Μηχανισμοί ελέγχου της ηλεκτρικής δραστηριότητας στην καρδιά της μέλισσας Apis mellifera macedonica

Abstract

The purpose of the present study was to investigate the mechanisms that control the electrical activity in the heart of the worker honeybee Apis mellifera macedonica, an insect which is important both economically and ecologically. The structure, organization and morphology were investigated initially. The heart consists of five cardiac chambers and five pairs of alary muscles which support the heart tube within the dorsal region of the abdomen. The heart wall is composed of striated muscle cells, in a circular arrangement, in two layers. The sarcomere of cardiac muscle cells is approximately 2 μm in length and the cardiac muscle cells are fast contracting elements (phasic). The width of heart wall increases significantly in the anterior region (~18 μm) of the heart (1st and 2nd cardiac chamber), in comparison with the posterior heart (~11 μm) (3rd, 4th, 5th chambers). The morphology of the cardiac muscle is also different at the above positions. Alary muscles are composed of striated muscle fibers, with a sarcomere of around 7 μm in length and they are slow contracting elements (tonic muscles). The cardiac function in vitro is independent of the physiological type of bee (summer or winter bee). Tonic and bursting patterns of electromechanical activity represent normal cardiac activity observed both in vivo and in vitro. Action potentials from cardiac muscle cells throughout the heart are characterized by pacemaker potential (diastolic depolarization), in the absence of CNS, indicating the myogenic nature of the heartbeat and also the increased excitability of the system. Furthermore, they display the following properties: a) phases (1) and (2) of action potential are fused into a plateau of very short duration (~5 msec), a factor which contributes to the short duration of the action potential (~120msec). Action potential duration in the honeybee (flying insect) is significantly lower than the respective action potential duration in the insect Tenebrio molitor (ground living insect); b) short duration of the absolute refractory period (~48 msec) and c) high conduction velocity, which is significantly higher in the posterior region of the heart (0.14m/sec) compared with the anterior (0.06 m/sec). The above electrophysiological properties, combined with the short sarcomere length, indicate the fast transfer of haemolymph towards the aorta. Factors that control the final haemolymph supply from the heart are the following: A) Electrical synapses between the cardiac muscle cells. Evidence for direct electrical coupling between cells comes from the following results: I) complete coordination between the frequency of a single cell and total heart contraction during current injection; II) the behavior of electrotonic depolarizations. Electrotonic coupling potentials, which are produced from electrotonic depolarizations, control the coordinated contraction of cardiac muscle cells and can be converted into complete action potentials under certain conditions; III) gap junctions control the electrical coupling of the system and more specifically it seems that each cell receives 2 or more electrical synapses from adjacent cardiac muscle cells. The role of the gap junction was determined by the use of specific blockers of gap junctional intercellular communication, such as octanole and carbenoxolone. In addition, the absence of the above blocker action between the 5th and 4th cardiac chambers of the heart, where the conduction velocity is higher, indicates the presence of a different mechanism in the propagation of action potential.

