Wykład 1. Zwierzę w środowisku

Transkrypt

1 Wykład 1 Zwierzę w środowisku

2 PLAN WYKŁADU WARUNKI ŻYCIA NA ZIEMI: Dzień/noc, pory roku Fotoperiod skażenie światłem Środowisko wodne vs lądowe SYGNAŁY ŚRODOWISKOWE: Zapachy Dźwięki Dotyk Temperatura

3 CECHY DZIENNEGO/NOCNEGO TYPU AKTYWNOŚCI AKTYWNOŚĆ DZIENNA Wiele ssaków, ptaki śpiewające i inne zwierzęta poruszają się i zdobywają pokarm w świetle dziennym, śpią w nocy; Posługują się w różnym stopniu wszystkimi narządami zmysłów; Niektóre gatunki pierwotnie nocne (np. koty) zostały zaadaptowane do dziennego trybu życia przez człowieka; Gatunki krepuskularne (zmierzchowe) są aktywne o świcie i zmierzchu np. króliki, skunksy, hieny, natomiast niektóre, jak lwy, są aktywne zarówno w dzień i w nocy. AKTYWNOŚĆ NOCNA Ruch i zdobywanie pokarmu w nocy, sen i odpoczynek w dzień; Specjalnie wykształcone zmysły: węch, słuch, także wzrok zaadaptowany do małej ilości światła; Podział niszy ekologicznej z gatunkami dziennymi w stosunku do zasobów pokarmowych; Ochrona przed drapieżnikami (np. bobry, drobne gryzonie) bądź łatwiejsze zdobywanie pokarmu (lwy wolą polować w nocy, kiedy ich zdobycze gorzej widzą); Ochrona przed upałem i utratą wody (obszary pustynne).

4 CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE Zmieniająca się w ciągu roku długość dnia i nocy (fotoperiod), wyznacza sezonowość zmian pozostałych czynników: temperatura, wilgotność, dostępność pokarmu, obecność partnerów seksualnych, drapieżników, kryjówek; Te czynniki dostosowują (synchronizują) przebieg wielu procesów fizjologicznych, wykazujących rytmiczne zmiany w ciągu doby, do zmian warunków środowiskowych.

5 3-poziomowy model regulacji wydzielania androgenów u samców ptaków, zależny od sezonu i kontaktów socjalnych Poziom A poziom podstawowy, homeostatyczny, konieczny do podtrzymania funkcji gonad Poziom B poziom podwyższony związany z sezonowym rozrodem, stymulowany przez wydłużony fotoperiod, niezbędny do stymulacji spermatogenezy, rozwoju drugorzędowych cech płciowych i behawioru rozrodczego Poziom C maksymalny (fakultatywny) wzrost poziomu testosteronu stymulowany kontaktami z innym samcem (agresja) lub receptywną samicą

6 DO DZIAŁANIA WKRACZA MELATONINA PRODUKOWANA W SZYSZYNCE KRĘGOWCÓW SCN SZYSZYNKA AKSON WSPÓŁCZ. Światło nm MELATONINA JEST HORMONEM CIEMNOŚCI SZLAK SIATKÓWKOWO- PODWZGÓRZOWY RHT MELATONINA ZWÓJ SZYJNY GÓRNY

7 MELATONINA SYNCHRONIZUJE PRACĘ ENDOGENNEGO ZEGARA SZLAK NERWOWY WSPÓŁCZULNY ŚWIATŁO SZLAK SIATKÓWKOWO- PODWZGÓRZOWY RHT MELATONINA SZYSZYNKA REGULOWANE PROCESY RECEPTORY MEL

8 zima MELATONINA - ZEGAR I KALENDARZ wiosna lato jesień zima ciemność

9 WSZECHOBECNE SKAŻENIE ŚWIATŁEM STANOWI POWAŻNE ZAGROŻENIE DLA FUNKCJONOWANIA ENDOGENNEGO ZEGARA BIOLOGICZNEGO LUDZI I ZWIERZĄT

10 SŁABE ŚWIATŁO W NOCY WPŁYWA HAMUJĄCO NA ROZWÓJ GONAD I FUNKCJE ROZRODCZE KOSÓW normalne warunki nocne wielkość jąder samców po dwóch latach oświetlania w nocy słabym światłem

11 Oświetlenie nocne, zbliżone do warunków panujących w wielkim mieście wpływa obniżająco na nocny poziom melatoniny w krwi kosów, modyfikując tym samym przebieg wielu procesów fizjologicznych czerwone gwiazdki pokazują istotne różnice między grupami ptaków

12 Zależność pomiędzy wartością BMI (zmierzającym w kierunku otyłości) a dostępnością sztucznego oświetlenia (A) dane ze 104 krajów świata (wg ONZ) oraz (B) dane z Wielkiej Brytanii

