance. As such, when the majority of ion channels are closed, few ions cross the membrane, and membrane resistance is said to be high.
  • The capacitor is a passive electronic components consisting of pair of conductors separated by an insulator. The cell membrane is also said to act as a capacitor, and has a property known as capacitance. A capacitor consists of two conducting regions separated by an insulator. A capacitor works by accumulating a charge on one of the conducting surfaces. As this charge builds, it creates an electric field that pushes like charges on the other side of the insulator away. This causes an induced current known as a capacitive current. It is important to realize that there is no current between the conducting surfaces of the capacitor. Capacitance may be defined two ways as:

Thus given a set number of charges on each side of the membrane, a higher capacitance results in a lower potential difference. In a cellular sense, increased capacitance requires a greater ion concentration difference across the membrane.

  • Transistor is an active semiconductor device commonly used to amplify (strengthen) or switch electronic signal. Here we are using 3 transistors, two NPN and one PNP transistor. Transistor has mainly three terminals. Emitter (E), Base (B) and Collector(C). Transistor T1 and T3 are NPN transistor and T2 is a PNP transistor. For an NPN transistor collector voltage is more positive than emitter. So current flows from collector to emitter. For a PNP transistor emitter voltage is more positive than collector. So current flows from emitter to collector.

We have added one diode at the base of T1 to eliminate the bias voltage of T2. Strictly speaking it limits the fast inward current to a short burst.

Here we give an input excitation to the cell membrane as square wave form of amplitude 2Volt peak to peak (Vpp), since we want to obtain the output as pulse wave form. A square wave resembles to an impulse wave form in shape when pulse width is low. Here R1 represent a variable resistor which represent the membrane resistance and is inversely proportional to membrane conductance. By varying this R1 membrane conductance can be changed considerably i.e., when membrane resistance (R1) decreases the membrane conductance increases making flow of signals easier. Cm is the membrane capacitance. In any cell membrane there is a charge separation across the cell. The seperation of charge by a insulator causes a capacitive effect on the cell. This effect is modelled as membrane capacitance. If there is only the resistor when the input voltage is applied, then voltage will be changed to steady state value, hence we are using a capacitor Cm along with it which resist this change. When the applied input makes the membrane capacitance to change above threshold value, then only voltage gated sodium channels open. The membrane potential is measured with respect to ground.


When the input excitation is given the membrane capacitance Cm begins to charge, when the voltage across the capacitor reaches more than cut in voltage of transistor T1, the transistor turns on and the current flows from collector to emitter. Then the base voltage of transistor T2 becomes less and T2 also turns on and current flows from emitter to collector i.e., Na channel is on and IN / A begins to flow inwardly. The energy for it provided by an electrical gradient of Na + across the membrane, here it is modelled as EN / A.


The threshold value of potassium channels is modeled as transistor base emitter cut in voltage. The sodium current charges the capacitor C1. When the voltage across the capacitor C1 reaches more than cut in voltage of transistor T3, the transistor turns on and the potassium current flows from collector to emitter outwardly i.e., K channels on. Thus the depolarising phase of an action potential.

By this time membrane capacitor Cm becomes fully charged and begins to discharge i.e., when the capacitor voltage drops transistor T1 turn off, consequently T2. Then sodium current stops its flow i.e., sodium channel closes. As a result capacitor C1 begins to discharge and transistor T3 turn which leads potassium current to stop flow. Thus the repolarising phase of an action potential.

To study the effects of drugs like TEA or TTX on the ion channels.

Some chemical agents can selectively block voltage-dependent membrane channels. Tetrodoxin (TTX), which comes from the Japanese puffer fish, blocks the voltage-dependent changes in Na + permeability, but has no effect on the voltage-dependent changes in K + permeability. This observation indicates that the Na + and K + channels are unique one of these can be selectively blocked and not affect the other. Another agent, tetraethylammonium (TEA), has no effect on the voltage-dependent changes in Na+ permeability, but it completely abolishes the voltage-dependent changes in K + permeability.


Pogledajte video: 169 POSLEDNJA VREMENA - Tama nad slobodom - Svako uslovljavanje, pretnja, prisila dolazi od zloga!!! (Decembar 2022).