Köpönyegből messzelátó, az idegsejt és a környezetre adott válasz feltalálása

2022. november 8, kedd

Most, hogy átvettük azt, hogyan, miért és milyen mechanizmusokat felhasználva zajlott le az idegrendszer kialakulása, itt az ideje, hogy a lényegre térjek. Milyen lépésekben alakult az állatot védő hámsejt ingerület felvevő és szállító idegsejtté.

Előszőr is a vízben élő állatok hámsejtjei nem csak védik az állatot a környezetétől, hanem valamilyen szinten a táplálék megtalálásában, oldott anyagok felvételében is szerepet játszanak (az elszarusodó, páncél szerű hám a vízi ragadozók, illetve a szárazföld kihívásai ellen véd majd jóval később). Már a legegyszerűbb egysejtűek a prokarióták, (Eubactériumok és Archebaktériumok) valamint az egysejtű eukarióták (Protisták, Növények, Gombák és Állatok) sejtjei is érzékelik a külvilágot és reagálnak annak változásaira. Ingerek hatására gének kapcsolódnak ki vagy be, illetve a sejtet mozgató ostorok vagy csillók mozgása megváltozik. A külvilág jeleinek felfogására számos fehérjecsoport fejlődött ki, melyek a sejt felszínén ülnek és azáltal, hogy bizonyos molekulákat megkötnek érzékenyek ezek jelenlétére, mennyiségére. De miután felfogták a jeleket, az információt valahogy tovább is kell juttatni a sejt többi része felé, hogy arra valamiféle válasz következzen be.

Erre alapvetően 2 módszert használnak a sejtek: vagy valamilyen apró molekulát szabadítanak fel a sejt belseje felé (másodlagos hírvivők: ciklikus AMP, G-fehérjék, inositol-trifoszfát, stb) vagy kinyitnak egy apró csatornát, ami igen válogatósan pozitív vagy negatív töltésű ionokat ereszt be a sejtbe vagy ki a sejtből. Itt dolgozhat a sejt a nagyon alacsony koncentrációban jelenlevő Ca2+ ionokkal (ők másodlagos hírvivőként szolgálnak) vagy a jelentősebb mennyiségben jelen levő Na+, K+ és Cl- ionokkal. A nagy mennyiségben átáramló ionok elektromos jeleket hoznak létre egy sejt felszínén. A genetikai és anyagcsere folyamatokat inkább a lassú hatású másodlagos hírvivők útján szabályozza egy sejt, a gyors folyamatokat, mint a mozgást, pedig inkább a sejten kialakuló, gyorsan terjedő elektromos jelek szabályozzák.
 
Egy hámsejtnek van egy külvilág felé néző része, melyet csúcsi, apikális felszínnek neveznek és van egy az állat belseje felé néző része, melyet alapi, bazális felszínnek neveznek. Ezeken a felszíneken eltérő szerepeket betöltő fehérjemolekulák találhatók. Értelemszerűen az apikális felszínen, mely a külvilág fele néz találhatók a különböző molekulákat érzékelő fehérjék a receptorok, illetve a különböző molekulák, ionok felvételére alkalmas csatornafehérjék. A külső felszínen felvett anyagokat a sejtek a test felé néző felszínükön pedig le tudják adni. Vagy az alapon található sejthártyában elhelyezkedett csatorna és pumpa fehérjék segítségével, vagy azáltal, hogy a sejten belül kicsi sejthártya hólyagokba (vezikulák) csomagolják az anyagokat, majd a kis hólyagok az alapi sejthártyába olvadva tartalmukat a test belsejébe ürítik a sejtek közötti térbe. Ezt a lépést jól jegyezze meg mindenki, mert fontos lesz az idegsejtek jelátvitelében!
A történet másik szereplői, az izomsejtek a test belsejében találhatók és egy dologra rendezkedtek be, hogy a bennük kötegekbe rendezett izomfehérjék átrendeződésének hatására összehúzódjanak. Az összehúzódás akkor következik be, amikor a sejtbe Ca2+ ionok áramlanak be. Ez két hatásra történhet meg. Egyrészt, a sejt felszínén található, bizonyos anyagokra érzékeny receptorok, ha a megfelelő anyagot érzékelik akkor Ca2+ ionokat engednek a sejtbe, másrészt, ha a sejthártyán kialakult feszültségkülönbséget más ionok áramlása hirtelen megváltoztatja (áram folyik a sejthártyán keresztül) szintén Ca2+ lép be a sejtbe. Az izomsejtek tehát képesek arra, hogy a környezetüket érzékelve megfelelő hatásra összehúzódjanak. Ez a folyamat kezdetben lassú volt, mivel a hámsejtek és az izomsejtek nem feltétlenül helyezkedtek el egymás közelében. Ott volt például a szivacsok esetében, vagy a medúzáknál felelhető kocsonyás váz, melyen keresztül csak lassan szivároghattak az izomsejtek felé az ingert szállító anyagok.

