malastandardduza
Nanomechanizmy słyszenia
Nanomechanizmy słyszenia
Nanomechanizmy słyszenia
 
lek. med. Jan Myjkowski 
 
Poradnia Otolaryngologiczna, ul. Pisarka 1b, Mielec
Źródło: Otoskop nr 41 / 2005
 
Narząd słuchu to najbardziej skomplikowany zmysł naszego organizmu. Dowodem tej tezy jest fakt, że żadna z dotychczasowych teorii słyszenia nie tłumaczy w sposób zadowalający mechanizmów przetwarzania i przekazywania informacji słuchowych. Większość, zwłaszcza autorów amerykańskich, przedstawia nadal prace będące kontynuacją i unowocześnianiem znanej od kilkudziesięciu lat teorii fali biegnącej von Bekesy’ego. Ogłoszona po raz pierwszy przez młodego inżyniera z Budapesztu George’a von Bekesy’ego w 1928 roku, powstała na bazie teorii Hursta z 1894 roku, którą nazwał teorią fali bieżącej. Jest ona typowo mechanistyczną teorią słyszenia i wydaje się, że jej błędem jest przykładanie nadmiernej wagi do zjawisk czysto fizycznych. Należy jednak przypomnieć, że w tamtych czasach wiedza z zakresu biologii molekularnej, cytofizjologii, biofizyki, biochemii i neurobiologii była bardzo ograniczona. Stąd też zbyt małą rolę przypisywano procesom zachodzącym w samej komórce słuchowej oraz na jej styku z otoczeniem.
 
Mechanizmy słyszenia kształtowały się miliony lat i podobne są do mechanizmów odbioru i przetwarzania informacji w innych zmysłach naszego organizmu, a zwłaszcza narządu wzroku. Z pewnym przybliżeniem można powiedzieć, że narząd słuchu to zestaw mikrokomputerów wyposażonych w nanoprocesory, odpowiedzialnych za przetwarzanie energii i przekazywanie jej do centralnego układu nerwowego z bardzo dokładnym zachowaniem treści tych informacji. W odróżnieniu od teorii mechanistycznych, ta współczesna uwzględniająca nanostruktury, nanomechanizmy i nanoprocesy została nazwana submolekularną teorią słuchu i w odbiorze dźwięków przypisuje zasadniczą rolę samej komórce słuchowej.
W teoriach słyszenia bardzo istotnym problemem jest odbiór i przekazywania informacji o dźwiękach w okolicy progu słyszenia. Profesor Peter Dallos twierdzi, że w pobliżu progu słyszymy dzięki wzmocnieniu sygnału o 40–50 dB, a mechanizmem odpowiedzialnym za to wzmocnienie jest skurcz komórek słuchowych zewnętrznych. Reakcja ta jest zjawiskiem fizycznym i przy wyższych natężeniach dźwięku występuje wyraźniej. Tylko po co wzmacniać sygnał przy bardzo dużych natężeniach?
Reakcja komórek słuchowych zewnętrznych ma polegać na wzmacnianiu fali wędrownej w określonym miejscu błony podstawnej w zależności od częstotliwości, a więc długości fali dźwiękowej. Szybkość rozchodzenia się tej fali w płynach ślimaka wynosi około 1400 m/s, tak więc przy częstotliwości 1000 Hz długość fali wędrownej będzie wynosiła 140 cm. Długość błony podstawnej u ssaków jest bardzo różna, na przykład u człowieka częstotliwość 1000 Hz jest odbierana w okolicy dziesiątego milimetra błony podstawnej (według bekeszystów), a u kolibra w okolicy drugiego milimetra błony podstawnej. Czy zatem tylko lokalizacja komórek słuchowych decyduje o odbiorze danej częstotliwości?
Prawdopodobne jest, że istnieje specyficzna wrażliwość receptora słuchowego na falę dźwiękową o danej częstotliwości. Zwolennicy tzw. mikromechanizmów ślimakowych sugerują, że skurcz komórek słuchowych zewnętrznych przyczynia się do wzmocnienia sygnału zewnętrznego. Za skurcz odpowiedzialne jest białko – prestina, zmieniająca swoją konformację pod wpływem potencjału błonowego komórki słuchowej zewnętrznej. Należy zwrócić uwagę na fakt istnienia szybkiego skurczu komórek słuchowych zewnętrznych niezależnie od natężenia dźwięku. Skurcz szybki następuje po pobudzeniu adekwatnym bodźcem nadprogowym i po depolaryzacji komórki zewnętrznej. Wzmacnianie sygnału w czasie działania bodźca o dużym natężeniu byłoby szkodliwe, a więc nie jest możliwe. Depolaryzacja komórek słuchowych zewnętrznych wywołuje w nich lawinę zdarzeń energetycznych, której skutkiem jest ich skurcz i równoczesne wydzielenie do synaps mediatora chemicznego wywołującego powstanie postsynaptycznego potencjału we włóknach aferentnych. Liczba posiadanych włókien aferentnych jest proporcjonalna do liczby przesyłanych informacji. Jeżeli przyjmiemy tezę o niższym progu pobudliwości komórek słuchowych zewnętrznych i większej ich wrażliwości na dźwięki o niskiej częstotliwości, to zrozumiała staje się mniejsza liczba ich włókien aferentnych w porównaniu z liczbą takich włókien w komórkach słuchowych wewnętrznych. Do przewodzenia informacji o natężeniu 10 dB i częstotliwości 100 Hz wystarczy jedno włókno nerwowe. Natomiast do przekazania informacji o natężeniu 100 dB i częstotliwości 10 000 Hz potrzeba ich wielokrotnie więcej. Jest bardzo prawdopodobne, że populacja receptorów o niskim progu pobudliwości przeważa w komórkach słuchowych zewnętrznych. Natomiast w komórkach słuchowych wewnętrznych przeważa populacja receptorów o wrażliwości na większe natężenia bodźca i na wyższe częstotliwości. Komórki słuchowe zewnętrzne, odbierając sygnały o mniejszej energii i niskiej częstotliwości, mogą sobie pozwolić na posiadanie mniejszej liczby linii przesyłowych w postaci unerwienia aferentnego. Około 93% włókien aferentnych łączy się z komórkami słuchowymi wewnętrznymi, których jest 5 razy mniej niż komórek słuchowych zewnętrznych. Wynika z tego, że obszar unerwienia każdego neuronu komórek słuchowych wewnętrznych jest wielokrotnie mniejszy od obszaru unerwienia każdego neuronu komórek słuchowych zewnętrznych. Obszar takiego unerwienia pojedynczego neuronu można nazwać polem recepcyjnym neuronu. Odgrywa to istotną rolę w różnicowaniu małych przyrostów natężenia i wykrywaniu minimalnych zmian częstotliwości.
Gdyby przyjąć, że komórki słuchowe zewnętrzne są tylko przenośnikiem i wzmacniaczem informacji słuchowych, to wyłaniają się trzy pytania:
 
