Tadeusz Włostowski Instytut Biologii, Uniwersytet w Białymstoku

Transkrypt

1 Tadeusz Włostowski Instytut Biologii, Uniwersytet w Białymstoku 1. Fizjologia komórki nerwowej i mięśniowej 1.1. Struktura komórki nerwowej Komórki nerwowe (neurony, neurocyty) budujące tkankę nerwową zgrupowane są w ośrodkowym (mózg i rdzeń kręgowy) i obwodowym układzie nerwowym (zwoje nerwowe). Odpowiedzialne są one m.in. za szybką transmisję informacji w organizmie. Struktura tych komórek jest inna od komórek innego typu, ponieważ jest ściśle dostosowana do pełnionych funkcji. W neuronie wyróżnia się następujące strefy strukturalnoczynnościowe związane z podstawowymi jej funkcjami: (1) wejście informacji (dendryty i ciało komórki), (2) inicjacja impulsów nerwowych początek aksonu zwany wzgórkiem aksonu, (3) przewodzenie impulsów wzdłuż aksonu (włókien nerwowych) do ich zakończenia zwanego kolbką synaptyczną, której błona stanowi błonę presynaptyczną, poprzez którą następuje wyjście informacji z komórki. U tego samego osobnika w różnych obszarach układu nerwowego występują komórki nerwowe o różnych kształtach. Tym niemniej podstawowe struktury wszystkich neuronów są jednakowe. Podstawowym elementem strukturalnym komórki nerwowej jest ciało nazywane perykarionem, w którym występują typowe dla każdej komórki struktury. Perykarion przechodzi w dwa typy wypustek: aksony (neuryty, wypustki osiowe) mające długość wynoszącą nawet 1 metr, i dendryty (krótkie wypustki protoplazmatyczne). W większości komórek nerwowych aksony są mniej lub bardziej rozgałęzione. Tych rozgałęzień w niektórych komórkach może być nawet kilka tysięcy. Komórka nerwowa jak każda inna jest otoczona błoną komórkową. Błony komórkowe zbudowane są z podwójnej warstwy lipidowej. Miejsca apolarne (hydrofobowe) lipidów błonowych są skierowane do siebie, a miejsca polarne (hydrofilne) na zewnątrz komórki i do jej wnętrza. Lipidy błonowe zawierają: fosfolipidy, glikolipidy i cholesterol. Z dwuwarstwą lipidową połączone są białka błony komórkowej, które dzieli się na (1) powierzchniowe (słabo związane z dwuwarstwą lipidową) i (2) integralne (silnie związane z błoną). Łańcuchy polipeptydowe białek integralnych przechodzą przez dwuwarstwę lipidową raz lub wielokrotnie, dzięki obecności w łańcuchu miejsc apolarnych złożonych z około 20 aminokwasów tworzących helisy transbłonowe. Do tych białek zaliczamy m. in. receptory, transportery i kanały jonowe. Większość białek integralnych związanych jest za pośrednictwem różnych białek z elementami cytoszkieletu, co ogranicza ich przemieszczanie się w błonie komórkowej (są one zakotwiczone w określonym miejscu komórki nerwowej np. w błonie aksonu czy dendrytów). Większość aksonów jest pokryta osłonką mielinową, poza wzgórkiem aksonu i odcinkiem końcowym tworzącym błonę presynaptyczną. Osłonka jest zbudowana z mieliny (jest to kilka warstw błon komórkowych otaczających akson), którą tworzą komórki glejowe, tj. oligodendrocyty i neurolemocyty. Włókna nerwowe z osłonką mielinową nazywamy włóknami rdzennymi, a włókna nerwowe bez osłonki mielinowej bezrdzennymi. We włóknach rdzennych osłonka mielinowa nie ma charakteru ciągłego. Przerywa się w regularnych odstępach, tworząc cieśni węzłów (węzły Ranviera) Potencjał spoczynkowy komórki nerwowej Powierzchnia ciała neuronu i jego wypustek (dendrytów i aksonu) w spoczynku jest izopotencjalna tzn. że pomiędzy dwoma dowolnymi punktami na powierzchni neuronu nie ma różnicy potencjałów. Różnica potencjałów wynosząca kilkadziesiąt miliwoltów (- 70mV) występuje natomiast między wnętrzem (ujemny ładunek), a otoczeniem komórki. Dlatego też potencjał ten przyjęto nazywać potencjałem spoczynkowym. O różnicy potencjałów w stanie spoczynku decyduje nierównomierne rozmieszczenie jonów (kationów i anionów) po zewnętrznej i wewnętrznej stronie błony komórkowej. W środowisku zewnętrznym stężenie sodu (Na + ) i chloru (Cl - ) jest około dziesięć razy większe niż w cytoplazmie (Na: 145 vs 14,5 mmol/l, Cl: 115 vs 4 mmol/l). Natomiast stężenie potasu (K + ) jest 30 razy większe w cytoplazmie neuronu niż w jego otoczeniu (140 vs 4 mmol/l). Ponadto w środowisku wewnętrznym komórki przeważają naładowane ujemnie cząsteczki organiczne (np. białka zawierające grupy fosforanowe). Obserwowana asymetria w dystrybucji zwłaszcza jonów sodowych i potasowych w środowisku zewnątrz- i wewnątrzneuronalnym nie jest wynikiem biernych procesów błonowych, lecz aktywnego transportu wymienionych jonów. Za transport ten odpowiedzialna jest zależna od Na i K ATP-aza, będąca integralnym składnikiem błony komórkowej. Transportująca ATP-aza aktywowana jest przez jony sodowe obecne po wewnętrznej stronie błony oraz przez jony potasowe obecne po zewnętrznej stronie. Na skutek aktywności transportujacej ATP-azy, zwanej również pompą sodowo-potasową, jony sodowe nieustannie są usuwane na zewnątrz komórki, a do jej wnetrza wprowadzane są jony potasowe, przy czym stosunek wymiany wynosi 2 jony K + za 3 jony Na +. Im wiekszy jest bierny napływ Na do wnetrza komórki i ucieczka K na zewnątrz (zgodnie z gradientem stężeń) tym większa jest aktywność pompy jonowej i tym większy czynny transport tych jonów. Warto nadmienić, że to aktywne pompowane sodu i potasu przez błonę komórkowa jest energochłonne; ocenia się, że 30-50% energii metabolicznej (ATP) jest zużywane na utrzymanie gradientu stężeń obu pierwiastków.