13 POKRYCIE POWIERZCHNI ZIEMI WODY 71% OCEANY > 98% RZEKI I JEZIORA <1%

14 OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ŚRODOWISK ŻYCIA NA ZIEMI ŚRODOWISKO WODNE: 72% POWIERZCHNI ZIEMII, Z CZEGO WIĘKSZOŚĆ STANOWIĄ OCEANY I MORZA WYSOKA GĘSTOŚĆ DUŻY OPÓR NISKA I RACZEJ ZMIENNA ZAWARTOŚĆ TLENU NIEWIELKA ZMIENNOŚĆ TEMPERATURY UTRUDNIONY DOSTĘP ŚWIATŁA SŁONECZNEGO ŚRODOWISKO LĄDOWE: 28% POWIERZCHNI ZIEMII, Z CZEGO 380tys. km STANOWIĄ WYBRZEŻA OCEANÓW I MÓRZ NIEZNACZNA GĘSTOŚĆ NISKI OPÓR WYSOKA I RACZEJ STAŁA ZAWARTOŚĆ TLENU ZNACZNE WAHANIA TEMPERATURY ŁATWA PENETRACJA ŚWIATŁA SŁONECZNEGO

15 ZAWARTOŚĆ TLENU W POWIETRZU Niezmienna, wynosi 21% Łatwość wentylacji narządów wymiany gazowej, adaptacje chroniące przed wysychaniem Dostępność tlenu (ciśnienie parcjalne) maleje ze wzrostem wysokości npm W WODZIE Niska rozpuszczalność tlenu, zależy od temperatury i zasolenia Najwięcej tlenu w zimnych wodach górskich potoków Duża gęstość wody utrudnia wentylację, niezbędne mechanizmy adaptacyjne

16 ZAPACHY Zapach służy jako źródło informacji o gotowości rozrodczej, zaznaczania terytorium, odstraszania wrogów lub napastników (drapieżników), wabienia ofiary. Najsilniejsze substancje zapachowe występują w moczu, ale gruczoły zapachowe znajdują się także w części twarzowej lub blisko odbytu czy moszny. Owady komunikują się głównie przy pomocy feromonów, wydalanych w moczu, w odchodach lub produkowanych w specjalnych gruczołach. Zazwyczaj produkują je samice, w ten sposób przywabiając samce. Czułki niektórych ciem reagują na obecność samicy oddalonej o ponad 4 km, zaś rekiny wykrywają krople krwi w wodzie oceanicznej z odległości około 2 km.

17 Zdolność wykrywania zapachów pełni istotne funkcje u kręgowców: Lokalizacja pokarmu Wykrywanie obecności drapieżników i innego zagrożenia Nawigacja Komunikacja w obrębie grupy Lokalizacja/wybór partnerów seksualnych Rozpoznanie i kontakty matka-potomstwo Geny kodujące receptory węchowe (Olfactory receptors, OR) są największą znaną rodziną genów, stanowiąc 3-5% całego genomu ludzi i myszy.

18 ZMYSŁ WĘCHU Linda B. Buck i Richard Axel Nagroda Nobla 2004 za odkrycia genów kodujących receptory węchowe. Jest to rodzina genów, największa w genomie człowieka: 2%, tj. ponad 600 genów, ale nie wszystkie są aktywne. Nieaktywne, tzw. pseudogeny stanowią u człowieka 47%, a u zwierząt, obdarzonych lepszym węchem jest ich mniej: np. u psa 18%, u myszy 20%.

19 KTO CO SŁYSZY? Wokalizacja ultradźwiękowa gryzoni laboratoryjnych jest ważnym źródłem komunikacji między osobnikami tego samego gatunku. Funkcja sygnałów, nieco zmieniających się z wiekiem, zależy od ich częstotliwości i czasu trwania.

20 WPŁYW TEMPERATURY Współczynnik Q10, wynikający z równania Svante Arrheniusa i reguły Van t Hoffa opisuje tempo zmian w systemach chemicznych i biologicznych jako konsekwencję wzrostu temperatury o 10 o C Wylicza się go z równania: gdzie: R tempo procesu T temperatura (w stopniach Celsjusza lub Kelvina) Jest to wartość niemianowana i stanowi dogodny sposób szacowania zależności procesu od temperatury. Dla większości systemów biologicznych wartość Q10 wynosi ~ 2-3; Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury o 10 stopni następuje 2-3-krotny wzrost tempa procesów.

21 Temperatura jest jednym z czynników abiotycznych o najsilniejszym wpływie modyfikującym na fizjologię zwierząt zmiennocieplnych np. ryb kostnych. W toku ewolucji ryby wypracowały adaptacje pozwalające funkcjonować optymalnie w zakresie temperatur występujących w ich otoczeniu. W ich efekcie gatunki rozdzielone geograficznie wykazują różnice tempa metabolizmu, sprawności fizjologicznej oraz tolerancji termicznej w zależności od gradientu termicznego z jakim się stykają.

22 ZMIENNOCIEPLNE = EKTOTERMY EURYTERMICZNE - tolerancja szerokiego zakresu zmian temperatury otoczenia STENOTERMICZNE - tolerują tylko wąski zakres zmian temperatury otoczenia Mogą występować zarówno w obszarach o wysokiej jak i bardzo niskiej (np. ryby lodowe) temperaturze

23 Komórkowe i molekularne mechanizmy adaptacyjne do zimna: skupianie się mikrotubul i ruch białek przez siateczkę śródplazmatyczną, wysoka zawartość nienasyconych lipidów błonowych ułatwia utrzymanie odpowiedniej płynności, wysoka stabilność białek soczewki oka, zapewniająca jej przezroczystość w temperaturach znacznie niższych niż te, w których następuje zmętnienie soczewki u zwierząt klimatu umiarkowanego (ryby i ssaki), utrata zdolności do indukowania u nich szoku cieplnego.