·         Jaką rolę spełnia ich unerwienie aferentne?
 
·         Dlaczego ruch endolimfy, który powstaje po skurczu komórek słuchowych zewnętrznych, nie wywołuje ugięcia włosków i pobudzenia samych komórek słuchowych zewnętrznych, posiadających niższy próg pobudliwości?
 
·         Co następuje wcześniej: pobudzenie komórki czy jej skurcz?
 
Informacją słuchową jest fala dźwiękowa o odpowiednim natężeniu i częstotliwości. Fala dźwiękowa przenosi energię, a nie masę. Energia fali jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy jej wychylenia lub do kwadratu amplitudy ciśnienia. Fala dźwiękowa o natężeniu 140 dB wywiera na błonę bębenkową zmienne ciśnienie wynoszące około 28 N/m2 (tj. 28 Pa). W przeliczeniu na wychylenie fali dźwiękowej w powietrzu przy częstotliwości 1000 Hz wynosi to 1,1 x 10-5m. Najsłabszy dźwięk, o częstotliwości 1000 Hz, który można słyszeć (ton progowy) ma amplitudę ciśnienia 2 x 10-5Pa. Obliczając wychylenie fali dźwiękowej dla tonu progowego, otrzymujemy wartość 8 x 10-12m, co daje w przybliżeniu wartość 10-11 metra. Jest to długość wielokrotnie mniejsza od promienia atomu, który wynosi około 10-10 metra. Natężeniu dźwięku w dB odpowiada wychylenie fali w nanometrach:
 
                0 dB                                                      0,01 nm
                20 dB                                                    0,1 nm
                40 dB                                                    1 nm
                60 dB                                                    10 nm
                80 dB                                                    100 nm
                100 dB                                                  1000nm
                120 dB                                                  10 000 nm
                140                                                        100 000 nm = 0,1 mm.
 
