איתות ברשת

מדעני מכון ויצמן גילו כיצד בנויות תעלות יונים, וכיצד מבנה זה מאפשר שליטה יעילה בתקשורת של תאי עצב במוח ובגוף

כמו מכשירים מלאכותיים רבים, גם יצורים חיים משתמשים בשינויי מתח חשמליים כדי להפעיל את גופם. המוח, השרירים, הלב והחושים – כולם עושים שימוש באותות חשמליים. צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע, בראשות פרופ' איתן ראובני מהמחלקה לכימיה ביולוגית, התמקדו ברצף האירועים המוביל להפעלת אותות חשמליים בתאי העצב. אחד השלבים בתהליך זה הוא הפעלה של תעלות יונים מסוימות, האחראיות להעברת חומרים שנים מחוץ לתא אל תוכו, ומתוכו החוצה. תעלות אלה הן למעשה חלבונים הממוקמים על קרומי תאי העצב. סגירה ופתיחה של התעלות הללו מאפשרת לתאים לייצר ולהעביר אותות חשמליים. פרופ' ראובני ותלמידי המחקר ענבל ריבן ושחר איוניר חקרו את תעלות האשלגן שפתיחתן גורמת לעיכוב האותות החשמליים בתאי עצב. תעלות אלה קשורות לחלבון נוסף הממוקם בקרום התא, הקרוי חלבון G. הפעלתו של חלבון זה גורמת לפתיחת תעלת היונים, דבר שעוצר את האיתות החשמלי.
 
הפעלת חלבון G נעשית באמצעות חלבון נוסף שגם הוא ממוקם בקרום התא. חלבון זה הוא קולטן, המקבל את ההוראה לפעול ולבצע את משימתו ממתווך עצבי (נוירוטרנסמיטר) הנקשר אליו. אבל, מתווכים עצביים אלה מעבירים סוגים שונים ורבים של מסרים, ובהם גם פקודות הפעלה וגם פקודות לעיכוב האותות החשמליים. כאשר חלבון G מופעל, הוא משפיע על מגוון תהליכים תאיים, אולם בפועל, הפעלת קולטן מסוים על-ידי קישור המתווך המתאים מביאה להפעלה בררנית של מנגנון מוגדר בתא, למשל תעלות אשלגן. כיצד נעשית הברירה הזאת? כיצד "יודע" הקולטן שעליו להפעיל את חלבון ה- G שפותח את תעלת היונים ועוצר את האיתות החשמלי? כיצד פועלת שרשרת זו של פעולות מדויקות, מהירות ובררניות?

פרופ' ראובני וחברי קבוצת המחקר שלו גילו כי החלבונים המרכיבים את המערכת אינם ממוקמים בנפרד על קרום התא, אלא קשורים זה לזה ויוצרים מבנה משותף, עוד בטרם הפעלתם. ארגון זה מבטיח שכאשר מגיע האות להפעלת התעלות, התהליך כולו ניתן לוויסות ולבקרה מהירה בין ה"שכנים". כך מתאפשרים גם הבררנות (הקולטן יודע מראש איזה חלבון G עליו להפעיל), וגם התזמון המדויק. ההבדל בין מצב מנוחה של המערכת למצב מופעל נובע משלוש תת-היחידות המרכיבות את חלבון ה-G. היחידה העיקרית קשורה לקולטן, ושתי האחרות קשורות לתעלת היונים, וכך נוצרת שרשרת מקשרת. הפעלה של חלבון ה-G על-ידי הקולטן משנה את המיקום היחסי של תת-היחידות בתוך המבנה המשותף, מה שגורם לפתיחת התעלה.

העדויות לקיומו של המערך התפעולי הזה הושגו באמצעות טכנולוגיה הנקראת FRET (העברת אנרגיה הגורמת לתהודה פלואורוסנטית), המאפשרת מדידת מרחק בין שתי מולקולות. כאשר שתי מולקולות סמוכות זו לזו, אחת מהן, "המולקולה התורמת", מעבירה אנרגיה ל"מולקולה מקבלת", ובכך גורמת למולקולה המקבלת לפלוט אור. יעילות העברת האנרגיה תלויה במרחק שבין שתי המולקולות. החוקרים הבחינו כי אנרגיה רבה מועברת בין חלבון G לתעלת היונים גם כאשר המערכת נמצאת במנוחה, והסיקו מכך שהם סמוכים מאוד זה לזה, באופן התואם את תפיסת המבנה המשותף.

מוטציות בתעלות יונים מעורבות בהתפתחות מחלות ותופעות לא רצויות כגון אפילפסיה, כאב כרוני, מחלות ניווניות של מערכת העצבים ומחלות שרירים, ולכן תעלות אלה מהוות מטרה טובה לטיפול תרופתי. כך לדוגמה, מתן תחליף מלאכותי לנוירוטרנסמיטר המגביר את פעילות התעלות, עשוי לסייע בטיפול במחלות כמו אפילפסיה, כאב, יתר לחץ דם ושבץ. החוקרים מקווים שממצאים אלה יובילו בעתיד לפיתוח דרכים מתקדמות לטיפול במחלות עצבים שונות.