24 posiada erytrocyty region nie podlegający translacji region międzygenowy typowa ryba lodowa bez erytrocytów Utrata genu globiny przez ryby lodowe

25 Cechy adaptacyjne do życia w lodowatej wodzie: nabycie przez większość nototeniowców nowych białek (glikoprotein AFGP), chroniących przed zamarzaniem, produkowanych raczej w trzustce niż w wątrobie; paradoksalna utrata barwników oddechowych i erytrocytów, niezbędnych innym kręgowcom do życia; zmiany w układzie krążenia, z wydatną rolą NO, kontrolującego stan naczyń krwionośnych.

26 Aksony bywają różnej długości. JAK UKŁAD NERWOWY PRZETWARZA i KODUJE W INFORMACJE

27 odbierana jest przez interoreceptory (baroreceptory, chemoreceptory, np. wrażliwe na O 2, CO 2 i H +, ból) utrzymuje homeostazę = stałość warunków panujących w środowisku wewnętrznym organizmu; koordynuje i reguluje czynność różnych komórek, tkanek i narządów; umożliwia przewidywanie zmieniających się warunków środowiskowych i metabolicznie dostosowanie się do nich INFORMACJA GENETYCZNA jest zakodowana w sekwencji nukleotydów w nici DNA, zawiera plan budowy i rozwoju organizmu oraz jego potencjalne możliwości, dotyczy białek strukturalnych, enzymatycznych i cząsteczek niosących informacje; INFORMACJA ŚRODOWISKOWA odbierana jest przez eksteroreceptory (wzroku, słuchu, dotyku, smaku, zapachu, bólu, temperatury) pozwala nam i zwierzętom żyć w harmonii z warunkami środowiska, dostosowywać do nich procesy fizjologiczne i ustawić się w życiu INFORMACJA WEWNĘTRZNA

28 POMIAR INFORMACJI Jednostką informacji jest Bit (ang. kawałek); Jest to skrót od angielskich słów binary digit, czyli cyfra dwójkowa; Bit jest to najmniejsza ilość informacji, potrzebna do określenia, w którym z dwóch równie prawdopodobnych stanów znalazł się układ. Bit (b) przyjmuje jedną z dwóch wartości: 0 lub 1 8 Bitów = Bajt (B) Jest to również najmniejsza jednostka informacji używana w odniesieniu do sprzętu komputerowego. Zazwyczaj używa się wielokrotności: Kilob (lub KB) =1000 Megab (lub MB) =1000 2

29 Szacuje się, że do człowieka z receptorów (oczu, uszu i skóry) w ciągu 1 s dociera ~10 9 bitów informacji Informacja świadomie postrzegana, to: ~10 2 bitów Przekazana do środowiska (mimiką, głosem, jego intonacją, wyrazem oczu, mową ciała zachowaniem, ubiorem itp.) uświadomiona i nieuświadomiona to: ~10 7 bitów Wskazuje to na: selekcję informacji, uruchamianie zasobów pamięci, działanie odruchowe;

30 OLIGODENDROCYT: OWIJA OSŁONKĄ MIELINOWĄ WIELE AKSONÓW WYPUSTKI ASTROCYTÓW OTACZAJĄ SYNAPSY WYPUSTKI ASTROCYTÓW KONTAKTUJĄ SIĘ Z NACZYNIAMI KRWIONOŚNYMI KOMÓRKI GLEJU WSPÓŁPRACUJĄ Z NEURONAMI: OLIGODENDROCYTY TWORZĄC OSŁONKĘ MIELINOWĄ WOKÓŁ AKSONÓW, PRZYSPIESZAJĄ PRZEKAZ INFORMACJI; ASTROCYTY SWOIMI WYPUSTKAMI KONTAKTUJĄ SIĘ Z SYNAPSAMI I NACZYNIAMI KRWIONOŚNYMI; KOMÓRKI MIKROGLEJU PEŁNIĄ NADZÓR IMMUNOLOGICZNY

31 FUNKCJE KOMÓREK GLEJOWYCH; Oligodendrocyty - Podtrzymują właściwe działanie neuronów ułatwiając neurotransmisję, utrzymując równowagę jonową w przedziale pozakomórkowym, przyspieszając przekaźnictwo impulsów, Mikroglej - rola ochronna: usuwanie martwych komórek i ich szczątków, eliminacja niewłaściwie funkcjonujących synaps (przebudowa w trakcie rozwoju), są aktywowane w chorobach neurodegeneracyjnych (dobrze czy źle? przyczyna czy skutek?)

32 FUNKCJE KOMÓREK GLEJOWYCH: Astrocyty: podtrzymują funkcjonowanie neuronów! Dostarczają neuronom substratów energetycznych (glukozy mleczanu) i do syntezy neuroprzekaźników; Tworzą fizyczną barierę pomiędzy synapsami sąsiednich neuronów, Usuwają nadmiar neurotransmitera ze szczeliny synaptycznej

33 Opuszka węchowa Szlak węchowy MÓZGOWIE NARZĄDY ZMYSŁÓW NOS OKO NARZĄD RÓWNO- WAGI UCHO Splot ramienny Splot lędźwiowy Splot krzyżowy Układ nerwowy = układ nerwowy ośrodkowy (OUN) + układ nerwowy obwodowy, czyli peryferyczny (PUN); RDZEŃ KRĘGOWY Tu: 1-2 segme ntyogo nowe 8 par nerwów szyjnych 12 par nerwó w 5 piersio par nerwów wych 5 par lędźwiow nerwów ych krzyżowy tzw. ch koński ogon i nić końco wa WRZECIONO MIĘŚNIOWE JĘZYK 12 par nerwów czaszkowych i 30 + (1 lub 2) pary nerwów rdzeniowych doprowadza informacje do mózgu i z mózgu do efektorów; SKÓRA