Na granicy środowiska powietrznego i płynnego 99,9% energii fali dźwiękowej ulega odbiciu. Mechanizm wzmacniający ucha środkowego powoduje prawie w pełnym zakresie „odzyskanie” utraconej energii fali dźwiękowej, wzmacniając ją o około 27 dB. Zatem wychylenie fali dźwiękowej w płynach ucha wewnętrznego jest porównywalne z amplitudą fali dźwiękowej w okolicy małżowiny usznej. Odbiór informacji w okolicy progu słuchowego jest niezbitym dowodem, że teza o roli, jaką odgrywa błona podstawna i fala wędrowna w procesie słyszenia, jest mało wiarygodna. Fala dźwiękowa, której wychylenie jest 10 razy mniejsze od promienia atomu, nie może wywoływać ruchów błony podstawnej, przepływów endolimfy czy przemieszczeń lub ugięć mikrokosmków komórek słuchowych. Bardziej prawdopodobne jest istnienie mechanizmu wrażliwego na energię fali dźwiękowej, który bramkuje kanały jonowe potasu we włoskach komórek słuchowych. Percepcja częstotliwości fali dźwiękowej jest związana z miejscem i rodzajem pobudzonych komórek słuchowych, natomiast percepcja natężenia jest związana z ich ilością.
Energia fali dźwiękowej pobudza komórkę słuchową, czyli wytrąca ją ze stanu równowagi dynamicznej wprowadzając w stan nierównowagi. Stan równowagi dynamicznej dotyczy zwłaszcza bocznej i podstawnej części komórki słuchowej. Zachodzi tu stały do- i odkomórkowy przepływ jonów. Pompy jonowe przenoszą jony w reakcji endoergicznej wbrew potencjałowi elektrochemicznemu. Istnieje transport wymienny, czyli kotransport oraz przepływ jonów przez kanały jonowe zgodny z potencjałem elektrochemicznym. Suma przepływów jonów dodatnich i ujemnych przez błonę komórki w obu jej kierunkach w stanie spoczynku równa się zeru. Najważniejszymi jonami w komórce, biorącymi udział w depolaryzacji i repolaryzacji komórki są jony Na+, K+, Ca2+ i Cl-. Każdy z nich posiada inny poziom potencjału równowagi i wynosi: dla Na+ -71 mV, K+ +94,9 mV, Cl- -89,4 mV, natomiast potencjał błonowy jest taki sam dla wszystkich rodzajów jonów i zależy od stężenia jonów po obu stronach błony i od jej przepuszczalności dla poszczególnych jonów. Zatem w stanie spoczynku każdy z prądów jonowych ma pewną wartość, ale ich suma równa się zero.
Drugim ważnym czynnikiem w powstawaniu potencjału błonowego jest inna przepuszczalność tej błony dla różnych jonów. Błona komórkowa w stanie spoczynku jest najbardziej przepuszczalna dla jonów potasu, stąd wartość potencjału spoczynkowego błony komórkowej będzie zbliżona do potencjału spoczynkowego potasu. Naturalne dążenie do wyrównywania się stężeń i napięć po obu stronach błony, zgodne z II prawem termodynamiki, prowadzi do likwidacji potencjału błonowego. Przeciwdziała temu obecność aktywnego mechanizmu wytwarzającego różnicę stężeń i potencjału po obu stronach błony. Tym mechanizmem są pompy jonowe i przenośniki jonowe. Dzięki energii uzyskanej z rozpadu ATP przenoszą jony „pod prąd” – ze środowiska o mniejszym stężeniu jonów do środowiska o większym ich stężeniu, wytwarzając gradient chemiczny i elektryczny.
Wnętrze komórki posiada potencjał ujemny o wartości około -80 mV w porównaniu z jej otoczeniem. Przyjęto, że to otoczenie, będące punktem odniesienia, ma potencjał równy zero. Brak potencjału elektrochemicznego na błonie komórkowej prowadzi do śmierci komórki. W przypadku komórek słuchowych istnieje szczególna sytuacja, ponieważ ich boczna i dolna ściana styka się z perylimfą lub płynem śródtkankowym o małej zawartości jonów potasu i dużą zawartością jonów sodu (K+ 7-8 mEq/l, Na+ -140 mEq/l), natomiast włoski komórek słuchowych i szczytowa część komórki słuchowej otoczone są endolimfą o bardzo wysokim poziomie potasu i niskim poziomie sodu (K+ -150 mEq/l, Na+ -15 mEq/l). Ma to niezwykle ważne znaczenie w odbiorze informacji słuchowych.
Na pracę kanałów jonowych może wpływać szereg czynników, takich jak: fosforylacja i defosforylacja białek kanałowych, stężenie ATP wewnątrz i na zewnątrz komórki, poziom cAMP, cGMP, pH komórki, energia mechaniczna (tzn. fala dźwiękowa), ciśnienie osmotyczne, potencjał oksydo-redukcyjny czy obecność ligandów. Właśnie ta zdolność kanałów do modulacji pozwala komórce słuchowej na specyficzne reakcje na energię mechaniczną fali dźwiękowej.
