Jony w saloonie

Co się dzieje, gdy dotkniemy ręką rozpalone żelazo? Natychmiast cofamy dłoń. Proces, który prowadzi do tej reakcji, bardzo skrótowo można opisać zdaniem: „Nasze nerwy błyskawicznie przewodzą informację o temperaturze i związanym z nią zagrożeniu do mózgu, a ten wysyła informację zwrotną, powodującą cofnięcie ręki”. Faktycznie, reakcja ta jest wynikiem wielu skomplikowanych procesów chemicznych zachodzących w zdumiewająco krótkim czasie w organizmie.

Rośliny reagują na bodźce podobnie jak zwierzęta. Dotknięta mimoza opuszcza liście. Czy także coś przekazuje informacje do „centrum dowodzenia” rośliny i dostaje stamtąd odpowiedź zwrotną? I jak się to dzieje? Co pełni w roślinach funkcję nerwów? Gdzie znajduje się „centrum dowodzenia” rośliny? Człowiekowi można zaaplikować morfinę i nie będzie czuł bólu. Klasyczne już dziś doświadczenie pokazało, że mimoza potraktowana eterem także nie reaguje na dotyk. Mechanizm reakcji mimozy został dość dokładnie zbadany. Okazuje się, że impuls elektryczny - biofizycy nazywają go potencjałem czynnościowym - dociera do poduszeczki liściowej. Powoduje on wydzielenie się z niej jonów wraz z wodą. Brak wody powoduje opadanie liścia. Działa to podobnie jak pompa hydrauliczna. Zaobserwowano też, że rośliny reagują na gwałtowne bodźce przyspieszonym oddechem - podobnie, jak ludzie - co powoduje szybsze syntezowanie związków energetycznych, a zatem pozwala skuteczniej odpowiedzieć na bodziec, np. zregenerować uszkodzoną tkankę.

Jon w tunelu

Już w latach 70. ubiegłego wieku prof. Adam Paszewski rozpoczął w lubelskim Uniwersytecie Marii Curie Skłodowskiej badania nad elektrofizjologią roślin. Dziś badania te kontynuuje jego uczeń prof. Kazimierz Trębacz z Zakładu Biofizyki Instytutu Biologii Wydziału Biologii i Nauk o Ziemi. - Chodzi nam o uzyskanie odpowiedzi na temat mechanizmów reakcji rośliny na czynniki stresowe - mówi. Rośliny reagują na bodźce zmianami potencjału elektrycznego oraz zmianami biochemicznymi. Czteroosobowy zespół prof. Trębacza bada właśnie elektryczną odpowiedź roślin na bodźce stresowe. Za obiekt doświadczeń służy stożka ostrokrężna (Conocephalum conicum). Niewielki zielonkawy wątrobowiec, przyczepiony małymi chwytnikami do ziemi w okolicach Topólczy i Turzyńca na Roztoczu, okazał się znakomitym obiektem badań, m.in. ze względu na bardzo prostą budowę i duże komórki o średnicy do 200 mikrometrów. - Na dodatek to jeden z najstarszych ewolucyjnie organizmów żywych, co może w przyszłości być znakomitym handicapem do badań genetycznych - dodaje uczony.

Zmiany elektryczne, wywołane bodźcami zewnętrznymi, jak temperatura czy wilgotność, polegają na przepływie jonów przez błonę komórkową. Przepływ jonów może odbywać się w obie strony, to sposób komunikacji komórki z otoczeniem. Każda komórka żywa ma jakiś charakterystyczny potencjał. Wewnątrz komórki jest on ujemny i wynosi od kilkudziesięciu do 200 miliwoltów. Uczeni przyjmują, że wartość potencjału na zewnątrz błony komórkowej wynosi 0. Błona komórkowa to dwuwarstwa lipidowa. Między cząsteczkami tłuszczowymi znajdują się w niej białka. Niektóre z nich pełnią rolę kanałów jonowych - tuneli, którymi mogą przepływać jony, informując komórkę o zmianach zachodzących w otoczeniu. Zespół prof. Trębacza bada właśnie to zjawisko i należy do grona najlepszych polskich specjalistów w tej dziedzinie. Sama dziedzina zaś jest niezmiernie ważna. Świadczy o tym choćby fakt przyznania w 2003 roku Nagrody Nobla za poznanie struktury kanałów potasowych.

Kanały jonowe nie są to takie po prostu tunele, otwarte cały czas z obu stron. Każdy z nich jest specyficzny dla określonego rodzaju jonów. Są zatem wspomniane kanały potasowe, ale także sodowe, chlorowe, wapniowe. Na ogół przez określony kanał może przepływać tylko jeden typ jonów (są też kanały przepuszczające różne typy jonów). Ale to nie koniec. Opisuje się je też - stosując terminologię elektryczną - jako kanały „prostujące” na zewnątrz i do wewnątrz, tj. przepuszczające jony w jedną lub drugą stronę. Na dodatek kanały nie działają rytmicznie. Nie otwierają się w regularnych odstępach czasu. Działają tylko w momencie wystąpienia określonego bodźca o pewnym natężeniu. Po przepuszczeniu jonów kanał natychmiast się zamyka. Na wykładach dla studentów prof. Trębacz porównuje działanie kanałów do drzwi westernowego saloonu. Modyfikacja białek tworzących kanały jonowe za pomocą różnych substancji powoduje także modyfikację działania kanałów jonowych. Te wszystkie skomplikowane zjawiska, zachodzące na poziomie komórkowym, czasami wręcz na granicy skali atomowej, próbuje poznać zespół biofizyków z UMCS.

