Молекулярные компоненты генерации потенциала действия у венериной мухоловки

Венерина мухоловка использует ловчий орган, который захлопывается за доли секунды. Управляет им одна из самых быстрых сигнальных сетей растений, в основе которой лежит электрический сигнал — потенциал действия (ПД). Прикосновение к одному из шести сенсорных волосков генерирует первый ПД, который "взводит" ловушку. Второй ПД непосредственно запускает её захлопывание.

Команда профессора Райнера Хедриха из Университета Юлиуса Максимилиана (Вюрцбург, Германия) исследовала молекулярные компоненты, ответственные за генерацию ПД. Результаты опубликованы в журнале Current Biology. Основное внимание уделено каналам глутаматных рецепторов и ионным транспортным белкам, которые инициируют и поддерживают ПД.

Когда ловушка становится возбудимой

Исследование показало, что ловчий орган становится электрически возбудимым только после полного развития, когда впервые открывается. ПД у мухоловки длится 1–2 секунды и распространяется как волна.

Растения также используют кальциевые волны, опосредованные ионами Ca2+ в качестве вторичных мессенджеров. "Используя мухоловки с геном репортёрного белка для ионов кальция, мы показали, что потенциалы действия и кальциевые сигналы не только работают согласованно, но и распространяются с одинаковой скоростью", — объясняет Райнер Хедрих.

Неожиданное открытие в геноме

Среди генов, наиболее высоко экспрессирующихся при переходе ловушки в возбудимую стадию, команда обнаружила ген канала глутаматного рецептора. "Если эти каналы действительно функционируют как рецепторы глутамата, то стимуляция глутаматом должна вызывать сигнал ионов кальция и потенциал действия", — говорит соавтор Манфред Хекманн.

От профилей экспрессии к модели ПД

Новые данные позволяют сделать вывод: вход ионов кальция через канал глутаматного рецептора инициирует потенциал действия.

Далее процесс развивается так:

  1. Ионы Ca2+ в качестве вторичных мессенджеров вызывают открытие анионных каналов.
  2. Эффлюкс анионов приводит к деполяризации мембранного потенциала.
  3. Деполяризация, в свою очередь, открывает калиевые каналы, инициируя фазу реполяризации за счёт выхода ионов K+.
  4. По мере развития реполяризации протонная помпа возвращает систему в исходное состояние.

Сложность ПД венериной мухоловки

По сравнению с жертвами, ПД венериной мухоловки значительно сложнее. "В то время как потенциал действия человека и мухи основан только на одном натриевом и одном калиевом канале, венерина мухоловка обладает двумя дополнительными компонентами", — поясняет Райнер Хедрих.

Деполяризация ПД мухоловки достигается согласованным действием кальциевого канала глутаматного рецептора и зависимого от кальция анионного канала. Реполяризацию обеспечивает родственник калиевого канала мухи вместе с протонной помпой. Натриевые каналы в этом процессе у растений роли не играют.

Будущие исследования

Геномы растений кодируют около 20 глутаматных рецепторных каналов, но не имеют синапсов. Для чего растению нужно так много рецепторов? Откуда берётся глутамат при стимуляции и как он поддерживается в состоянии покоя? Команда Хедриха планирует изучить это с помощью генетически закодированных глутаматных сенсоров в растениях.

"В отношении структуры, функции и регуляции каналов глутаматных рецепторов и переносчиков глутамата у нас сейчас больше вопросов, чем ответов. Возможно, эволюция показывает нам путь: у очень древних наземных растений мы находим виды всего с одним каналом глутаматного рецептора. Мы полны решимости выяснить, есть ли связь между эволюцией этих каналов и возбудимостью растений", — говорит Хедрих.