W ciągu milionów lat ewolucji wykształcił się bardzo czuły mechanizm odpowiedzialny za bramkowanie kanałów jonowych potasu łączących endolimfę z wnętrzem komórki słuchowej. Energia fali dźwiękowej jest czynnikiem wyzwalającym zmiany konformacyjne białek kanałowych odpowiedzialnych za bramkowanie kanałów potasowych włosków i szczytowej powierzchni komórek słuchowych. Specyficzne pompy potasowe prążka naczyniowego odpowiedzialne są za wytworzenie wysokiego poziomu potasu w endolimfie (158 mM), co przy jej dodatnim potencjale elektrycznym stwarza wysoce dodatni potencjał elektrochemiczny na błonie oddzielającej komórkę słuchową od endolimfy. Energia mechaniczna fali dźwiękowej służy do aktywacji kanałów jonowych potasu i zamieniana jest na energię elektryczną potencjału błonowego. Ilość otwieranych kanałów jonowych potasu zależy od natężenia dźwięku, natomiast częstotliwość sygnałów w samej komórce, przekazywanych w kierunku synapsy aferentnej, jest zgodna z częstotliwością fali dźwiękowej.
Przy braku pobudzenia komórki słuchowej pompa sodowo-potasowa w czasie jednego cyklu przemieszcza dwa jony potasu do komórki, równocześnie usuwając trzy jony sodu poza komórkę. Deficyt jonów we wnętrzu komórki jest źródłem potencjału błonowego. Drugi powód ujemnego potencjału wnętrza komórki to duża ilość cząsteczek białkowych o ładunku ujemnym. Równocześnie z napływem jonów potasu do komórki odbywa się ich ucieczka przez kanały potasowe bocznej ściany komórki (tzw. kanały przeciekowe). Zachowana jest pewna równowaga poziomu K+. Zbyt mały napływ jonów K+ przez kanały potasowe włosków komórek słuchowych nie zmienia tej równowagi. Dopiero przekroczenie pewnej granicy, zwanej progiem, powoduje lawinę następstw w samej komórce słuchowej. Próg pobudliwości komórki słuchowej jest tym niższy im większa jest gęstość kanałów jonowych potasu na włoskach i szczytowej części komórki słuchowej. Dodatnio naładowane jony potasu, wpływające do komórki z endolimfy, zmniejszają ujemne napięcie jej wnętrza, czyli powodują depolaryzację. Depolaryzacja komórki jest czynnikiem wyzwalającym zmiany konformacyjne białek odpowiedzialnych za bramkowanie napięciowozależnych wapniowych i sodowych kanałów jonowych w bocznej i podstawnej części komórki. Najwcześniej otwierają się kanały wapniowe typu T, których potencjał aktywujący wynosi –70 mV. Przewodność tych kanałów jest mała i wynosi 8 pS. Przy potencjale -20 mV aktywowane są kanały wapniowe typu N, o przewodności 13 pS. Dopiero przy spadku potencjału do -10 mV aktywują się kanały typu L o przewodności 25 pS.
Depolaryzacja rozpoczęta napływem jonów potasu z endolimfy wpływa na napięciowozależne kanały sodowe i potasowe bocznej ściany komórki. Kanały sodowe reagują na pobudzenie znacznie szybciej niż kanały potasowe, stąd błona komórki staje się teraz przepuszczalna głównie dla jonów sodowych. Dodatkowo w tym momencie potencjał elektrochemiczny jest znacznie wyższy dla jonów sodu niż dla jonów potasowych. Stąd siła napędzająca dla jonów sodu jest większa i oddziałuje na szybkość napływu jonów sodu do komórki. Narastająca depolaryzacja sprzyja otwieraniu się coraz to większej ilości kanałów sodowych. Mamy tu do czynienia z dodatnim sprzężeniem zwrotnym: napływ jonów sodowych zwiększa depolaryzację, a ta powoduje otwieranie nowych kanałów jonowych, dochodzi zatem do lawinowego otwierania się kanałów sodowych i szybkiej depolaryzacji. Skutkiem tego jest kilkusetkrotne zwiększenie przepuszczalności błony komórki dla jonów sodu. Potencjał błonowy zbliża się do potencjału równowagi dla jonów sodu, a potencjał elektryczny - będący siłą napędzającą dla tych jonów - zbliża się do zera. Wzrasta natomiast siła napędzająca dla jonów potasu.
Otwieranie się coraz większej liczby kanałów potasowych napięciowozależnych powoduje hamowanie depolaryzacji wywoływanej przez dokomórkowy prąd sodowy. Dodatkowym czynnikiem gwałtownie hamującym depolaryzację jest zjawisko inaktywacji kanałów jonowych Na+. Po około 1-2 milisekundach od otwarcia następuje ich inaktywacja - są wówczas zamknięte i niewrażliwe na pobudzenie. Depolaryzacja osiągnęła pewien szczyt, teraz napływ potasu przez kanały potasowe bocznej ściany komórki i inaktywacja kanałów sodowych szybko prowadzi do odwrócenia sytuacji – dochodzi do repolaryzacji komórki. Przeważa teraz przewodnictwo dla jonów potasu i w wyniku tego dochodzi do hiperpolaryzacji – kiedy potencjał błonowy osiąga wartości niższe od spoczynkowych. Te niskie wartości potencjału błonowego wpływają na szybkie zamykanie się kanałów potasowych, spadek przepuszczalności dla tych jonów i powrót do potencjału spoczynkowego. Repolaryzacja i hiperpolaryzacja powoduje przejście kanałów sodowych ze stanu inaktywacji w stan zamknięty, wrażliwy na pobudzenie. Potencjał błonowy wraca do poziomu równowagi – kanały jonowe są zdolne do reakcji na nowe bodźce.