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση των μηχανισμών ελέγχου της ηλεκτρικής δραστηριότητας στην καρδιά της μέλισσας, Apis mellifera macedonica, έντομο με μεγάλη οικονομική και οικολογική σημασία. Στο πρώτο στάδιο μελετήθηκε η δομή, οργάνωση και μορφολογία της καρδιάς και των πλευρικών μυών. Η καρδιά αποτελείται από 5 καρδιακά μεταμερίδια και αναρτάται στο εσωτερικό της κοιλίας με 5 ζεύγη πλευρικών μυών. Αποτελείται από γραμμωτά καρδιακά μυϊκά κύτταρα, διατεταγμένα κυκλικώς σε δυο στιβάδες. Οι καρδιακές μυϊκές ίνες χαρακτηρίζονται ως φασικές (γρήγορες), βάση του μήκους των σαρκομερίδιων (2 μm), γεγονός που αντανακλάται στην υψηλή ταχύτητα σύσπασης και τον μικρό χρόνο που απαιτείται για τη μέγιστη δύναμη σύσπασης. Το πάχος του καρδιακού τοιχώματος είναι μεγαλύτερο στο πρόσθιο τμήμα της καρδιάς (1ο-2ο καρδιακό μεταμερίδιο) ~18 μm σε σχέση με το οπίσθιο τμήμα της καρδιάς (3ο,4ο,5ο ) ~11 μm και η μορφολογία των μυϊκών κυττάρων διαφορετική. Οι πλευρικοί μυς αποτελούνται από τονικά (αργά) μυϊκά κύτταρα, με μήκος σαρκομερίδιων 7 μm. Στη συνέχεια βρέθηκε ότι η καρδιακή λειτουργία δεν διαφοροποιείται in vitro σε χειμερινές και θερινές μέλισσες, γεγονός σημαντικό όσον αφορά την διεξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων από τα πειράματα. Η καρδιακή δραστηριότητα in vivo και in vitro εμφανίζεται με δυο βασικά μοντέλα: συνεχές πρότυπο ηλεκτρομηχανικής δραστηριότητας και πρότυπο ρυθμικών καρδιακών ριπών. Τα δυναμικά ενέργειας των μυϊκών κυττάρων όλων των καρδιακών μεταμεριδίων παρουσιάζουν τη χαρακτηριστική βηματοδοτική φάση, απουσία του ΚΝΣ, γεγονός που υποδηλώνει τη μυογενή φύση της καρδιακής σύσπασης και την υψηλή διεγερσιμότητα του συστήματος. Επιπλέον χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες ιδιότητες: α) Οι φάσεις (1) και (2) συγχωνεύονται σε ένα περιορισμένο σε διάρκεια υψίπεδο, μόλις ~5 msec, γεγονός που συμβάλλει στη σύντομη διάρκεια του ΔΕ (~120msec). H διάρκεια του καρδιακού ΔΕ (~120 msec) στην μέλισσα (ιπτάμενο έντομο) είναι σημαντικά μικρότερη από την διάρκεια του αντίστοιχου ΔΕ στο εδαφόβιο έντομο Tenebrio molitor (~500msec) β) πολύ μικρή διάρκεια απόλυτης ανερέθιστης περιόδου (~48 msec) γ) υψηλή ταχύτητα αγωγής, η οποία είναι σημαντικά μεγαλύτερη στο οπίσθιο τμήμα της καρδιάς (0.14m/sec) σε σχέση με το πρόσθιο (~0.06 m/sec). Οι παραπάνω ηλεκτροφυσιολογικές ιδιότητες σε συνδυασμό με το μικρό μήκος των σαρκομεριδίων των καρδιακών μυϊκών κυττάρων υποδηλώνουν τη ταχύτατη προώθηση μεγάλης ποσότητας αιμόλεμφου προς την αορτή. Παράγοντες οι οποίοι ελέγχουν την τελική παροχή της καρδιάς είναι οι ακόλουθοι: Α) οι ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των καρδιακών μυϊκών κυττάρων. Η άμεση ηλεκτρική σύζευξη μεταξύ των καρδιακών μυϊκών κυττάρων αποδείχτηκε: i) με τον απόλυτο συγχρονισμό μεταξύ της συχνότητας ενός και μόνου καρδιακού μυϊκού κυττάρου και της συχνότητας της συνολικής καρδιακής σύσπασης κατά την έγχυση ρεύματος ii) από την συμπεριφορά των ηλεκτροτονικών εκπολώσεων. Τα ηλεκτροτονικά δυναμικά που παράγονται από τις ΗΕ, ελέγχουν το συντονισμό των καρδιακών μυϊκών κυττάρων και σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν τη δυνατότητα να μετατραπούν σε πλήρη δυναμικά ενέργειας iii) Ειδικότερα οι χασμοσυνδέσεις ελέγχουν την ηλεκτρική σύζευξη του συστήματος και ειδικότερα φαίνεται ότι κάθε καρδιακό μυϊκό κύτταρο δέχεται 2 ή περισσότερες ηλεκτρικές συνδέσεις από τα παρακείμενα καρδιακά μυϊκά κύτταρα. Η συμμετοχή των χασμοσυνδέσεων αποδείχτηκε με τη χρήση εξειδικευμένων αναστολέων των χασμοσυνδέσεων, όπως οκτανόλη και καρβενοξολόνη. Επιπλέον στο σημείο της καρδιάς μεταξύ 5ου και 4ου καρδιακού μεταμεριδίου, όπου η ταχύτητα αγωγής είναι η μεγαλύτερη (0.14m/sec), η απουσία δράσης των αναστολέων των χασμοσυνδέσεων προτείνει την ύπαρξη διαφορετικού μηχανισμού διάδοσης του ΔΕ.