34 SCHEMAT BLOKOWY ANATOMICZNEGO PODZIAŁU UKŁADU NERWOWEGO UKŁAD NERWOWY OŚRODKOWY (OUN) OBWODOWY (PUN)* MÓZGOWIE RDZEŃ KRĘGOWY NERWY ZWOJE CZASZKOWE CZUCIOWE (czaszkowe i rdzeniowe) RDZENIOWE AUTONOMICZNE (współczulne i przywspółczulne) *) Peryferyczny układ nerwowy

35 WEJŚCIE informacji Odbiór informacji - sygnałów Motoneuron I-rz. neuron czuciowy Interneuron Drzewka dendrytyczne (neuron dwubiegunowy) Do ciała komórki N E U R O Integracja sygnałów Przewodzenie sygnałów Dendryt N Y Akson Od ciała komórki Akson Przekazywanie sygnałów WYJŚCIE informacji

36 Nerw obwodowy Włókno mielinowe ruchowe lub czuciowe układ somatyczny Osłonka mielinowa Prędkość przewodzenia: wł. mielinowe, grupa A od do m/s czyli km/h; wł. mielinowe (cienkie), grupa B od 3 do 15 m/s czyli 10,8 18 km/h; wł. bezmielinowe,grupa C od 0,5 do 2,3 m/s czyli Włókno bezmielinowe układ autonomiczny Śródnerwie (Endoneurium) Onerwie (Perineurium) Pęczek włókien Naczynia krwionośne Nanerwie (Epineurium) Tłuszcz Nerw mieszany obwodowy

37 Płyn pozakomórkowy Na + błona + Płyn wewnątrzkomórkowy błona K + AKSON Błona komórkowa jest spolaryzowana + Płyn pozakomórkowy OGNIWO STĘŻENIOWE

38 Różnica pomiędzy stężeniem jonów wewnątrz komórek i w płynie pozakomórkowym mięśnia Jony Płyn wewnątrzkomórkowy (Mmol/L) Płyn poza- komórkowy (Mmol/L) Stężenie wewnątrz komórki >/< niż na zewnątrz Potencjał równowagi (mv) K >~35 X -92 Na <~10 X +58 Cl <~30 X -89 HCO <~2,5 X -23 H 2 O ~55,5 ~55,5 0

39 Potencjały Hiperpolaryzacja następcza czynnościowe czyli impulsy nerwowe, przewodzone są przez aksony oraz dendryty komórek czuciowych, uczestniczą w ich powstaniu potencjałozależne kanały jonowe; wynosi zwykle od 65 do 55 mv

40 POTENCJAŁ SPOCZYNKOWY KOMÓRKI jest uwarunkowany: Zróżnicowaną przepuszczalnością błony komórkowej: 1. błona jest nieprzepuszczalna dla anionów organicznych (np. białkowych i reszt aminokwasowych ) i nieorganicznych (np. reszt fosforanowych, siarczanowych); 2. błona jest przepuszczalna dla jonów K +, które zgodnie z gradientem swego stężenia uciekają z komórki aż do momentu osiągnięcia potencjału równowagi; 3. błona ma ograniczoną przepuszczalność dla jonów Na + (80 razy mniejszą niż dla K + ), a gradient ich stężeń pcha je do komórki. Wynika stąd nierównomierne rozmieszczenie jonów po obu stronach błony jonów Na + jest więcej na zewnątrz, - jonów K + wewnątrz komórki;

41 Kolbka synap- tyczna synapsa Receptor zablokowany Receptor związany z ligandem Enzym zablokowany Kanał zblokowany Wydzielane na synapsach neurotransmitery dyfundują przez szczelinę i łączą się ze swoimi receptorami w błonie postsynaptycznej (kanały jonowe ligandozależne). Następuje: zmiana nośnika informacji i opóźnienie synaptyczne.

42 Jony sodowe Motoneuron z rdzenia kręgowego Dendryty Przewodzenie i przekazywanie informacji na synapsach Potencjałozależny- --- kanał sodowy Mięsień Akson Przewodzenie impulsów nerwowych Ligandozależny kanał sodowy Na +.* ACETYLOCHOLINA Płytka ruchowa nerwowo-mięśniowa

43 JAK UKŁAD NERWOWY INTEGRUJE INFORMACJE w

44 SYNAPSY ELEKTRYCZNE i CHEMICZNE A) PRZEPŁYW PRĄDU W SYNAPSIE B) PRZEPŁYW PRĄDU W SYNAPSIE ELEKTRYCZNEJ CHEMICZNEJ KOMÓRKA: Presynaptyczna Postsynaptyczna Presynaptyczna Postsynaptyczna TYP ODLEGŁOŚĆ MIĘDZY CIĄGŁOŚĆ CYTOPLAZMY ELEMENTY ULTRA- NOŚNIK OPÓŹNIENIE KIERUNEK SYNAPSY BŁONAMI PRE- i MIĘDZY KOMÓRKAMI STRUKTURY INFORMACJI SYNAPTYCZNE PRZEPŁYWU POSTSYNAPTYCZNĄ PRE- i POST- Elektryczna 3,5 nm występuje połączenia szczeli- przepływ jonów praktycznie brak zwykle dwukienowe runkowe Chemiczna nm brak pęcherzyki pre- przekaźnik co najmniej 0,3 ms jednokierunkowy receptory post- chemiczny zwykle 1-5 ms lub >

