الاصبع على النبض

اكتشف علماء معهد وايزمان آلية جديدة تتيح التحكم السريع والدقيق في الإشارات المنقولة من الخلايا العصبية إلى الخلايا العضلية 

بطل الفيلم (مثل أي بطل) يجلس بهدوء مع أصدقائه، عندما تظهر فجأة، ودون أي سابق إنذار، موجة تهدد حياته - موجة ضخمة أو وحش أو مجرم متعطش للدماء - مما اضطره إلى القفز على قدميه و الهروب لحياته. وفي مثل هذه الحالات يجب على قلبه أن يسرع نبضاته بشكل كبير ليضخ كمية كافية من الدم إلى العضلات حتى يتمكن من الهروب بسلام. كيف "يتحول" القلب بهذه السرعة، من الإيقاع المريح إلى المضخة المحمومة؟ وبما أن الجميع يعرف دراما الخطر المفاجئ، فإن هذا السؤال يهمنا جميعًا، وليس فقط أبطال السينما.

وفي دراسة نشرت مؤخرا في المجلة العلمية Cell، أفاد علماء من معهد وايزمان للعلوم عن آلية جديدة اكتشفوها، تسمح بالتحكم السريع والدقيق في الإشارات المنقولة من الخلايا العصبية إلى الخلايا العضلية، مثل الإشارات التي تتحكم في معدل ضربات القلب لعضلة القلب. تساعد نتائج هذه الدراسة في تفسير الدقة الاستثنائية للتحكم في الإشارات في القلب والدماغ. تم إجراء البحث من قبل طالب البحث آدي رو بالتعاون مع أييليت كوبر وليورا جاي ديفيد، في مختبر البروفيسور إيتان ريوفاني من قسم الكيمياء البيولوجية.

لنقل الإشارات الكهربائية بين الخلايا العصبية، أو بين خلية عصبية وخلية عضلية، تفتح القنوات الأيونية مؤقتًا في غشاء الخلية - وهي أنابيب صغيرة يتم بمساعدتها إنشاء النشاط الكهربائي في الخلية - للسماح بمرور الأيونات المشحونة داخل أو خارج الخلية. يتم فتح القنوات وفقًا لتعليمات الموصل العصبي (الناقل العصبي). يعمل الناقل العصبي كنوع من الرسائل الكيميائية، التي ترتبط بمستقبل في غشاء الخلية وينشط جزيئًا يسمى البروتين G، الموجود داخل الخلية. يفتح البروتين G القناة الأيونية عن طريق تغيير بنيتها - وهو إجراء مشابه لتحرير لسان القفل، مما يسمح بفتح الباب.

ولتحضير الخلية لاستقبال الإشارة التالية، يجب بالطبع إغلاق القناة الأيونية. يحدث هذا الإجراء عندما يكون الناقل العصبي نشطًا لمدة قصيرة المدى. في هذه الحالة، لا يتم إرسال المزيد من الإشارة من غشاء الخلية، ويتوقف بروتين G عن العمل - مما يتسبب في إغلاق "اللسان المقفل". وفي الحالات التي يعمل فيها الناقل العصبي لفترة طويلة، يكون لدى الخلية آلية إضافية تضمن عدم بقاء القناة الأيونية مفتوحة إلى الأبد. تعتمد هذه الآلية على "متحكم داخلي"، وهو إنزيم يسمى GRK، الذي يلغي نشاط المستقبل: فهو يربط جزيء الفوسفور بالمستقبلات، مما يتسبب في دخول هذه المستقبلات إلى الخلية. ونتيجة لذلك، فإنها لا تستطيع الاستجابة لوصول الناقل العصبي، ولا تتسبب في فتح القنوات.

مثال على تدخل "المدقق الداخلي" GRK يتعلق بالنواقل العصبية طويلة المدى مثل المورفين والمواد الأفيونية الأخرى، والتي تستخدم كمسكنات للألم. عندما يتم إعطاء هذه المواد كأدوية، فإنها تفقد فعاليتها بعد فترة لأن GRK يزيل جميع مستقبلات البروتين G من غشاء الخلية. وبهذه الطريقة، يتم إيقاف إرسال الإشارات التي تأمر بفتح القنوات الأيونية فعليًا، ولا تعود مسكنات الألم قادرة على العمل. وهذا مثال على حالة تصبح فيها الآلية الأساسية للاتصال الخلوي اضطرابًا يمنع العلاج الطبي. ولهذا السبب، يوصى بعدم إعطاء المواد الأفيونية لفترة طويلة دون انقطاع، حتى لا يفقد المرضى حساسيتهم لهذه الأدوية.

إن إجراء التحكم الذي يقوم به GRK، أي سحب المستقبلات إلى الخلية، هو عملية بطيئة نسبيًا، وقد تستمر عدة ساعات. ولكن ماذا يحدث إذا كانت القناة بحاجة إلى إغلاقها على الفور؟ على سبيل المثال، من أجل تسريع معدل ضربات القلب بعد حدوث تغير بيئي، يجب كبح الناقل العصبي الذي يبطئ معدل ضربات القلب بسرعة - أي أنه يجب إغلاق قناة الأيونات على الفور - من أجل تحرير مساحة للنشاط. من ناقل عصبي آخر، الأدرينالين، الذي يسرع ضربات القلب. لقد عرف العلماء منذ بعض الوقت أن القناة يمكن بالفعل أن تُغلق بسرعة، حتى في وجود ناقل عصبي بعيد المدى. ولكن ما الذي يسبب الإغلاق السريع؟

وفي دراستهم الجديدة، وجد علماء المعهد الإجابة. واكتشفوا أن بروتين GRK "الزائر" يمكنه وضع حد لنشاط بروتين G من خلال آلية أخرى غير معروفة، تعمل بشكل أسرع بكثير من سحب المستقبل إلى داخل الخلية. اتضح أن GRK يمكنه ببساطة الاندفاع نحو القناة الأيونية، وفي غضون ثوانٍ يزيل البروتين G من هناك بنفسه. وبمجرد إزالة البروتين G، تُغلق القناة الأيونية.

ولاكتشاف الآلية، أجرى العلماء تجارب معقدة على الخلايا العصبية والعضلية. وقاموا بقياس التيارات الكهربائية التي تمر عبر غشاء الخلية، وتتبعوا حركة البروتينات باستخدام علامات الفلورسنت، وقاموا بشكل انتقائي بتعطيل نشاط جزيئات معينة من خلال التلاعب الجيني، من أجل معرفة دورها في الخلية.

وتشرح الآلية الجديدة كيف يمكن إيقاف الإشارات الكهربائية في الجسم بسرعة ودقة. يلقي هذا الفهم ضوءًا جديدًا على وظيفة القنوات الأيونية في جميع أنحاء الجسم، ولكن بشكل خاص في القلب والدماغ، حيث يعد التحكم السريع في الإشارات أمرًا ضروريًا. هذه هي الطريقة التي يتمكن بها "المدقق" GRK من إيقاف الإشارة التي تبطئ معدل ضربات القلب بسرعة، وإعداد خلايا العضلات لوصول إشارة الأدرينالين، والتي تعمل على تسريع معدل ضربات القلب على الفور. وبهذه الطريقة، يتم ضمان حصول العضلات على كمية كبيرة من الدم اللازم للقيام بنشاط قوي مثل الجري، لضمان بقاء البطل الذي تواجهه الحياة خطرًا على قيد الحياة حتى نهاية الفيلم.