2018年8月25日 星期六

蝮蛇頰窩器官(pit organ)偵測紅外線的分子機轉 08-25-2018



蝮蛇頰窩器官(pit organ)偵測紅外線的分子機轉



1.    目前只知道四類脊椎動物,能夠偵測紅外線,偵測的目的是獵食體溫調節

2.    這四類脊椎動物為頰窩蝮蛇(pit viper)、蚺蛇(python)、蟒蛇(boa)和吸血蝙蝠(vampire bat)

3.    吸血蝙蝠偵測宿主的紅外線,為了吸取牠們的血液,其中的分子機轉仍未詳。

4.    而蚺蛇與蟒蛇的頰窩器官,解剖位置與蝮蛇不相同,靈敏度也較蝮蛇低。

5.    本文專注於蝮蛇的頰窩器官來探討。

紅外線(Infrared)指比紅光波長(700nm)更長的電磁波,分三種:
1.  近紅外線(near-infrared),波長7002,000nm產生熱能少,主要為家電的遙控器所使用。
2.  中紅外線(middle-infrared),波長3,0005,000nm
3.      遠紅外線(far-infrared),波長8,00014,000nm,接近微波(microwave)波長,產生熱能多,為頰窩器官偵測的紅外線。

    

1.    響尾蛇(rattlesnake)、銅斑蛇(copperhead)蝮蛇類的頰窩器官僅有一對,位於眼睛與鼻孔之間(01.a),內具有一層薄膜及內外腔室(01.b),內腔室溫度與蛇體溫相同,外腔室溫度隨環境變化。




01. 蝮蛇頰窩器官(pit organ)的位置圖及解剖圖。

      左圖:紅箭頭所指處為頰窩器官的開口,黑箭頭所指處為鼻孔。

      右圖:頰窩器官的剖面圖,具有對溫度變化相當靈敏的

            薄膜(pit membrane)

            TG fibers是三叉神經纖維(Trigeminal fibers)的縮寫

三叉神經纖維是動物頭部的主要感覺神經纖維。


(Nature 464, 1006-1011(15 April 2010)doi:10.1038/nature08943)



2.    15μm厚的薄膜上具有許多靈敏的溫度接受器(thermoreceptors)能在0.1秒內區分0.002℃左右的溫差,所以頰窩蝮蛇即使完全處於黑暗中,當頰窩薄膜感受到紅外線使溫度上升的影響,馬上就能對1公尺範圍內的獵物產生反應。

3.    可是長久以來,大家一直不清楚傳導紅外線熱反應的分子機制為何?加州大學舊金山分校生理系的David Julius博士等人,在2010415日的線上電子版自然期刊〈Nature〉發表,頰窩器官對熱敏感的分子很可能是瞬時接受器電位陽離子A1型通道(Transient Receptor Potential Ankyrin 1,TRPA1 channel)

4.    Julius等人觀察到,頰窩蝮蛇頭部的三叉神經節,發達複雜的程度超過哺乳動物。

5.    當受熱刺激時,頰窩蝮蛇在頭部三叉神經節,TRPA1基因表現TRPA1蛋白質的活性,是頰窩蝮蛇尾部TRPA1基因的400(01c)

6.    Julius等人的實驗發現,當溫度昇高到28℃時TRPA1通道即瞬間開啟,形成動作電位,再傳遞至腦部相關部位分析辨識,就可精確判斷

      1「熱源」是否是獵物?

2 獵物體積的大小如何?

3獵物的遠近及方位如何?

4甚至可估計該注射多少的毒液來毒殺獵物?    

7.    長久以來有些科學家相信,頰窩器官中專門有一種偵測熱的蛋白質(依據Julius等人的實驗結果,很可能就是TRPA1 通道)




02. 蝮蛇頰窩器官(pit organ)的解剖及感覺神經節基因表現的比較。

      a 紅箭頭指的是頰窩器官的開口,黑箭頭所指為鼻孔。

      b 頰窩器官的剖面圖,具有對溫度變化相當靈敏的薄膜(pit    

              membrane)

      c  有頰窩的響尾蛇,以TRPA1離子通道來偵測紅外線熱能。

TRPA1基因表現的活性遠高於其他基因。

                 TRPA1是瞬時接受器電位陽離子通道A1

                 (Transient Receptor Potential Ankyrin 1)的縮寫。

                 DRG(Dorsal Root Ganglia)背根神經節=感覺神經節。

圖片來源:Nature 464, 1006-1011(15 April 2010)doi:10.1038/nature08943



瞬時接受器電位陽離子通道(transient receptor potential cation channels, TRP)
1.    TPR一群大約30種通道組成的超級家族(superfamily)
2.    光是掌管人類對溫度感受的TRP就有好多個,溫度不同打開的TRP也不同,就像是個精準的溫度計。
3. 例如為「薄荷受器」的TRPM8,只會在攝氏20度左右活化,但研究發現,TRPM8不只在20度左右溫度時會開,吃到薄荷時,其中的薄荷腦成分也會活化TRPM8,所以人吃了薄荷以後就會有涼涼的感覺。
4. 許多離子通道,是專一性離子通道,但TRP卻是非專一性的陽離子通道。
5. 溫度變化或化學物質刺激時,就會使皮膚感覺神經末梢細胞膜上的TRP離子通道開啟,細胞外液的陽離子流入細胞內去極化,產生動作電位,動作電位由脊髓或腦幹傳入視丘,最後傳至體感覺大腦皮質,產生冷或熱的感覺。
6. TRP通道除了掌管冷熱的感覺外,也與觸覺、痛覺、聽覺有關。
03. TRP通道超級家族(TRP Superfamily)


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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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