45 ZAKOŃCZENIA AKSONÓW DOCIERAJĄ DO: MIĘŚNIA GRUCZOŁU INNEGO NEURONU

46 ,1 m 1 dendryt 5 2 wzgórek aksonu 3 jądro komórkowe synapsa aksodendrytyczna 5 synapsa akso- 1 somatyczna 6 osłonki mielinowe Do 1 neuronu może dochodzić informacja z synaps Portret neuronu i synapsy

47 SYNAPSA TRZYCZĘŚCIOWA: ASTROCYT ma takie same receptory neurotransmiterów, jak neurony (zwłaszcza dla glutaminianu i D-seryny); Neurotransmiter uwolniony z neuronu pre- aktywuje też receptory astrocytu; To prowadzi do wzrostu w nim Ca2+ i uwolnienia modulatorów, np. ATP i/lub białek (tzw. gliotransmitery), zwrotnie modulujących aktywność neuronów i odpowiedź postsynaptyczną

48 SYNAPSA POTRÓJNA

49 TYPY NEUROTRANSMITERÓW POBUDZAJĄCE POWODUJĄ DEPOLARYZACJĘ KOMÓRKI POSTSYNAPT. ZWIĘKSZAJĄ PRAWDOPO- DOBIEŃSTWO POWSTANIA W NIEJ POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO PRZYKŁADY: ACETYLOCHOLINA SEROTONINA NORADRENALINA HAMUJĄCE POWODUJĄ HIPERPOLARY- ZACJĘ KOMÓRKI POSTSYN. ZMNIEJSZAJĄ PRAWDOPO- DOBIEŃSTWO POWSTANIA W NIEJ POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO PRZYKŁADY: GABA czyli KWAS gamma-aminomasłowy GLICYNA

50 NATURA CHEMICZNA NEUROTRANSMITERÓW Aminy biogenne: Katecholaminy pochodne aminokwasów aromatycznych: fenyloalaniny i tyrozyny Aminokwasy Indoloamina pochodna tryptofanu

51 NEUROMODULATORY Należą do nich neuropeptydy, które mogą działać pre- lub postsynaptycznie. Występują w kolokalizacji z neurotransmiterami, np.: noradrenalina - NA + neuropeptyd Y (NPY), acetylocholina - Ach + wazoaktywny peptyd jelitowy (VIP), Ach + galanina, kwas gammaaminomasłowy - GABA + peptydy pochodne białka POMC czyli proopiomelanokortyny. Działając: presynaptycznie mogą hamować lub wzmagać uwalnianie transmitera; postsynaptycznie hamować/wzmagać reakcję na transmiter lub ją skracać/wydłużać. Presynaptyczne działanie neuromodulatora galanina Błona presynaptyczna Błona postsynaptyczna acetylocholina Receptor presynaptyczny

52 RECEPTORY JONOTROPOWE PŁYN ZEWNĄTRZKOMÓRKOWY CYTOPLAZMA KANAŁY JONOWE OTWIERAJĄCE SIĘ PO ZWIĄZANIU LIGANDA (1) NEUROTRANSMITER WIĄŻE SIĘ Z RECEPTOREM (2) JONY MOGĄ PRZEJŚĆ PRZEZ BŁONĘ (3) POWODUJĄC GWAŁTOWNĄ ZMIANĘ POTENCJAŁU BŁONOWEGO DZIAŁAJĄ SZYBKO, np. NIKOTYNOWY RECEPTOR ACETYLOCHOLINY

53 Receptory jonotropowe aktywowane zewnątrzkomórkowo czyli kanały jonowe otwierane przez transmitery Receptor Ligand Jonoselek- tywność Domeny transbło- nowe (TM) Nikotynowe (mięśnie) Nikotynowe (neurony) Acetylocholina (Ach) Na +, K +, Ca 2+ 4 NMDA*) Nie-NMDA Kwas glutaminowy (Glu) Na +, K +, Ca 2+ Na +,K +,Ca 2+ **) 4 4 Serotoninowy 5-HT 3 Serotonina (5-HT) Na +, K + 4 Purynowy P 2x ATP Ca 2+, Na +, Mg 2+? GABA A GABA Cl -, HCO 3-4 Glicynowy Gly Cl -, HCO 3-4 *) Kwas N-metylo-D-asparaginowy (agon kw. glutaminowego); **) w niewielkim stopniu

54 RECEPTORY METABOTROPOWE CYTOPLAZMA PŁYN ZEWNĄTRZKOMÓRKOWY NASTĘPUJE ZMIANA STRUKTURY KANAŁU SYGNAŁ PRZEKAZYWANY ZA POŚREDNICTWEM DRUGIEGO PRZEKAŹNIKA DOPROWADZA DO OTWARCIA KANAŁU JONOWEGO (1) NEUROTRANSMITER WIĄŻE SIĘ Z RECEPTOREM (2) AKTYWUJĄC SCIEŻKĘ TRANSDUKCJI SYGNAŁU (3) OTWIERA KANAŁY JONOWE, UMOŻLIWIAJĄC WEJŚCIE JONÓW DO KOMÓRKI (4) MODYFIKUJE AKTYWNOŚĆ ISTNIEJĄCYCH BIAŁEK LUB REGULUJE EKSPRESJĘ GENÓW (5) REGULUJE ODPOWIEDŹ KOMÓRKI DZIAŁAJĄ WOLNO EFEKTY DŁUGOTRWAŁE