Zasysanie błony

Do badania kanałów jonowych stosuje się dość wyrafinowane metody i aparaturę. Twórcy techniki patch-clamp, którą wykorzystuje do badań zespół prof. Trębacza, zostali w 1991 roku uhonorowani za jej opracowanie Nagrodą Nobla. Polska nazwa tej metody - metoda stabilizacji napięcia skrawka błony komórkowej - wiele mówi o jej charakterze. Polega ona na wyodrębnieniu przy pomocy specjalnej mikroelektrody fragmentu błony komórkowej. Elektroda to rodzaj szklanej pipetki, zakończonej otworem o średnicy 1 mikrometra (jedna tysięczna milimetra), w której znajduje się drucik, połączony z urządzeniami pomiarowymi. Do tego otworu zasysa się fragment błony komórkowej do badania. Działa to na zasadzie podobnej do bańki lekarskiej na powierzchni skóry. W ten sposób izoluje się elektrycznie fragment błony. Można w tym fragmencie znaleźć jeden, czasami kilka kanałów jonowych i badać dokładnie ich charakterystykę. Pozwala to poznać, jakie czynniki i w jaki sposób wpływają na działanie kanałów jonowych.

Aby dostać się do błony komórkowej, rozpuszczano otaczającą ją twardą ścianę komórkową przy pomocy enzymów. Niestety, zanieczyszczenia tych substancji, np. proteazy, mogły modyfikować także białka kanałowe. Prof. Trębacz opracował i opublikował oryginalną metodę dostępu do błony komórkowej. Badany fragment rośliny trafia do roztworu hypertonicznego, czyli plazmolizującego, gdzie traci wodę i kurczy się. Nie zajmuje już całej objętości wyznaczanej przez ścianę komórkową. Dzięki temu można mechanicznie obciąć fragment ściany komórkowej, by dostać się do niezmodyfikowanej błony komórkowej. Następnie można przeprowadzić deplazmolizę komórki, czyli rozkurczenie proptoplastów. Nawodniona komórka wraca do swej pierwotnej wielkości i jest dostępna przez otwór wycięty w ścianie komórkowej.

Centrum rozproszone

Punktowe podrażnienie rośliny powoduje nie tylko powstanie w komórce zmiany elektrycznej, czyli potencjału czynnościowego, ale także rozprzestrzenienie się jej na cały organ czy nawet całą roślinę. Potencjał czynnościowy u zwierząt przewodzą neurony - to one przekazują sygnały elektryczne. U roślin tę funkcję pełnią pewne rodzaje komórek, np. widoczna na liściach siateczka, nazywana popularnie nerwami. Fachowcy nazywają je komórkami floemowymi. Odpowiadają one także za przewodzenie asymilatów. Komórki te mają wydłużony kształt i są ze sobą połączone mostkami plazmatycznymi. To umożliwia im przewodzenie potencjału elektrycznego, a także przekazywanie informacji o zmianie potencjału. Komórki mogą regulować przepływ informacji przez mostki plazmatyczne. Obieg informacji dokonuje się w ten sposób, że wpierw sygnał elektryczny przechodzi tzw. obwodami lokalnymi po błonie komórkowej do kolejnej komórki (kanały jonowe działają wielokrotnie przepuszczając jony w jedną i druga stronę). Na kolejną komórkę przechodzi przez mostek plazmatyczny. W tej drugiej komórce sytuacja się powtarza. I znów sygnał trafia na mostek plazmatyczny. W ten sposób rozchodzi się po organie rośliny lub całej roślinie jak fala. Nie zmierza jednak do określonego centrum, jak to jest w przypadku organizmów zwierzęcych. Dotychczas nie udało się, choć były takie próby, znaleźć w roślinach organu, który gromadziłby i przetwarzał informacje na podobieństwo mózgu. Botanicy mówią o tzw. centrum rozproszonym. To każda komórka z osobna przetwarza sygnał elektryczny, będący reakcją na bodziec i przekazuje go dalej. Jak skomplikowany jest to proces niech świadczy fakt, że każde ze wspomnianych tu reakcji ma postać zmian chemicznych w komórce.

Zespół prof. Trębacza ma znaczące osiągnięcia w badaniach przedstawionych procesów. - Dołożyliśmy sporo informacji na temat mechanizmu pobudzania, wskazując na rolę jonów wapnia w sprzęganiu zmiany elektrycznej z odpowiedzią fizjologiczną rośliny - mówi uczony. Jego zasługą jest też pokazanie nowego mechanizmu otwierania kanału jonowego, gdzie jony wapnia są zastępowane przez jony magnezu. Lubelscy biofizycy dowiedli, że wraz z rozprzestrzenianiem się potencjału czynnościowego w roślinie napływają jony wapnia, które uruchamiają mechanizmy obronne. Za badania w tej dziedzinie zespół otrzymał w 2004 roku nagrodę ministra edukacji narodowej. Także Komitet Badań Naukowych docenił znacznie prac lubelskich biofizyków, przyznając im trzy zrealizowane już granty; to m.in. one umożliwiły zakup skomplikowanej aparatury. Teraz prof. Trębacz zamierza poważniej zająć się zjawiskiem transdukcji, czyli zamiany informacji elektrycznej na odpowiedź biochemiczną komórki. Uzyskał na ten cel kolejny grant KBN.

Najnowszy numere-wydanie

Błąd 404 - Strona o podanym adresie nie istnieje

   Wróć na stronę główną