Ponieważ pełny cykl pracy kanału jonowego sodu (aktywacja, otwarcie, zamkniecie, inaktywacja) wynosi około 5 milisekund, daje to możliwość odbioru informacji niesionej przez falę dźwiękową do częstotliwości 200 Hz. Do odbioru częstotliwości wyższych konieczna jest większa ilość kanałów jonowych aktywowanych w różnym czasie. Wydaje się prawdopodobne, że nietoperz odbierający dźwięki o częstotliwości do 300 000 Hz posiada kanały jonowe działające szybciej, zaś ich gęstość na powierzchni komórki słuchowej jest większa.
Przez kanały wapniowe w bocznej ścianie komórki słuchowej napływa do niej fala jonów wapniowych. Napływ jest szybki dzięki bardzo wysokiemu potencjałowi elektrochemicznemu wapnia na błonie komórkowej. Jego poziom w komórce słuchowej jest bardzo niski - około 100 nM/l, podczas gdy w płynie tkankowym wynosi około 1 200 000 nM/l. Większość wapnia w komórce zmagazynowana jest w siateczce śródplazmatycznej i organellach komórkowych. Depolaryzacja komórki i związany z tym napływ wapnia jest sygnałem do jego uwalniania z magazynów wewnątrzkomórkowych. Wapń docierający przez kanały jonowe wraz z wapniem uwolnionym z magazynów komórkowych szybko rozprzestrzenia się we wnętrzu komórki słuchowej. Wzrost stężenia cytoplazmatycznych jonów wapnia prowadzi do ich wiązania przez specyficzne białka, które w ten sposób są pobudzane zwiększając aktywność różnych kinaz białkowych.
Aby ten mechanizm mógł działać, musi też istnieć mechanizm odpowiedzialny za bardzo szybkie obniżanie poziomu wapnia w komórce po przekazaniu informacji. Jest to pompa przenosząca jon Ca2+ poza komórkę w zamian za 2 jony H+ przenoszone do komórki. Działa tu Ca2+H+ATPaza, czerpiąca energię z ATP. Drugim mechanizmem obniżającym poziom wapnia w komórce jest transport antyportowy, zależny od stężenia jonów Na+, który wymienia dwa jony Na+ z przestrzeni pozakomórkowej na jeden jon Ca2+ wyrzucany poza komórkę. Trzecim mechanizmem są pompy jonowe przemieszczające jony wapnia z płynów komórki do organelli, głównie mitochondriów, siateczki śródplazmatycznej i jądra. Przy małych natężeniach dźwięku podwyższenie poziomu wapnia jest niewielkie i powrót do niskiego poziomu szybki. Im niższy poziom wapnia przed zadziałaniem sygnału, tym większa zdolność różnicowania małych przyrostów natężenia i zmian częstotliwości. Działa tu tzw. prawo tła i ma to znaczenie w odbieraniu bodźców okołoprogowych.
Rola wapnia w komórce słuchowej jest bardzo różnorodna. Jest on regulatorem wielu mechanizmów wewnątrzkomórkowych, ale do najważniejszych jego zadań należy udział w przekazywaniu informacji wewnątrzkomórkowych, ich wzmacnianie i rozprowadzanie. Rola wapnia w przekazywaniu informacji polega na wpływie jonów Ca2+ na takie enzymy, jak cyklaza adenylowa, fosfodiesteraza, fosfolipaza A2, kinaza białkowa A.
Jony wapnia są drugim przekaźnikiem i biorą udział w powstawaniu pozostałych drugich przekaźników, takich jak cAMP, cGMP, IP3  i DAG. Wzmocnienie wewnątrzkomórkowe działa przez drugie przekaźniki i białka receptorowe dla Ca2+. Po związaniu się z wapniem białka te zmieniają swoje właściwości biologiczne, oddziałują na inne białka, wpływając poprzez nie na reakcje komórkowe. Istnieje wiele białek receptorowych Ca2+, ale szczególną rolę spełnia kalmodulina. Jest zbudowana ze 148 aminokwasów i ma cztery miejsca wiążące jony Ca2+. Przyłączanie się kolejnych jonów do domen wiążących powoduje zmiany konformacyjne w cząsteczce kalmoduliny, zwiększające zdolność wiązania się jej z cząsteczkami enzymów. Aktywacja enzymów zachodzi po przyłączeniu co najmniej trzech jonów Ca2+. Przy poziomie wapnia w komórce rzędu 10-6 mol/l aktywność kompleksu kalmoduliny z wapniem jest 100 000 razy większa od aktywności samej kalmoduliny. Jest to jeden z elementów wzmocnienia wewnątrzkomórkowego. Kompleks ten działa bezpośrednio na enzymy lub pośrednio przez stymulację zależnych od kalmoduliny kinaz białkowych, które fosforyzując białka enzymatyczne zmieniają je w postać aktywną.
Etap przekazywania informacji w komórce słuchowej związany z kalmoduliną prowadzi do rozdzielenia sygnału na różne kierunki. Sygnał wzmocniony zmierza dalej w kierunku dośrodkowym, ale równocześnie kalmodulina aktywuje wiele tzw. procesów konstytutywnych, czyli występujących w komórce niepobudzonej, takich jak:
 