2 Potencjał czynnościowy komórki nerwowej W warunkach fizjologicznych określony bodziec oddziałuje na błonę dendrytów i perykarionu, powodując miejscową depolaryzację, tzn. jony sodu w większej ilości niż w warunkach spoczynkowych napływają do wnętrza komórki. To powoduje zmianę potencjału w kierunku dodatnim. Jest to tzw. postsynaptyczny potencjał pobudzający (EPSP). Jeśli potencjał ten osiągnie wartość tzw. potencjału krytycznego (zwanego inaczej progowym) to wyzwala on potencjał czynnościowy w obrębie wzgórka aksonu. Potencjał czynnościowy nie jest wyzwalany w dendrytach i perykarionie, ponieważ ich próg pobudliwości jest dwukrotnie wyższy niż próg pobudliwości wzgórka aksonu. Szerząca się fala depolaryzacji o potencjale ponadprogowym w błonie komórkowej dendrytów i perykarionu, osiągając wzgórek aksonu powoduje otwarcie zależnych od napięcia kanałów sodowych. W następstwie jony sodu napływają (dyfundują) do wnętrza komórki przez otwarte kanały zgodnie z gradientem stężeń. Ten szybki dokomórkowy prąd sodowy trwający 0,2 ms zmienia potencjał błony o 100 mv (z 70 na +30 mv). Ta faza potencjału czynnościowego określana jest jako faza depolaryzacji. Wkrótce po rozpoczęciu aktywacji sodowej dochodzi także do wzrostu przepuszczalności błony dla jonów potasu. Szybkość narastania wzrostu przepuszczalności dla jonów K + jest znacznie mniejsza niż dla jonów Na +. Aktywacja potasowa (otwarcie zależnych od napięcia kanałów potasowych) osiaga swoje maksimum w chwili, gdy przepuszczalność błony (kanałów sodowych) dla sodu powraca do wartości wyjściowych inaktywacja sodowa. Proces inaktywacji sodowej (zamknięcie kanałów) i aktywacji potasowej (otwarcie kanałów) jest odpowiedzialny za fazę repolaryzacji. Przez otwarte, zależne od napięcia kanały potasowe jony K + dyfundują zgodnie z gradientem stężeń na zewnątrz komórki, doprowadzając błonę do ponownej polaryzacji a nawet hiperpolaryzacji. Wypływowi jonów potasowych z komórki towarzyszy przez cały czas czynność pompy sodowo-potasowej, dzięki której po minięciu potencjału czynnościowego jest przywracany ponownie potencjał spoczynkowy błony i odpowiednia dystrybucja sodu (na zewnątrz) i potasu (wewnątrz komórki). Pierwszy potencjał czynnościowy we wzgórku aksonu jest następnie bodźcem dla sąsiadującego obszaru błony komórkowej, powodując aktywacją sodową i następnie potasową. W rezultacie potencjał czynnościowy jest przewodzony ortodromowo aż do zakończenia aksonu. W sposób ciągły potencjał jest przewodzony we włókach bezrdzennych natomiast skokowo (w cieśniach węzłów) jest przewodzony we włóknach rdzennych. Szybkość przewodzenia jest znacznie większa we włóknach rdzennych (nawet do 120 m/s) niż bezrdzennych (do 2 m/s). Potencjał czynnościowy na zakończeniach aksonu otwiera tam zależne od napięcia kanały wapniowe. Otwarcie kanałów powoduje napływ do wnętrza kolbki synaptycznej jonów wapnia zgodnie z gradientem stężeń (na zewnątrz 100 M, a wewnątrz 0,1 M). Tak więc podstawowym zadaniem potencjału czynnościowego przewodzonego od perykarionu do zakończenia aksonu jest otwarcie kanałów dla jonów wapnia Kanały jonowe bramkowane napięciem Kanały jonowe dla sodu i wapnia występujące w aksonie są utworzone przez pojedynczy polipeptyd o masie kda, tworzący odpowiednio ułożone w błonie 4 domeny transbłonowe po ok. 300 aminokwasów każda, połączone przez krótsze odcinki peptydowe. Każda z domen składa się z 6 helis transbłonowych. Pięć z tych helis jest wybitnie hydrofobowych, natomiast helisa 4 każdej z domen wyścieła kanał i jest silnie naładowana dodatnio. Uważa się, że w helisach 4 każdej z domen zlokalizowany jest czujnik kanału wobec napięcia. W momencie otwierania kanału część bądź całe helisy 4 przesuwają swą pozycję. W przypadku napięciozależnych kanałów potasowych, każda z 4 domen jest odrębnym polipeptydem. Przypuszcza się, że białka tworzące kanały dla sodu i wapnia powstały przez amplifikację i dywergencję pierwotnego genu kanału potasowego o jednej tylko domenie. Tak więc cechami kanałów jonowych są: wybiórczość w stosunku do przepuszczanych jonów i unikalny mechanizm bramkowania kanału jonowego, co oznacza że pod wpływem określonego czynnika np. napięcia mogą przechodzić ze stanu zamkniętego (w którym nie następuje transport jonów) do stanu otwartego (gdy przepuszczają jony). Kanały jonowe uczestniczące w przekazywaniu zmian potencjału są rozmieszczone z różną gęstością na komórce nerwowej. Kanały sodowe są rozmieszczone z następującą gęstością: perykarion posiada ok kanałów na powierzchni 1 m 2. Początkowy odcinek aksonu w okolicy wzgórka posiada 7-10 razy więcej, cieśnie węzłów razy więcej kanałów niż perykarion. Zakończenia nerwowe mają w przybliżeniu podobną gęstość kanałów sodowych jak perykarion. Równomierne rozmieszczenie kanałów sodowych obserwuje się w aksonach bez osłonki mielinowej. Występują one dwukrotnie gęściej w porównaniu do perykarionu. Przypuszcza się, że próg pobudliwości niezbędny do wywołania potencjału czynnościowego jest zależny od gęstości kanałów sodowych. Im więcej kanałów sodowych posiada dany fragment błony komórki nerwowej, tym niższy jest próg pobudliwości. Ta zasada tłumaczy łatwiejsze powstawanie potencjałów czynnościowych w okolicy wzgórka aksonów Przekazywanie informacji pomiędzy komórkami Synapsy Poszczególne komórki nerwowe nie są ze sobą zespolone a jedynie stykają się ze sobą. To samo można powiedzieć o sposobie łączenia się zakończeń aksonu z efektorem np. komórką mięśniową. Ten obszar styku nosi nazwę synapsy. Na ogół są to strefy kontaktu wyspecjalizowane funkcjonalnie w jednokierunkowym przekazywaniu pobudzenia lub hamowania z jednej komórki na następną. Wyróżnia się 2 typy synaps:

3 3 elektryczne i chemiczne. Synapsy elektryczne oparte są na działaniu międzykomórkowych połączeń szczelinowych typu gap junction a zwanych tu neksus. Połączenia te określane również jako połączenia jonowo-metaboliczne są zbudowane z dwóch układów, każdy z 6 podjednostek białkowych koneksyn. Każda z komórek sąsiadujących wytwarza ze swojej strony jeden taki układ. Apozycyjne połączenie ich razem tworzy kanał o średnicy ok. 1,5 nm, który przepuszcza cząsteczki o masie do 2500 Da. Kanały te umożliwiają bezpośredni przepływ jonów z jednego neuronu do drugiego, gdzie jony te wywołują natychmiastową (rzędu kilku s) depolaryzację. W ten sposób potencjał czynnościowy komórki presynaptycznej przenosi się na następną komórkę tzw. postsynaptyczną z ominięciem opóźnienia ok. 0,5 ms, typowego dla synapsy chemicznej. Synapsy elektryczne są nieliczne w mózgu ssaków, natomiast dużą ich ilość wykryto u ryb, gdzie działają zwłaszcza w drodze nerwowej odruchu ucieczki przed prześladowcą. Połączenia szczelinowe występują także pomiędzy komórkami mięśnia sercowego i gładkiego, do których powrócimy w stosownym rozdziale. Synapsa chemiczna składa się z elementu presynaptycznego (zakończenie aksonu pierwszego neuronu), szczeliny synaptycznej i błony postsynaptycznej należącej do drugiego neuronu (np. dendryty i perykarion) lub komórki nienerwowej. Łączność strukturalna pomiędzy obu błonami synaptycznymi oddzielonymi od siebie szczeliną (20-40 nm), utrzymywana jest w większości synaps przez międzybłonowe włókienka. Duże znaczenie dla powstania i organizacji synapsy ma występujący pod błoną postsynaptyczną splot filamentów cytoszkieletu, zwany kompleksem postsynaptycznym Egzocytoza pęcherzyków synaptycznych Jak wspomniano w rozdziale 1.3 potencjał czynnościowy przewodzony ortodromowo wzdłuż aksonu do jego zakończenia otwiera kanały wapniowe w błonie elementu presynaptycznego. Wysoki gradient stężenia wapnia wymusza wejście Ca 2+ do wnętrza tego elementu, co podwyższa cytoplazmatyczne stężenie Ca z ok. 0,1 M do 1-10 M w ciągu 1-2 ms. Wapń wiąże się z białkami pęcherzyków synaptycznych powodując ich egzocytozę tzn. połączenie się ich z błoną presynaptyczną tzw. strefy aktywnej i rozerwanie w wyniku czego zawartość pęcherzyków uwalnia się do szczeliny synaptycznej. Zawartość pęcherzyków to głównie chemiczne przekaźniki nerwowe zwane również mediatorami lub neurotransmiterami. Przerwanie egzocytozy następuje pod wpływem zamknięcia kanałów wapniowych (powrót do potencjału spoczynkowego w błonie elementu presynaptycznego) wraz z szybkim obniżeniem stężenia wapnia w elemencie presynaptycznym. Zjawisko to zachodzi po związaniu wapnia w cytoplazmie z kalmoduliną i gromadzeniu wapnia w mitochondriach oraz dzięki usuwaniu Ca 2+ przez pompę wapniową (Ca 2+ - ATP-aza) zlokalizowaną w błonie komórkowej. Za przekaźniki synaptyczne przyjmuje się te związki chemiczne, które powstaja w neuronach i są gromadzone w pęcherzykach synaptycznych. Dzieli się je na następujące grupy: (1)aminokwasy (glicyna, kwas glutaminowy), (2) tzw. klasyczne transmitery (acetylocholina, dopamina, noradrenalina, adrenalina, serotonina, histamina) i (3) neuropeptydy (np. endorfiny, enkefaliny). Transmiterem synaptycznym jest także ATP. Na ogół na danej synapsie uwalniany jest jeden rodzaj przekaźnika, chociaż wystepują również takie synapsy na których poza właściwym transmiterem uwalniane są tzw. modulatory synaptyczne. Są to peptydy (neuropeptydy) występujące w neuronach ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego. Szczególnie dużo neuropeptydów jest syntetyzowanych w neuronach podwzgórza. Transmitery dzieli się na pobudzające i hamujące. Transmitery pobudzające są to fizjologicznie aktywne związki chemiczne uwalniane z elementów presynaptycznych neuronów wywołujące depolaryzację błony postsynaptycznej, czyli postsynaptyczny potencjał pobudzający (EPSP). Są to związki o małej cząsteczce np. acetylocholina, dopamina, kwas glutaminowy. Transmitery hamujące są to fizjologicznie aktywne związki uwalniane z elementów presynaptycznych neuronów wywołujące hiperpolaryzacje błony postsynaptyczbej, czyli postsynaptyczny potencjał hamujący (IPSP). Do tej grupy zalicza się kwas gamma-aminomasłowy (GABA) i glicynę. W niektórych synapsach również acetylocholina jest transmiterem hamującym Postsynaptyczne receptory jonotropowe Uwolniony do szczeliny synaptycznej transmiter np. acetylocholina wiąże się z receptorem będącym integralnym białkiem błony postsynaptycznej. Receptor ten jest jednocześnie składnikiem kanału jonowego, który w tym przypadku należy do tzw. kanałów bramkowanych ligandem. Receptory te nazywamy jonotropowymi, ponieważ ligandy (neurotransmitery) łącząc się z receptorem bezpośrednio otwierają bądź zamykają kanał dla określonych jonów. Do receptorów jonotropowych należą m in. receptor nikotynowy (acetylocholinowy) (N-Ach) (Na +, K + ), receptor glutaminianowy AMPA (Na +, K + ) i NMDA (Ca 2+ ), receptor GABA A (Cl - ) i glicynowy (Cl - ). Terminologia receptorów wywodzi się z wcześniejszych badań farmakologicznych. Agonistą jest substancja, która wyzwala określony efekt fizjologiczny, np. pobudzenie elementu postsynaptycznego; stanowi ona ligand uaktywniający receptor. Antagonistą jest substancja hamująca właściwy efekt fizjologiczny; jest ona ligandem wywołującym nieaktywną konformację receptora. Nikotynowy receptor acetylocholinowy (N-AChR) występuje głównie w synapsach neuron-komórka mięśniowa, w synapsach zwojów układu autonomicznego oraz w pewnych błonach postsynaptycznych ośrodkowego układu nerwowego. Kanał jonowy utworzony jest z 5 podjednostek peptydowych: dwóch - wiążących acetylocholinę oraz podjednostek, i ułożonych symetrycznie w błonie komórkowej. Pentamerowy kompleks zawiera centralny otwór o średnicy 2,5 nm uważany za kanał jonowy. Interakcja