55 WYBRANE RECEPTORY METABOTROPOWE NEUROTRANSMITERÓW Neurotransmiter Noradrenalina NA Adrenalina A Typ receptora Typ białka G II-rzędowe przekaźniki informacji głównie typu : 1 -adrenergiczny, 2 -adrenergiczny (autoreceptory) głównie typu : 1 -adrenergiczny, Gq Gi Gs IP 3 i DAG; camp lub K +, Ca ++ ; Ca ++ i camp; Wewnątrz komórki DAG=diacylo glicerol IP 3 = trisfosforan inozytolu Dopamina DA dopaminowe: D 1 D 5 D 2 D 4 Gs Gi camp; camp/ K + i Ca ++ Kw. gammaaminomasłowy GABA GABA B Gi camp/ K +, Ca ++ ; INNE: Glutaminian Serotonina = 5-HT Acetylocholina Ach muskarynowe: M1, M3, M5; M2, M4; Gq Gi IP 3 i DAG; Ca ++ ; camp/ K +, Histamina

56 EPSP = Exciting Postsynaptic Potential Sumowanie postsynaptycznych potencjałów pobudzających * integracja informacji w neuronach OUN IPSP = Inhibiting Postsynaptic Potential Sumowanie postsynaptycznych potencjałów hamujących

57 Transmiter wiąże się z ligandozależnym kanałem Na +, Kanał otwiera się, Na + wnika do Komórki, Prąd rozprzestrzenia się, Wielkość sygnału obniża się wraz z odległością Wzgórek aksonu Odległość od otwartego kanału [mm]

58 depolaryzacja Wzgórek aksonu hiperpolaryzacja p.s. p.s. Sumowanie w czasie i przestrzeni potencjałów postsynaptycznych: EPSP pobudzających i IPSP hamujących Kodowanie analogowe

59 PORÓWNANIE POTENCJAŁÓW: czynnościowego i postsynaptycznego Postać potencjału Amplituda Kanały jonowe Zmiany w błonie Sposób Czas rozprzestrwania trzeniania się do +110 mv Potencjał czynnościowy potencjałozależne zawsze depolary -zacja 1-10ms bez ubytku Potencjał postsynaptyczny EPSP IPSP Od <+1 do +20mV ligandozależne (zależne od trans mitera) depolary -zacja lub hiperpola -ryzacja do kilku minut, a nawet godzin z ubytkiem, czyli z dekrementem

60 Reakcja neuronu na docierające sygnały zależy od sumy sygnałów pobudzających i hamujących; depolaryzacja błony lub jej hiperpolaryzacja są stopniowane (kodowanie analogowe); im większy sygnał pobudzający neuron, tym większa amplituda kodowanie analogowe i tym większa częstotliwość przesyłanych przez akson potencjałów czynnościowych kodowanie cyfrowe binarne: jest lub nie ma, wszystko albo nic, 1 lub 0; w częstotliwości impulsów jest zakodowana wielkość sygnału pobudzającego, zmiany jego nasilenia i czas jego działania; ten sposób kodowania informacji jest najbardziej oporny na błędy; anatomiczne połączenia neuronu (jego wejścia i wyjścia) kodują informacje o lokalizacji sygnału (bodźca) oraz o jego rodzaju (modalności). Mówimy: informacja jest zaadresowana anatomicznie. Zwielokrotnienie takich połączeń świadczy o redundancji.

61 PODSUMOWANIE PROCESÓW NA SYNAPSACH CHEMICZNYCH: PRZEKAŹNICTWO JEDNOKIERUNKOWE, OPÓŹNIONE, Z DEKREMENTEM ZMIANA JĘZYKA i TYPU KODU: z ELEKTRYCZNEGO CYFROWEGO na CHEMICZNY ANALOGOWY SUMOWANIE w CZASIE i PRZESTRZENI WYGASZANIE NIEKTÓRYCH INFORMACJI

62 KATEGORIE ZACHOWAŃ ZWIERZĄT Zachowania odruchowe proste i bez udziału świadomości Zachowania świadome różnorodne i bardziej złożone Zachowania rytmiczne leżą u podstaw oddychania, pracy serca, lokomocji PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ ZINTEGROWANEJ REAKCJI JEST ŁUK ODRUCHOWY

63 ODRUCHY Są podstawowym sposobem działania układu nerwowego, wynikającym z jego struktury Są to automatyczne, stereotypowe, nieuświadomione reakcje RUCHOWE, WYDZIELNICZE I EMOCJONALNE zachodzące z udziałem OUN w odpowiedzi na bodźce (sygnały) pochodzące ze środowiska zewnętrznego lub wewnętrznego;

64 ODRUCHY Bezwarunkowe Warunkowe - (wrodzone, gatunkowo - specyficzne) (nabyte, wyuczone) reakcje ruchowe, np. - - związane z postawą - - i lokomocją; pokarmowe, np. u - - ssaków związane ze - ssaniem; klasyczne pawłowowskie, instrumentalne; obronne; Odruchy mogą być: somatyczne, autonomiczne, nerwowo-hormonalne;