1.         wpływ na produkcję i rozpad cAMP i cGMP, przez aktywację fosfodiesterazy lub cykazy adenylowej - w zależności od poziomu wapnia w komórce;
 
2.         aktywacja kinaz lub fosfataz białkowych;
 
3.         regulacja poziomu wapnia w komórce przez aktywację pompy wapniowej;
 
4.         wpływ na metabolizm komórki przez aktywację kinazy fosforylazy A oraz aktywację kinazy syntetazy glikogenowej;
 
5.         wpływ na skurcze komórek mięśniowych i niemięśniowych przez aktywację niezależnej od cAMP kinazy lekkich łańcuchów miozyny;
 
6.         dzięki fosforylacji specyficznych białek błonowych kalmodulina wpływa na wydzielanie komórkowe (egzocytozę).
 
Inne białka komórkowe, których działanie zależne jest od poziomu wapnia w komórce, to gelsolina, troponina C i parwoalbumina. Po związaniu się z wapniem pobudzają one inne białka komórkowe. Także aktywność niektórych enzymów wzrasta w obecności jonów wapniowych. Należą do nich enzymy mitochondrialne, takie jak dehydrogenaza pirogronianowa i dehydrogenaza kwasu alfaketoglutarowego. Należy tu także zaliczyć system białek kalpaina-kalpastyna, odpowiedzialny za proteolizę wielu białek komórkowych, między innymi kinazy białkowej C. Kalpastyna przy niskim poziomie wapnia tworzy kompleks z kalpainą, hamując jej działanie. Przy podwyższonym poziomie wapnia kompleks rozpada się i tym samym kalpaina staje się enzymem aktywnym.
W komórce istnieją różne inne białka aktywowane przez kalmodulinę związaną z jonami wapnia, których działanie nie zostało do tej pory poznane. Kontrola mechanizmów wewnątrzkomórkowych przez działanie kalmoduliny to jeden z elementów dynamicznej regulacji procesów, ponieważ wpływa ona na główne szlaki metaboliczne w komórce przez aktywację lub hamowanie pojedynczych enzymów, tzw. kluczowych. Drugi system aktywowany przez kompleks wapnia z kalmoduliną polega na regulacji współdziałania wszystkich organelli komórkowych. Trzeci, stosunkowo wolny, polega na regulacji produkcji białek, szczególnie enzymatycznych. Zmianom może podlegać proces wytwarzania enzymów lub szybkość ich rozpadu. Wpływ na szybkość reakcji mają również aktywatory i inhibitory enzymów. Te trzy systemy regulacji procesów wewnątrzkomórkowych współdziałają ze sobą, odpowiadając za współpracę procesów konstytutywnych i regulowanych. Gwałtowne zwiększenie poziomu wapnia w komórce słuchowej i aktywacja kalmoduliny wprowadza komórkę w stan mobilizacji.
Wapń jest drugim przekaźnikiem informacji, wyprzedzającym w czasie powstawanie pozostałych drugich przekaźników (cAMP, cGMP, DAG, IP3), które wytwarzane są przez enzymy pobudzone wzrostem poziomu wapnia lub aktywowane białkami G. Etap wytwarzania drugich przekaźników jest jednym z kilku mechanizmów wzmocnienia wewnątrzkomórkowego. Pojedyncza cząsteczka enzymu może wytwarzać kilkaset drugich przekaźników.
Energia mechaniczna sygnału zewnętrznego, która jest tylko języczkiem spustowym kaskady reakcji wewnątrzkomórkowych, powoduje uruchomienie procesów konstytutywnych i regulowanych w komórce. Ich natężenie jest proporcjonalne do energii sygnału zewnętrznego. Uruchamiane są szlaki przekazywania informacji wewnątrzkomórkowych. Drugie przekaźniki są rozpuszczalne w wodzie i mają zdolność do szybkiego przemieszczania się w komórce. Przetwarzanie informacji w komórce i przekazywanie ich dalej związane jest z odwracalnym tworzeniem i hydrolizą wiązań fosforanowo-estrowych. Za tworzenie wiązań odpowiedzialne są kinazy, a za hydrolizę fosfatazy. Istnieją dwa typy kinaz: tyrozynowe, tworzące estry fosforanowe na wybranych resztach tyrozyny substratu i serynowo-treoninowe, tworzące estry fosforanowe na wybranych resztach seryny lub treoniny. Każda komórka posiada zestaw około 1000 różnych kinaz, co oznacza, że są one głównymi uczestnikami sygnalizacji wewnątrzkomórkowej. Kinazy odpowiadają za fosforylację białek, które zmieniają swoją konformację, stają się aktywne i pobudzają następne białka. Tak tworzy się fala aktywacji białek szlaku sygnalizacyjnego. Fosforylacja to działanie typu „włącz–przekaż dalej”, natomiast fosfatazy, których w komórce jest tyle samo co kinaz, działają na zasadzie „wyłącz koniec informacji”. Istnieje tzw. swoistość kinaz i fosfataz. Fosforylują lub usuwają fosforany ze ściśle określonych substratów. Przekazywanie informacji to proces endoergiczny, wymaga dostarczania energii z rozpadu wysokoenergetycznego związku, uniwersalnego donatora energii – ATP lub GTP. Działają tu dwa typy enzymów hydrolizujących: ATPazy i GTPazy, które to białka są wewnątrzkomórkowymi przełącznikami cząsteczkowymi. Biorą czynny udział w przekazywaniu informacji wewnątrzkomórkowych i w większości procesów regulacyjnych w komórce.
Komórka słuchowa to niezwykle skomplikowane urządzenie działające według dwóch programów: pierwszy związany jest z życiem komórki jako podstawowej jednostki organizmu, drugi - z przetwarzaniem informacji słuchowych. Oba programy współpracują z sobą, wykorzystują często te same szlaki przekazywania informacji, te same substraty i te same enzymy. Funkcjonowanie drugiego programu uzależnione jest od prawidłowego działania pierwszego.
Energia mechaniczna sygnału zewnętrznego zamieniona na energię elektryczną potencjału błonowego, zamieniona następnie w energię chemiczną wiązań jonowych i kowalencyjnych, przekaźników wewnątrzkomórkowych zostaje wzmocniona i rozdzielona na obydwa systemy. Wzmocnienie jest tym większe, im mniejsza jest energia sygnału zewnętrznego. Dużym natężeniom dźwięku towarzyszą zjawiska adaptacji i hamowania. Jednak nawet przy dużych natężeniach na drodze przekazywania informacji stale dostarczana jest energia z zewnątrz z ATP lub GTP niezbędna do pracy pomp jonowych, produkcji białek, działania enzymów itp.
Komórka słuchowa to doskonale zorganizowany zakład pracy, którego produkt finalny (transmitter) jest narzędziem w systemie przekazywania informacji. Wytwarzanie produktu i jego magazynowanie regulowane jest przez system pierwszy (konstytutywny), natomiast wydzielanie transmittera do synapsy jest częścią systemu drugiego – regulowanego. Systemy te ściśle współpracują w przetwarzaniu energii w komórce.