4 4 receptora z acetylocholiną jest odwracalna. Jedna porcja (kwant) acetylocholiny zawarta w pęcherzyku synaptycznym (5000 cząsteczek) wystarcza do otwarcia ok kanałów, a każdy kanał może wprowadzić 4000 jonów Na + w ciągu sekundy. Plan budowy receptorów jonotropowych dla glutaminianu, GABA i glicyny jest podobny do przedstawionego powyżej. Na uwagę zasługuje receptor NMDA dla glutaminianu. Kanał jonowy zawierający ten receptor jest w warunkach potencjału spoczynkowego zablokowany jonem magnezu. Warunkiem otwarcia tego kanału dla jonów wapnia jest usunięcie magnezu. To z kolei następuje przy odpowiednio silnej depolaryzacji błony wywołanej przez inne kanały oraz jednoczesne połączenie glutaminianu z receptorem NMDA. Tak więc kanały te są zależne zarówno od napięcia jak i ligandu. Większość tych receptorów występuje w neuronach ośrodkowego układu nerwowego Postsynaptyczne receptory metabotropowe W przeciwieństwie do receptorów jonotropowych, receptory metabotropowe nie są jednostką kanału jonowego lecz jednostką molekularną odmienną od kanału i ich aktywacja przez ligand reguluje stan otwarcia kanału drogą pośrednią przez aktywację trimerowego białka G. Wszystkie receptory metabotropowe są pojedynczym peptydem o charkterystycznej budowie przestrzennej, której motywem jest krótki, zewnątrzkomórkowy, hydrofilny i glikozylowany odcinek przy końcu N, siedem -helis transbłonowych po aminokwasów hydrofobowych każda, długa pętla (domena) od strony cytoplazmatycznej pomiędzy helisami 4 i 5, oraz duża domena cytoplazmatyczna poza helisą 6. Pętla i domena przy końcu C są obszarami wiążącymi receptor z białkiem G. Duża zmienność sekwencji umożliwia poszczególnym receptorom (nazywanych tutaj siedmiohelisowymi) wiązanie różnych ligandów i różnych typów białka G. Heterotrimerowe białko G składa się z podjednostek, i. Podjednostka wiąże nukleotydy guaninowe GDP w stanie spoczynku i GTP po aktywacji białka przez receptor 7-helisowy. Wyróżniamy 2 główne układy informacyjne w błonie postsynaptycznej z udziałem receptorów metabotropowych: (1) układ trójczłonowy i (2) układ wieloczłonowy. Przykładem trójczłonowego układu w błonie postsynaptycznej, t.j. receptor białko G kanał jonowy jest działanie pewnych form (M2, M4) receptorów acetylocholinowych (zwanych muskarynowymi), dla których agonistą jest również alkaloid muskaryna (M-AChR). Receptor ten po związaniu liganda-agonisty aktywuje białko G poprzez jego dysocjację na G i oraz wymianę GDP na GTP w podjednostce G. Kompleks G -GTP oddziałuje na kanał potasowy i powoduje jego otwarcie. Jony potasu dyfundują na zewnątrz komórki zgodnie z gradientem stężeń, powodując hiperpolaryzację błony postsynaptycznej. Przerwanie informacji polega na inaktywacji białka G, czyli na spontanicznej defosforylacji G -GTP do G -GDP i reasocjacji G. Opisany powyżej układ informacyjny występuje w komórkach układu przewodzącego serca. Wieloczłonowy układ informacyjny w błonie postsynaptycznej dzielimy na układ wykorzystujący tzw. kaskadę cyklicznego AMP (c-amp) i kaskadę inozytolowo-fofolipidową: (a) kaskada cyklicznego AMP polega na tym, że aktywowany ligandem (informator I rzędu) określony receptor 7-helisowy aktywuje białko G, które z kolei aktywuje enzym cyklazę adenylanową związaną z błoną komórkową. Następuje wzrost stężenia camp (informator II rzędu), który wiążąc się z podjednostkami regulatorowymi kinazy białkowej A, uruchamia fosforylację przez ten enzym białek kanału jonowego. Fosforylowanie kanału jonowego zmienia stopień zależności danego kanału np. od napięcia. Poprzez ten układ działają następujące neurotransmitery: adrenalina i noradrenalina (receptory beta 1 i beta 2 stymulujące wytwarzanie camp, natomiast receptory alfa 2 hamujące wytwarzanie camp), dopamina (D1, D5), serotonina (5HT1A zmniejsza stężenie camp, 5HT4 zwiększa stężenie camp). (b) Kaskada inozytolowo-fosfolipidowa polega zaś na tym, żę aktywowany ligandem receptor 7-helisowy aktywuje określone białko G, które z kolei aktywuje enzym błonowy fosfolipazę C. Enzym ten hydrolizuje dwufosforan fosfatydyloinozytolu (obecny w błonie fosfolipid) do diacyloglicerolu (DAG) i trifosfoinozytolu (IP3), będących informatorami II rzędu w tym układzie podobnie jak camp w przypadku (a). IP3 oddziałuje z kolei z receptorem będącym składnikiem kanału wapniowego w błonie retikulum endoplazmatycznego powodując uwalnianie do cytoplazmy jonów wapnia. DAG i jony wapnia aktywują kinazę białkową C, która fosforyluje białko kanału jonowego w błonie postsynaptycznej, modulując jego aktywność. Poprzez ten układ działają następujące neurotransmitery: noradrenalina (receptor alfa-1), acetylocholina (receptory M1, M5), dopamina (receptor D2), histamina (receptor H1). Z przedstawionych wyżej informacji wynika, że o końcowym efekcie fizjologicznym decyduje receptor molekularny odbierający sygnał I rzędu t.j. cząsteczkę neurotransmitera. N.p. acetylocholina jest agonistą wszystkich omówionych typów receptorów: kiedy łączy się z receptorem jonotropowym (nikotynowym) powoduje pobudzenie (depolaryzację błony postsynaptycznej), gdy zaś oddziałuje z receptorem metabotropowym muskarynowym (M2, M4), będącym częścią układu trójczłonowego, wywołuje hamowanie (hiperpolaryzację błony postsynaptycznej) Usuwanie neurotransmiterów Ważną składową w przebiegu sygnalizacji synaptycznej jest szybkie usuwanie ze szczeliny synaptycznej cząsteczek neurotransmiterów. Najbardziej efektywnie zachodzi to w przypadku acetylocholiny. Substancja ta w szczelinie synaptycznej jest bardzo szybko rozkładana przez esterazę acetylocholinową do choliny i kwasu