65 ELEMENTY SKŁADOWE ŁUKU ODRUCHOWEGO: 1) RECEPTOR 2) DROGA DOŚRODKOWA (AFERENTNA) 3) OŚRODEK 4) DROGA ODŚRODKOWA (EFERENTNA) 5) EFEKTOR I-rzędowy np. rdzeń 3 Np.wrzeciono mięśniowe skurcz

66 Do rdzenia przedłużonego Dendryt neuronu czuciowego Akson Droga dośrodkowa aferentna Droga odśrodkowa eferentna MIĘSIEŃ CZWOROGŁOWY EFEKTOR WRZECIONO MIĘŚNIOWE RECEPTOR ŁUK ODRUCHOWY monosynaptyczny reakcja mięśnia na rozciąganie

67 Łuk odruchowy polisynaptyczny Do wyższych pięter OUN Sznury grzbietowe Motoneurony tył Skóra Motoneurony M. dwugłowy uda - zginacz M. czworogłowy uda - prostownik Przeciwstronne wyprostowanie przód Tożstronne zginanie FM zginacz (flexor) EM prostownik (extensor) AKTYWACJA HAMOWANIE

68 Łuk odruchu somatycznego Łuk odruchu autonomicznego Droga eferentna 1neuron Zwój rdzeniowy czuciowy - (korzeń tylny, grzbietowy) Droga eferentna 2 neurony Pień współczulny Interneuron m Interneuron Motoneuron somatyczny E R Neuron przedzwojowy Neuron czuciowy Neuron zwojowy E R Zwój współczulny Neuron czuciowy R receptor E efektor 1. Receptor 2. droga dośrodkowa 3. OUN 4. droga odśrodkowa 5. efektor aferentna eferentna (1 lub 2 neurony)

69 Podziały narządów zmysłowych (i czuciowych) czyli odbierających informacje z wnętrza ciała i ze środowiska życia: ze względu: 1. na położenie i 2. na rodzaj odbieranego sygnału: EKSTERORECEPTORY RECEPTOR FOTORECEPTORY wyspecjalizowane wzrok siatkówka fotony skórne węch nabłonek węch. smak kubki smakowe słuch ślimak równowaga narząd przedsionkowy dotyk, ucisk, wibracja temperatura ból CHEMORECEPTORY cząsteczki chemiczne MECHANORECEPTORY siła mechaniczna TERMORECEPTORY NOCYCEPTORY INTERORECEPTORY rozciągnięcie, napięcie MECHANORECEPTORY przew. pokarmowego ciśnienie krwi (zatoki) zawartość we krwi: O 2 CO 2 i H + (kłębki szyjne) siła mechaniczna (BARORECEPTORY) CHEMORECEPTORY PROPRIORECEPTORY długość i napięcie mięśni, MECHANORECEPTORY mięśniowe ruch, pozycja ciała i jego siła mechaniczna części, ścięgien, stawów

70 Kodowanie analogowe x e Kodowanie cyfrowe x próg Ucisk jest sygnałem wyzwalającym napływ jonów Na + do zakończeń dendrytu neuronu czuciowego; Kanały potencjałozależne CIAŁKO BLASZKOWATE PACINIEGO Im ucisk jest silniejszy, tym więcej jonów napływa do tego zakończenia. Po osiągnięciu progu, następuje depolaryzacja, która jest przetwarzana na impulsy wg zasady wszystko albo nic, - 1 albo 0

71 FUNKCJONALNA ORGANIZACJA UKŁADU NERWOWEGO w

72 ORGANIZACJA UKŁADU NERWOWEGO OUN ośrodkowy OŚRODKI INTEGRUJĄCE (MÓZG, ZWOJE) NEURON POŚREDNICZĄCY INTERNEURON PUN obwodowy NEURON DOŚRODKOWY AFERENTNY NEURON ODŚRODKOWY EFERENTNY BODZIEC RECEPTORY EFEKTORY EFEKT CZUCIE OŚRODKI INTEGRU JĄCE DROGI WYJŚCIA

73 OŚRODKOWY UKŁAD NERWOWY Cefalizacja Zamknięcie części układu nerwowego w osłonach kostnych lub chrzęstnych Wydrążony rdzeń kręgowy Ośrodkowy układ nerwowy (OUN) = mózg i rdzeń kręgowy Peryferyczny (obwodowy) układ nerwowy (PUN) = cała reszta MÓŻDŻEK PIEŃ MÓZGU MÓZG NERWY SZYJNE RDZEŃ KRĘGOWY NERWY PIERSIOWE NERWY LĘDŹWIOWE NERWY KRZYŻOWE KOŃSKI OGON

74 STRUKTURY IZOLUJĄCE OUN CZASZKA osłona kostna OPONY MÓZGU: Twardówka Pajęczynówka Miękka OPONY RDZENIA: Twardówka Pajęczynówka Miękka KRĘGI RDZEŃ KRĘGOWY OPONY warstwy tkanki łącznej otaczające mózgowie i rdzeń kręgowy; Liczba tych warstw zależy od pozycji systematycznej: u ryb tylko jedna, u ssaków trzy; PŁYN MÓZGOWO-RDZENIOWY (CSF) wypełnia przestrzenie między oponami i stanowi ochronę przeciw-wstrząsową; BARIERA KREW-MÓZG (BBB) tworzy się dzięki ścisłym połączeniom śródbłonka naczyń mózgowych chroni przed niekontrolowanym ruchem substancji między OUN a układem

75 PŁYN MÓZGOWO-RDZENIOWY i JEGO ROLA CSF = płyn mózgowo - rdzeniowy szyjny piersiowy lędźwiowy splot naczyniowy CSF jest produktem sekrecji splotu naczyniowego i ependymy wyściełającej komory mózgu oraz naczyń krwionośnych opon mózgu (miękkiej i pajęczynówki). Jest płynem pozakomórkowym, roztworem wodnym jonów, substancji odżywczych, neurotransmiterów, substancji regulatorowych.