Jeżeli sygnał zewnętrzny o natężeniu progowym wytwarza na błonie komórki receptorowej potencjał rzędu 10-9 wolta, to energia ta musi być wielokrotnie wzmocniona, aby mogła dotrzeć do centralnego układu nerwowego. Procesowi przetwarzania i przekazywania energii towarzyszy zjawisko jej rozpraszania. Część energii sygnału ulega zamianie w energię cieplną zgodnie z prawami termodynamiki. Dlatego też na całej drodze przekazywanej informacji dostarczana jest energia z zewnątrz – uzyskiwana z utleniania związków wysokoenergetycznych. Spalanie zmagazynowanych w komórce lub dostarczanych na bieżąco drogą krwionośną substancji uzyskanych z pokarmu dostarcza energii zgromadzonej w wiązaniach chemicznych tych związków.
Sygnał w komórce – porcja energii – przemieszcza się w postaci fali z szybkością około 0,5 milimetra na sekundę. Średnia długość komórki słuchowej wynosi 50 μm, zatem czas w którym fala przebywa drogę od szczytu komórki do synapsy wynosi 0,1 sekundy. Częstotliwość fal wapniowych koduje informacje związane z częstotliwością fali dźwiękowej, natomiast energia przenoszona odpowiada natężeniu dźwięku. Wzrost poziomu wapnia w okolicy presynaptycznej jest sygnałem do uwolnienia porcji transmittera do synapsy. Ilość transmittera jest proporcjonalna do natężenia dźwięku, tzn. do energii uwalniającej pęcherzyki synaptyczne. Pęcherzyki te przemieszczane są transportem anterogradowym skokami do przodu w tym momencie, gdy aktywowane wapniem białka, a zwłaszcza gelsolina, rozrywają wiązania białkowe mocujące pęcherzyki do cytoszkieletu. Motorem molekularnym przesuwającym pęcherzyki w kierunku błony presynaptycznej jest kinezyna. Jest to enzym o własnościach ATPazowych o masie około 340 kD i długości 80 nm, zbudowany z dwu ciężkich i dwu lekkich łańcuchów polipeptydowych. Jedno zakończenie odpowiedzialne za ruch posiada dwie główki i łączy się z mikrotubulami. Drugi koniec - pałeczkowaty w kształcie wachlarza - wiąże pęcherzyki synaptyczne i przemieszcza je wzdłuż mikrotubul w kierunku błony presynaptycznej. Kompleks białek w okolicy presynaptycznej ułatwia kontakt pęcherzyków z błoną presynaptyczną, ich łączenie się i wytwarzanie kanału łączącego wnętrze pęcherzyka z synapsą.
Gdyby tylko zjawisko dyfuzji odpowiedzialne było za przemieszczanie się zawartości pęcherzyka do synapsy, proces ten trwałby zbyt długo. Dlatego opróżnianie pęcherzyków odbywa się w czasie skurczu komórki, co znakomicie skraca czas tej czynności. Błona otaczająca pęcherzyk ma taką samą budowę jak wszystkie błony komórki, zostaje zatem wbudowana w błonę presynaptyczną. W ten sposób masa błony presynaptycznej wzrasta, ale tylko na krótki czas, po którym następuje wydzielenie wbudowanej części błony pęcherzykowej i odesłanie jej transportem wstecznym do aparatu Golgiego. Za transport wsteczny (retrogradowy) odpowiedzialne jest białko enzymatyczne, jakby silnik molekularny - dyneina. Te wędrujące z powrotem błony wykorzystywane są do tworzenia nowych pęcherzyków synaptycznych. Jest to tzw. recykling błon komórkowych.
Wydzielanie transmittera do synapsy związane jest z przekazywaniem informacji o natężeniu i częstotliwości sygnału. Szczelina synaptyczna szerokości około 50 nm wypełniona jest płynem, w którym transmitter przemieszcza się od błony presynaptycznej do postsynaptycznej w czasie 0,5 milisekundy. Po osiągnięciu błony postsynaptycznej transmitter łączy się ze swoistymi kanałami jonowymi, powodując ich otwarcie. Transmitter aktywny jest tylko przez okres około 1 milisekundy, po czym odłącza się od kanału jonowego i ulega rozkładowi przez enzymy obecne w szczelinie synaptycznej. Część transmittera może być przemieszczana poza synapsę. Poziom transmittera gwałtownie spada, po czym kanały jonowe stają się wrażliwe na jego nowy napływ. Zazwyczaj transmittery powodują otwieranie kanałów sodowych, napływ jonów Na+ do okolicy postsynaptycznej, która jest początkowym odcinkiem nerwu aferentnego. Na błonie postsynaptycznej powstaje potencjał depolaryzacyjny, tzw. postsynaptyczny potencjał pobudzający. Jeżeli zostanie przekroczony pewien próg depolaryzacji – około 15 mV, to depolaryzacja ta przemieszcza się wzdłuż nerwu aferentnego do następnej synapsy. Transmitter może być związany z innymi kanałami, na przykład potasowymi lub chlorkowymi. Pobudzenie kanałów chlorkowych i ich otwarcie powoduje napływ jonów chlorkowych do zakończenia postsynaptycznego i powstanie postsynaptycznego potencjału hamującego (polaryzacja błony komórkowej).
Z przekaźnictwem synaptycznym związane jest wiele mechanizmów regulacyjnych, takich jak hamowanie i sumowanie pre- i postsynaptyczne, sumowanie przestrzenne i czasowe, rozkład enzymatyczny i resorbcja zwrotna transmittera. Często oprócz podstawowego transmittera istnieje jeszcze tzw. kotransmitter, spełniający rolę regulacyjną, gdyż wspomaga lub hamuje działanie transmittera.
W synapsie następuje zamiana energii wiązań chemicznych transmittera na energię elektryczną postsynaptycznego potencjału przekazywanego do centralnego układu nerwowego. Jest to proces kodowania przekazywanych informacji. Polega on na porządkowaniu ilości i wielkości impulsów we włóknie nerwowym lub wiązce włókien, w zależności od natężenia i częstotliwości dźwięku. W każdej kolejnej synapsie następuje rozkodowanie informacji, zamiana sygnału elektrycznego w energię chemiczną transmittera, integracja informacji podstawowej dochodzącej do synapsy z informacjami dodatkowymi z interneuronów, zamiana energii chemicznej na elektryczną postsynaptycznego potencjału pobudzającego z równoczesnym jej kodowaniem. Po pokonaniu kilku synaps i odcinków międzysynaptycznych informacja w postaci pulsów energii dociera do centralnego układu nerwowego. Zostaje rozkodowana, poddana analizie podobnej do analizy fourierowskiej i porównana z informacjami zapisanymi w pamięci trwałej.
Opracowanie informacji w komórce słuchowej i przekazanie jej do synapsy trwa około 100 milisekund. Średni czas przebycia drogi przekazywanej informacji od synapsy komórki słuchowej do centralnego układu nerwowego wynosi około 6 milisekund. Jest to czas przewodnictwa nerwu aferentnego (4 milisekundy) wraz z sumą opóźnień synaptycznych (2 milisekundy). W przekazywaniu informacji biorą udział tysiące białek. Każde z nich ma własny kod genetyczny i okres półtrwania oraz podlega prawom transkrypcji, translacji, obróbki potranslacyjnej, znakowaniu, transportowi i rozkłaowiu w proteosomach czy innych organellach komórkowych.
 