5 5 octowego. Enzym ten związany z siateczką włókien kolagenowych, charakteryzuje się niezwykle wysoką liczbą obrotów (rozkład jednej cząsteczki ACh w 40 s). Uwolniona cholina jest wchłaniana przez specyficzny przenośnik błonowy z powrotem do elementu presynaptycznego, gdzie acylotransferaza cholinowa szybko acyluje ją do ACh. Inaktywacja innych transmiterów np. noradrenaliny, dopaminy, GABA, serotoniny jest znacznie wolniejsza i zachodzi przez metylację (metylotransferaza) lub oksydacyjne usunięcie grupy aminowej (monoaminooksydaza). Transmitery synaptyczne są też szybko resorbowane ze szczeliny synaptycznej do komórek glejowych sąsiadujących ze szczeliną lub zwrotnie do elementu presynaptycznego, a także dyfundują poza szczelinę Postsynaptyczny potencjał pobudzający i hamujący Jeśli w danej synapsie pobudzenie receptorów przez transmiter wywołuje otwarcie kanałów jonowych dla sodu lub wapnia to nastąpi miejscowa depolaryzacja błony w kierunku potencjału dodatniego. Mówimy w takim przypadku o postsynaptycznym potencjale pobudzającym (EPSP). Jeśli natomiast transmiter powoduje otwarcie kanałów dla potasu lub chloru wówczas dochodzi do zwiększenia ujemnego potencjału po wewnętrznej stronie błony postsynpaptycznej, czyli do hiperpolaryzacji. Jak wiemy otwarcie kanałów potasowych powoduje ucieczkę K + na zewnątrz komórki zgodnie z gradientem stężeń. W przypadku chloru, anion ten dyfunduje do wnętrza komórki również zgodnie z gradientem stężeń (patrz rozdział 1.2). W tym przypadku mówimy o postsynaptycznym potencjale hamującym (IPSP). Na perykarionie i dendrytach danej komórki nerwowej występuje na ogół ogromna liczba synaps tworzonych przez inne komórki nerwowe, zarówno o charakterze pobudzającym jak i hamującym. Tak więc miejscowe zmiany potencjału występujące na synapsach mogą podlegać sumowaniu, gdy te synapsy znajdują się w bliskiej odległości od siebie, oraz gdy zmiany pojawiają się w bliskim czasie w danej synapsie. Zjawiska te są określane odpowiednio jako sumowanie przestrzenne i czasowe. Jeśli na obszarze perykarionu i dendrytów przewagę uzyskują w danej chwili synapsy pobudzające nad synapsami hamującymi i potencjał ten osiągnie wartość potencjału krytycznego, to wyzwala on potencjał czynnościowy w obrębie wzgórka aksonu (rozdział 1.3) Kodowanie informacji przez komórki nerwowe Bodźce działające na układ nerwowy zawierają informacje pochodzące zarówno z wnętrza organizmu, jak i z jego otoczenia. Bodźce te reprezentują rozmaite formy energii. Prawidłowa działalność układu nerwowego a zatem całego organizmu, wymaga obecności dwóch procesów. Pierwszy to proces przetwarzania energii związanej z danym bodźcem na impulsację elektryczną (potencjał czynnościowy). Drugim procesem jest kodowanie odebranej informacji w obrębie układu nerwowego. Wydawałoby się, że najprostszym sposobem kodowania informacji mógłby być kod amplitudy potencjału czynnościowego. Układ nerwowy nie korzysta z tego sposobu informacji, ponieważ amplituda potencjału jest stała (obowiązuje tu prawo wszystko albo nic ). Informacja biegnąca w układzie nerwowym jest zakodowana za pomocą kodu częstości. W tym rodzaju kodowania miarą przenoszenia informacji jest po prostu gęstość impulsów (średnia częstość impulsów w określonym przedziale czasu) Receptory czuciowe W środowisku zewnętrznym i wewnętrznym organizmu stale zachodzą zmiany. Jeśli stanowią one bodźce odbierane przez organizm, tworzą informację o środowisku. Różne rodzaje energii, jak np. mechaniczna, świetlna i cieplna, cząsteczki związków chemicznych oraz zmiany ich natężenia lub koncentracji mogą być bodźcem działającym na organizm. W obrębie receptorów czuciowych (nie mylić z receptorami molekularnymi) zachodzi przetwarzanie bodźców na impulsy nerwowe. Receptorami czuciowymi nazywamy zarówno wyspecjalizowane struktury, odrębne komórki receptorowe, jak i zakończenia obwodowe neuronów czuciowych. Czynność receptorów polega na odbiorze bodźców i na dostarczaniu do ośrodkowego układu nerwowego informacji o środowisku zewnętrznym i wewnętrznym organizmu. Bodziec w stosunku do którego receptor ma najniższy próg pobudliwości zwany jest bodźcem adekwatnym (swoistym) dla tego receptora. Receptory dzieli się na eksteroreceptory, które reagują na bodźce środowiska zewnętrznego, takie jak bodźce mechaniczne, zmiany temperatury i interoreceptory, odbierające bodźce ze środowiska wewnętrznego organizmu. Receptory, które są pobudzane przez bodźce uszkadzające tkanki, nazywa się nocyreceptorami. Biorąc pod uwagę rodzaj energii przetwarzanej przez receptory dzieli się je na fotoreceptory, mechanoreceptory, termoreceptory i chemoreceptory. Receptor czuciowy jest urządzeniem, które przetwarza określony rodzaj energii w potencjał generujący, który w przeważającej większości receptorów polega na depolaryzacji zakończenia obwodowego. Niektóre receptory pod wpływem bodźca ulegają hiperpolaryzacji (np. fotoreceptory siatkówki). Potencjał generujący jest zmianą miejscową, podobnie jak potencjały postsynaptyczne zależy od wielkości bodźca i rośnie wraz z jego zwiększeniem. Po osiągnięciu pewnej wielkości, zwanej potencjałem progowym, potencjał generujący wyzwala impuls nerwowy (generuje impulsy stąd jego nazwa). W wielu receptorach przetwarzanie potencjału generującego na potencjały czynnościowe włókien nerwowych dośrodkowych zachodzi w pierwszej cieśni węzła. Częstotliwość impulsów wiąże się z intensywnością bodźca. Zwiększenie intensywności bodźca prowadzi do zwiększenia częstotliwości impulsów nerwowych.