76 KOMORY MÓZGU KOMORY BOCZNE: LEWA i PRAWA KOMORA TRZECIA KOMORA CZWARTA

77 ROLA CSF Wyporność: obniżenie masy mózgu człowieka z ok. 1400g do 25g po zanurzeniu w CSF chroni dolne partie mózgu przed skutkami ucisku i upośledzonym dopływem krwi; Ochrona mózgu przed wstrząsami i uderzeniami: tylko bardzo silne urazy skutkują uderzeniem mózgu o kości czaszki, wywołując krwawienia i uszkodzenia mechaniczne tkanki; Stabilność chemiczna: CSF przepływający przez system komór mózgu jest resorbowany do układu krążenia, oczyszczając się z końcowych produktów metabolizmu. Niektóre czynniki są bardzo niekorzystne dla funkcji mózgu: np. stężenie glicyny -> zaburza termoregulację i kontrolę ciśnienia krwi a ph -> zawroty głowy i omdlenia; Chłodzenie mózgu i ochrona przed niedotlenieniem (ischemia): lokalne zmniejszenie ilości CSF obniża ciśnienie wewnątrzczaszkowe i ułatwia przepływ krwi.

78 JAK TWORZY SIĘ BARIERA KREW-MÓZG? (BBB) OPONY TWARDE PAJĘCZYNÓWKA OPONY MIĘKKIE TKANKA MÓZGU EPENDYMA KOMORA MÓZGU SPLOT NACZYNIOWY

79 JAK DZIAŁA BBB? WNĘTRZE NACZYNIA WŁOSOWATEGO MÓZG ZAKOŃCZENIE ASTROCYTU

80 12 par nerwów czaszkowych MÓZGOWIE Mózg Móżdżek Rdzeń przedłużony RDZEŃ KRĘGOWY zawiera w środku kanał, wypełniony płynem mózgowordzeniowym 8 par nerwów szyjnych 12 par nerwów piersiowych 5 par nerwów lędźwiowych 5 par nerwów krzyżowych 1-2 segmenty ogonowe tzw. koński ogon i nić końcowa Nerwy: 12 par czaszkowych i 30 par rdzeniowych doprowadzają informacje do mózgu (drogi dośrodkowe) i z mózgu do efektorów (drogi odśrodkowe)

81 OGÓLNY PLAN BUDOWY MÓZGOWIA Most Śródmózgowie Rdzeń przedłużony

82 12 par nerwów czaszkowych MÓZGOWIE RDZEŃ KRĘGOWY zawiera w środku kanał, wypełniony płynem mózgowordzeniowym 8 par nerwów szyjnych 12 par nerwów piersiowych 5 par nerwów lędźwiowych 5 par nerwów krzyżowych 1-2 segmenty ogonowe tzw. koński ogon i nić końcowa Nerwy: 12 par czaszkowych i 30 par rdzeniowych doprowadzają informacje do mózgu (drogi dośrodkowe) i z mózgu do efektorów (drogi odśrodkowe)

83 Jądra podstawy mózgu JĄDRA PODSTAWY MÓZGU skorupa, gałka blada, j. ogoniaste, * j. soczewkowate Jądra podstawy mózgu (przekrój horyzontalny) Przedmu -rze Prążk owie * j.ogoniaste J. ogoniaste Skorupa Gałka Ciało prążkowane =prążkowie Wzgórze Kora ruchowa Szczelina podłużna mózgu Móżdżek Rdzeń kręgowy III komora mózgu Wyspa Jądra podstawy mózgu wykazują aktywność ok ms PRZED ruchem, w momencie podejmowania decyzji o wykonaniu lub zahamowaniu ruchu

84 Szyjne: C 1-8 C1-8 Rdzeń kręgowy Th 1-12 Piersiowe: Th 1-12 Stożek końcowy Lędźwiowe: L 1-5 L1-5 Krzyżowe: S 1-5 S1-5 Koński ogon Nerwy guziczne i nić końcowa

85 Zwój rdzeniowy czuciowy Czucie: somatyczne trzewne- (autonomiczne) WEJŚCIE Róg tylny wejście czuciowe i interneurony Kanał centralny Korzeń tylny grzbietowy Korzeń przedni brzuszny Nerw rdzeniowy Aksony neuronów współczulnych przedzwojowych i motoneuronów Róg przedni wyjście ruchowe - motoneurony Aksony motoneuronów SS interneurony (wejście czuciowe somatyczne); VS - interneurony (wejście czuciowe z trzewi); VM neurony przedzwojowe autonomiczne; WYJŚCIE Budowa rdzenia kręgowego SM motoneurony somatyczne;