Odbiorcze upośledzenie słuchu i szumy uszne mogą być wynikiem nieprawidłowej produkcji lub niewłaściwego działania poszczególnych białek, a często całych mechanizmów biorących udział w odbiorze, przetwarzaniu i przekazywaniu informacji słuchowych na drodze od receptora do centralnego układu nerwowego. Poznanie wszystkich mechanizmów słyszenia będzie w przyszłości podstawą do wdrożenia nowych metod diagnostyki i leczenia głuchoty odbiorczej. Poszerzenie wiedzy na temat nanofizjologii słuchu może wpłynąć na uzyskanie lepszych wyników leczenia zachowawczego upośledzeń odbiorczych i zmniejszenie ilości wykonywanych operacji wszczepów ślimakowych. Bez poznania procesów na poziomie atomów, kątów i rotacji wiązań atomowych oraz genetyki białek nie można poznać tajemnicy przetwarzania i przekazywania energii kodującej informacje słuchowe.
 
PIŚMIENNICTWO:
 
1.         Alberts B., Bray D., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P., Podstawy biologii komórki, PWN, Warszawa, 1999 r.
 
3.         Ball St., Chemia szarych komórek, Medyk Sp. z o.o., Warszawa 2003 r.
4.         Bartnik G., Szumy uszne – Fakty istotne klinicznie, Magazyn Otorynolryngologiczny, 2003 r. Tom II, zeszyt 3, nr 7, str. 57.
5.         Brownell W.E., Spector A.A., Raphael R.M., Popel A.S. Micro-and nanomechanics of the cochlear outer hair cell. Ann. Rev. Biomed. Eng. 2001; 3: 169-94.
6.         Cheatham M.A., Huynh K.H., Gao J., Zuo J., Dallos P. Cochlear function in Prestin knockout mice. J. Physiol. 2004 Aug. 19.
7.         Dallos P. Organ of Corti kinematics. J. Assoc. Res. Otolaryngol. 2003 Sep.; 4 (3): 416-21.
8.         Deo N., Grosh K. Two-state model for outer hair cell stiffness and motility. Biophys. J. 2004 Jun.; 86 (6): 3519-28.
9.         Fukazawa T., How can the cochlear amplifier be realized by the outer hair cells which have nothing to push against?, Hear. Res. 2002 Oct.; 172 (1-2): 53-61.
10.     Fuller G.M., Shields D., Podstawy molekularne biologii komórki, PZWL Warszawa 1998 r.
11.     Geolec G.S., Holt J.R. Auditory amplification: outer hair cells pres the issue. Trends Neurosci. 2003 Mar; 26 (3): 115-7.
12.     Gilbertson T.A., Damak S., Margolskee R.F. The molecular physiology of taste transduction. Curr. Opin. Neurobiol. 2000 Aug.; 10 (4): 519-27.
13.     Gummer A.W., Meyer J., Frank G., Scherer M.P., Preyer S., Mechanical transduction in outer hair cells. Audiol. Neurootol. 2002 Jan-Feb; 7 (1): 13-6.
14.     Hackney C.M., Furness D.N., Mechanotransduction in vertebrate hair cells: structure and function of the stereociliary bundle, Am. J. Physiol. 1995 r. 268, C1-C13.
15.     Holt J.R., Corey D.P., Two mechanisms for transducer adaptation in vertebrate hair cells, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000 r. Oct. 24; 97 (22): 11730-35.
16.     Hudspeth A.J., Logothetis N.K., Sensory systems, Curr. Opin. Neurobiol, 2000; 10 (5): 631-641.
17.     Hudspeth A.J., Martin P., Compressive nonlinearity in the hair bundle’s active response to mechanical stimulation, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 14386-14391.
18.     Kitajiri S., Sakamoto T., Ito J., Genes related to hearing disorders., Acta Otolaryngol Suppl. 2004 Mar.; (551): 10-13.
19.     Konturek S., Fizjologia człowieka t. IV. Neurofizjologia, Uniwersytet Jagielloński, Kraków, 1998 r.
20.     Langer M.G., Fink S., Koitchev A., Rexhausen U., Horber J.K., Ruppersberg J.P., Lateral mechanical coupling of stereocilia in cochlear hair bundles, Biophys J. 2001 Jun; 80 (6): 2608-2621.
21.     Le Grimellec Ch., Giocondi M-C., Lenoir M., Vater M., Sposito G., Pujol R., High-resolution three-dimensional imaging of the lateral plasma membrane of cochlear outer cells by atomic force microscopy, The Journal of Comparative Neurology 2002, Vol. 451, Issue 1, str. 62.
22.     Liberman M.C., Gao J., He DZ, Wu X, Zuo J. Prestin is requred for elektromotility of the outer hair cell and for the cochlear amplifier. Nature. 2002 Sep. 19; 419 (6904): 300-304.
23.     Matthews G.G., Neurobiologia, PZWL Warszawa, 2000 r.
24.     Matthews H.R., Freedland R.A., Miesfeld R.L., Biochemia i Biologia Molekularna, Pruszyński i S-ka, Warszawa 2000 r.
25.     Miękisz S., Hendrich A., Wybrane zagadnienia z biofizyki, Volumed Wrocław, 1998 r.
26.     Mills J.H., Adkins W.Y., Anatomy and Physiology of Hearing, Philadelphia 1993 r.
27.     Moore B.C.J., Wprowadzenie do psychologii słyszenia, PWN, Warszawa-Poznań 1999 r.
28.     Nobili R., Mammano F., Ashmore J., How well do we understand the cochlea?, Trends Neurosci., 1998, 21, 159.
29.     Noca F.l., Kowalczyk R., Bronikowski M. i in., Acoustic sensors based on artificial stereocilia, GSA Annual Meeting, 2001 r. November 5-8.
30.     Noca F.l., Hoenk M., Hunt B., Choy D., Kowalczyk B., Nanoscale Ears based on Artificial Stereocilia, ASA/Noise-Con. 2000 Lay Language Papers.
31.     Obrębowski A. Uwagi do mechanizmu percepcji węchowej, Otolar. Pol. 2002, 56 (2), 141.
32.     Pruszewicz A., Zarys Audiologii Klinicznej, AM Poznań, 2000 r.
33.     Resnick R., Halliday D., Fizyka 1, PWN Warszawa 1997 r.
34.     Simonin F., Karcher P., Boeuf J.J., Matifas A., Kiefer B.L., Identification of novel family of G protein-coupled receptor associated sorting proteins. J. Neurochem. 2004 May; 89 (3): 766-75.
35.     Sussman E., Winkler I., Dynamic sensory updating in the auditory system. Brain Res. Cogn. Brain Res. 2001 Dec; 12 (3): 431-9.
36.     Van Netten S.M., Kros C.J., Gating energies and forces of the mammalian hair cells transducer channel end related hair bundl mechanics, Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2000, 267 (1455): 1915-1924.
 

Oddziały i punkty konsultacyjne

Copyright by AS-Med Protetyka Słuchu
Drukuj | Do góry
zabart.com

Ta strona używa plików cookies (ciasteczek) w celach statystycznych. Dowiedz się więcej o ich używaniu i możliwości zmiany ustawień w przeglądarce - zobacz.

Zamknij,

EU Cookie Directive Module Information