6 6 W dalszej części tego rozdziału zostanie szczegółowo omówiony jedynie mechanizm fotorecepcji i słuchu: Mechanizm fotorecepcji Receptorem czuciowym dla światła są wyspecjalizowane komórki znajdujące się w siatkówce oka: pręciki, od których zależy widzenie w przyciemnionym świetle oraz czopki warunkujące rozróżnianie barw. Pręciki i czopki tworzą synapsy z dwubiegunowymi komórkami nerwowymi, które z kolei oddziałują z innymi komórkami nerwowymi siatkówki. Sygnały elektryczne wytwarzane przez fotoreceptory przechodzą w obrębie siatkówki przez skomplikowany układ komórek nerwowych i są następnie przekazywane do mózgu przez włókna nerwu wzrokowego. Wykazano, że pręciki w siatkówce oka człowieka mogą być pobudzane przez pojedynczy foton, są więc bardzo wrażliwe. Pręciki maja wysmukły, wydłużony kształt; u człowieka mają one średnicę 1 m i długość 40 m. Główne funkcje komórek pręcikowych są ściśle rozmieszczone w określonych przedziałach komórkowych. Pręcik składa się z dwóch części segmentów: segment zewnętrzny pręcika jest wyspecjalizowany w odbieraniu bodźców świetlnych. Znajduje się w nim ok dysków ułożonych jeden na drugim, które są zamkniętymi i spłaszczonymi cysternami o grubości ok. 16 nm. Te błoniaste struktury zawierają ściśle upakowane cząsteczki białek fotoreceptorowych, zwanych rodopsyną. Białko to należy do rodziny receptorów 7-helisowych, znanych nam z rozdziału Błony dysku są oddzielone od błony komórkowej segmentu zewnętrznego. Segment zewnętrzny pręcika łączy się przez wąską, nieruchomą rzęskę z segmentem wewnętrznym, zawierającym jądro, mitochondria i element presynaptyczny. Błona komórkowa pręcików zawiera kationowo specyficzne kanały, które w ciemności są otwarte. Ponieważ kanały te są silnie przepuszczalne dla sodu, a także dla wapnia, a gradient elektrochemiczny jest duży, jony sodu i wapnia w ciemności szybko wpływają do zewnętrznego segmentu komórki. Duży gradient sodu utrzymywany jest działaniem pompy sodowo-potasowej umiejscowionej w błonie segmentu wewnętrznego. Te kanały kationowe należą do kanałów bramkowanych ligandem. Ligandem jest cgmp, którego trzy cząsteczki są związane z kanałem jonowym w ciemności. Kanał otwiera się i zamyka w ciągu milisekund w odpowiedzi na fizjologiczne zmiany poziomu cgmp. Wnikający w ciemności wapń przez te kanały jest równoważony jego wypływem poprzez wymiennik jonowy Ca/Na. Światło blokuje kationowo specyficzne kanały w segmencie zewnętrznym. W konsekwencji wpływanie sodu i wapnia do komórki ulega zmniejszeniu, a błona komórkowa ulega hiperpolaryzacji, tj. staje się bardziej ujemna od strony wnętrza komórki. Ta wywołana światłem hiperpolaryzacja jest następnie przekazana przez błonę komórkową z segmentu zewnętrznego do presynaptycznego elementu komórki, co jest wyczuwane przez synapsy i przeniesione do innych neuronów siatkówki, Jednak dokładny mechanizm tego przeniesienia nie jest znany. W jaki sposób światło powoduje zamknięcie kanałów błonowych i następującą w konsekwencji hiperpolaryzację? Jak wspomniałem wcześniej w błonie dysków upakowane jest białko fotoreceptorowe rodopsyna, które składa się z białka opsyny (7-helisowe) i z grupy prostetycznej (chromoforu), 11-cis-retinalu (pochodna witaminy A), która absorbuje światło. Cis-retinal jest związany z białkiem połączeniem typu zasady Schiffa i mieści się w kieszeni białka w pobliżu środka błony. Pod wpływem absorpcji światła zachodzi izomeryzacja 11-cis-retinalu do trans-retinalu. Izomeryzacja w istotny sposób zmienia geometrię retinalu. Wiązanie z lizyną zmienia swoje położenie w stosunku do pierścienia chromoforowego o blisko 5 Angstremów. W efekcie tego energia świetlna, jaką niesie foton, zostaje użyta do przesunięcia atomów. Zmiana geometrii retinalu pociąga za sobą zmianę konformacji białka, które z kolei aktywuje białko G (tutaj zwane transducyną) znajdujące się od strony cytozolowej. Podjednostka G -GTP (albo T -GTP) uaktywnia enzym fosfodiesterazę (PDE) przez uwolnienie jej spod kontroli inhibitora. Następuje hydroliza cgmp do GMP, czego wynikiem jest zamknięcie kanału kationowego w błonie komórkowej i w konsekwencji jej hiperpolaryzację. Podobny kanał bramkowany przez camp odgrywa kluczową rolę w powstawaniu wrażeń węchowych Mechanizm słuchu Narządem słuchu jest ucho, które anatomicznie dzieli się na ucho zewnętrzne, środkowe i wewnętrzne (ślimak). Fala dźwiękowa biegnie przewodem słuchowym zewnętrznym do błony bębenkowej oddzielającej go od przestrzeni ucha środkowego. Z błoną bębenkową zrośnięta jest rękojeść młoteczka, który stawowo połączony jest z kowadełkiem a to z kolei ze strzemiączkiem, którego podstawa jest zamocowana w okienku przedsionka. Wymienione kosteczki słuchowe tworzą układ przewodzący drgania od błony bębenkowej do ślimaka, który jest podzielony przewodem ślimakowym na przestrzeń zwaną schodami przedsionka i schodami bębenka. Obie te przestrzenie wypełnione płynem tzw. przychłonką łączą się ze sobą w szczycie ślimaka przez tzw. szparę osklepka. Od strony ucha środkowego schody przedsionka zamyka podstawa strzemiączka tkwiąca w okienku przedsionka, a schody bębenka błona bębenkowa wtórna pokrywająca okienko ślimaka. Przewód ślimakowy jest wypełniony płynem zwanym śródchłonką; w tym przewodzie znajduje się narząd spiralny, którego główną rolą w procesie słyszenia jest przekształcenie energii mechanicznej (biegnąca fala przychłonki) w sekwencje potencjałów czynnościowych tworzących się we włóknach nerwowych części ślimakowej nerwu przedsionkowo-ślimakowatego. Impulsy nerwowe przesyłane są następnie przez kolejne neurony drogi