Ahhoz, hogy kialakuljon az első reflexív, amiben egy sejt a külvilágot érzékelve mozgásba hoz egy izomsejtet már „csak” az kellett, hogy a hámsejtek átalakuljanak olyan hosszan elnyújt sejtekké melyek ingerület felvevő vége (apikális felszín) megmarad a felszínen, másik vége (az alapi, bazális) pedig hosszan megnyúlik, egészen a test belsejébe az izomsejtekig, megközelíti őket és a jelátvitelben felhasznált anyagokat azok felszínére szabadítja fel, hogy azok azt észlelve összehúzódjanak. Így a percekig tartó lassú molekula diffúzió helyett a másodperc töredéke alatt jutott el az ingerületátvivő anyag az evolúció alatt lassan idegsejtté alakuló hámsejttől az izomsejtig.

 

Aki résen van, az most megkérdezi: Na jó, de a megnyúlt idegsejt egyik végéről hogyan került gyorsan az információ a másikra? Mert ehhez a diffúzió a sejten belül éppen úgy lassú, mint a sejtek között. Emlékezzünk arra, hogy már a hámsejtek is ionáramok hatására kialakuló feszültségváltozásokat használnak arra, hogy gyorsan vigyenek át jeleket. A molekulák lassú diffúziójával szemben az elektromos tér nagyon gyorsan épül fel egy sejt felszínén és viszonylag hatékonyan is terjed. Azt történt tehát, hogy a megnyúlt hámsejtből alakuló idegsejt amikor az érzékeny végén „szagot fogott”, a felszínén Na+ és K+ ionok (illetve kevés Ca2+) kezdtek gyorsan átáramlani, melynek hatására megváltozott, és a hosszú nyúlványon végig terjedt a külső és belső felszíne közötti feszültségkülönbség. Az izomsejthez tapadt végén, pedig ez a változás felszabadította a kicsi hólyagokba csomagolt ingerületátvivő anyagot, mely ráömlött az izomsejtre. Az izomsejt ezt az anyagot érzékelte, Ca2+-ot eresztett magába, mely izomösszehúzódást váltott ki. Kialakult az első szinapszis! Míg az első csalánozókban ebből csak egy tucat lehetett az ember agyában 1015 (kvadrillió) szinapszis található.
Az idegsejtekről az izomsejtekre a jelet átvivő anyag az acetil-kolin (az angol rövidítést használjuk ezután: ACh). Ez a molekula megint emlékeztet minket arra, hogy az evolúció a lomtárban talált, régi alkatrészeket használja új célokra és/vagy hatékonyabban. Az ACh-t már a biológia „ókori görögjei” a baktériumok is használták jelátvitelre, majd a növényi és állati szövetekben is jelátvitelre használt molekula vált belőle. Nem meglepő, tehát hogy az első idegrendszeri kapcsolatokban jelen van. Mindössze itt már nem a szövetek közötti térbe szabadul fel, hogy lassan szétterjedve a környező sejtekre hasson, hanem egy jól célzott kapcsoltban, a szinapszisban, gyorsan fejti ki hatását.
 
Az első idegsejtek érzékelő vége érzékelhetett mozgást, tápanyagot, hőmérsékletet vagy fényt. Az utóbbiakból alakultak ki a szemek. A legegyszerűbb idegrendszerrel rendelkező állatok a szépséges fésűs medúzák. Ezek testének négy oldalán 4 csillósor fut végig, amelyek az állatot mozgatják. Ahol a 4 csillósor találkozik az állat kupolájának tetején, található egy érzékszerv, egy kis harang, amelyben apró kvarcszemcsék ülnek 4 nyomásérzékelő idegsejt csoport tetején. Amikor az állatot a víz áramlása elferdíti akkor az alulra került idegsejtekre guruló kvarcszemcsék erősebben ingerlik azokat. Az idegsejtek jeleket küldenek az azon az oldalon elhelyezkedő csillósorhoz, mely gyorsabb evezésbe kezd és újra függőleges helyzetbe hozza a fésűsmedúzát. Hogy mire képes már egy ennyire egyszerű rendszer, azt a fényt kerülő és követő házi készítésű robotokat bemutató YouTube videó szemlélteti.

Így lett tehát a köpönyegből messzelátó. Hogy mi történt ezután azt a következő, kevésbé mesés és valószínűleg keményebb diónak bizonyuló #agyséta bejegyzések fogják bemutatni.