7 7 słuchowej i rozpoznawane w ośrodkach korowych jako wysokość, głośność i umiejscowienie dźwięków w przestrzeni. Na błonie podstawnej narządu spiralnego, zwanego również Cortiego, od strony schodów bębenka, usytuowane są tzw. komórki rzęsate będące właściwymi receptorami słuchu. Rzęski komórek zmysłowych wystają ponad błonę siatkowatą pokrywającą narząd spiralny. Ponad rzęskami znajduje się dodatkowo cienka i elastyczna błona pokrywająca. Błona siatkowata wyraźnie oddziela przestrzeń, w której znajdują się komórki rzęsate od przestrzeni w której znajdują się rzęski. Rzęski tkwią bowiem w sródchłonce o potencjale spoczynkowym wynoszącym + 80 mv (K 150, Na 1, Cl 130 mmol/l) a komórki w zamkniętej przestrzeni wypełnionej płynem o składzie zbliżonym do przychłonki (Na 150, K 5, Cl 125 mmol/l). Pod wpływem biegnącej fali przychłonki (powstajacej w następstwie drgań strzemiączka w okienku przedsionka i biegnącej schodami przez szparę osklepka do schodów bębenka) błona podstawna narządu spiralnego ulega odkształceniu co pociąga za sobą uginanie rzęsek stykających się z błoną pokrywającą ten narząd. Mechaniczne odkształcenie rzęsek prowadzi do otwarcia kanałów, którymi przepływają kationy K + obecne w dużym stężeniu w śródchłonce omywającej rzęski. W tym przypadku napływ potasu wywołuje depolaryzację komórki rzęsatej, która powoduje przenikanie kationów wapnia do wnętrza elementu presynaptycznego tej komórki. Uwolniony zostaje transmiter (nie jest on jeszcze poznany), który depolaryzuje zakończenia czuciowe nerwu ślimakowego Organizacja czynnościowa układu nerwowego Podstawową czynnością ośrodkowego układu nerwowego (mózg i rdzeń kręgowy) jest odbieranie informacji nerwowej biegnącej od receptorów, przetwarzanie jej i zapamiętywanie oraz wysyłanie informacji nerwowej do narządów wykonawczych (efektorów) mięśni i gruczołów. Informacja nerwowa odbierana od receptorów przenoszona jest do ośrodkowego układu nerwowego przez włókna nerwowe czuciowe dośrodkowe (aferentne) w postaci salw impulsów nerwowych. Salwy tych impulsów są odbierane i przetwarzane przez podrzędne ośrodki czuciowe w obrębie rdzenia kręgowego i pnia mózgu. Stąd są przekazywane bezpośrednio do podrzędnych ośrodków ruchowych i jednocześnie do nadrzędnych ośrodków czuciowych i ruchowych znajdujących się przede wszystkim w korze mózgu oraz w międzymózgowiu i kresomózgowiu. Od nadrzędnych ośrodków w korze mózgu do efektorów odśrodkowe (eferentne) informacje nerwowe przekazywane są poprzez podrzędne ośrodki i drogi nerwowe oraz odśrodkowe włókna nerwowe biegnące w nerwach czaszkowych i rdzeniowych. Przetwarzanie informacji czuciowej aferentnej na informację eferentną biegnącą do mięśni szkieletowych i gruczołów zachodzi na różnych piętrach ośrodkowego układu nerwowego. W odruchach prostych informacja jest przełączana bezpośrednio z podrzędnych ośrodków czuciowych na podrzędne ośrodki ruchowe. W odruchach złożonych natomiast biorą udział zarówno podrzędne, jak i nadrzędne ośrodki nerwowe. W rozwoju filogenetycznym wykształciły się układy szybko przewodzące impulsy nerwowe za pośrednictwem małej liczby neuronów o długich wypustkach aksonach. Drogi i ośrodki szybko przewodzące impulsy nerwowe tworzą układy swoiste, do których należą drogi i ośrodki czuciowe i ruchowe. Np. droga przewodząca impulsy nerwowe od receptorów dotyku lub ciepła i zimna w skórze do pół czuciowych kory mózgowej obejmuje następujący łańcuch neuronów: I neuron czuciowy odbierający impuls nerwowy z receptora, którego ciało znajduje się w zwoju rdzeniowym, przekazuje impulsację tzw. korzonkami grzbietowymi do rdzenia kręgowego, gdzie tworzy synapsę z II neuronem czuciowym. Dalej impulsacja biegnie długim aksonem II neuronu do wzgórza, gdzie znajduje się ciało III neuronu czuciowego. Ten z kolei daje akson biegnący do neuronu czuciowego IV znajdującego się w korze mózgowej w części reprezentującej dany receptor. Podobnie 4 neurony czuciowe występują w drodze swoistej dla receptorów smaku. Komórki receptorowe smaku występujące w tzw. kubkach smakowych jamy ustnej pobudzają I neuron czuciowy, którego ciało znajduje się w zwojach nerwów czaszkowych (VII, IX, X). Ten z kolei daje synapsę w rdzeniu przedłużonym z II neuronem czuciowym wysyłającym akson do wzgórza. III wysyła akson do IV neuronu znajdującego się w korze mózgowej w części reprezentującej czucie smaku. Na ogół bodziec działający na receptor czuciowy wywołuje odpowiedź narządu wykonawczego (efektora) zachodzącą za pośrednictwem ośrodkowego układu nerwowego. Ta odpowiedź nazywana jest odruchem. Droga jaką przebywa impuls nerwowy od receptora do narządu wykonawczego nazywa się łukiem odruchowym. Łuk odruchowy składa się z 5 części: (1) receptora, (2) drogi dośrodkowej czyli aferentnej, (3) ośrodka nerwowego, (4) drogi odśrodkowej, czyli eferentnej i (5) narządu wykonawczego, czyli efektora. Części 1,2 i 4 łuku odruchowego zostały już wcześniej omówione. Część (3) czyli ośrodek nerwowy jest zasadniczą częścią łuku odruchowego. Jest to skupienie neuronów w ośrodkowym układzie nerwowym zawiadujące określoną funkcję. Od czynności ośrodka zależy, czy odruch wystąpi, jaki będzie okres utajonego pobudzenia oraz jaka będzie wielkość, zakres i czas trwania pobudzenia narządu wykonawczego. Narządy wykonawcze stanowią ostatnią część łuku odruchowego. Są one zbudowane z komórek pobudliwych, a więc komórek mięśni poprzecznie prążkowanych wchodzących w skład łuku odruchowego somatycznego (zależnego od woli) oraz mięśni gładkich wchodzących w skład łuku odruchowego autonomicznego. W łuku odruchowym somatycznym tzw. neuron ruchowy, którego ciało znajduje się np. w rogach brzusznych rdzenia kręgowego daje akson prowadzący bezpośrednio do komórek mięśnia szkieletowego, z którymi tworzy synapsy. W przypadku ruchu

8 8 odruchowego autonomicznego występują 2 neurony w drodze odśrodkowej. Pierwsza komórka jest tzw. komórką przedzwojową, a druga zwojową, która tworzy synapsy (w formie żylakowatości) z mięśniem gładkim Mięśnie poprzecznie prążkowane Struktura komórki (włókna) mięśnia poprzecznie prążkowanego Mięśnie szkieletowe zbudowane są z walcowatych komórek (włókien mięśniowych), których długość jest równa długości całego mięśnia, a średnica wynosi m. Dojrzałe komórki mięśniowe podczas rozwoju powstają z wielu mioblastów, których błony ulegają fuzji. Świadczy o tym obecność w dojrzałym włóknie wielu jąder komórkowych leżących pod błoną komórkową. Wnętrze komórek mięśniowych wypełniają włókienka mięśniowe (miofibryle) zbudowane z sarkomerów, które są jednostkami morfologiczno-czynnościowymi aparatu kurczliwego mięśnia poprzecznie prążkowanego. Długość sarkomeru wynosi w stanie spoczynku ok. 2,5 m. Sarkomer jest ograniczony błonami zwanymi prążkami Z. Są one ułożone szeregowo na całej długości miofibryli. Przestrzeń pomiędzy prążkiem Z sarkomeru wypełniają miofilamenty (nitki) cienkie zbudowane z białka aktyny oraz miofilamenty grube utworzone przez białko miozynę. Środek sarkomeru zajmują miofilamenty miozynowe. Ich długość wynosi 1,5 m, a średnica 12 nm. Nitki te są ułożone równolegle w stosunku do siebie i długiej osi sarkomeru, tworząc w obrazach mikroskopowych ciemny prążek anizotropowy A. Boczne części sarkomeru zbudowane są z cienkich miofilamentów aktynowych i związanego z nimi kompleksu białkowego tropomiozyna-troponina. Długość tych nitek wynosi 1 m, a średnica 7 nm. Miofilamenty aktynowe są przymocowane swymi obwodowymi końcami do linii Z ograniczających sarkomer, natomiast ich wolne końce wsunięte są pomiędzy miofilamenty miozynowe. Tam gdzie nitki aktynowe przebiegają wolno (bez nitek miozyny), tworzą one jasny izotropowy prążek (I )sarkomeru. Środek prążka anizotropowego (A), w którym występują wyłącznie nitki miozyny tworzy prążek H sarkomeru. Przez środek prążka H przebiega poprzeczna błona stanowiąca element podporowy sarkomeru, zwana prążkiem M. Miofilamenty grube i cienkie tworzą układ ściśle uporządkowany. W prążku A każda nitka miozynowa jest otoczona 6 równolegle ułożonymi nitkami aktynowymi, przy czym odległości pomiędzy nitkami aktyny i miozyny są jednakowe. Na nitkach miozyny widoczne są poprzeczne wyrostki zwane mostkami poprzecznymi. Ich układ na powierzchni nitki jast również ściśle uporządkowany. Szerokość prążka A nie ulega zmianie przy skurczu i rozciąganiu mięśnia. Zmiany długości sarkomeru zachodzą wyłącznie kosztem prążka I. W czasie skurczu nitki aktyny wsuwają się głębiej pomiędzy nitki miozyny. W czasie rozkurczu nitki aktyny wysuwają się spomiędzy nitek miozyny lecz nie całkowicie. Sarkolema czyli błona komórek mięśniowych tworzy wgłębienia w kształcie kanalików penetrujących do wnętrza komórki. Zwane są one cewkami (kanalikami) poprzecznymi T. Na ogół cewki T występują na poziomie linii Z, chociaż u ssaków występują one na granicy prążka I i A sarkomeru. Ponadto miofibrylle otoczone są retikulum sarkoplazmatycznym o kształcie cewkowym, które przy kanaliku T tworzy tzw. zbiornik końcowy. Głównym białkiem części cewkowej błon retikulum jest ATP-aza zależna od Ca 2+, która transportuje ten pierwiastek z cytoplazmy do wnętrza retikulum. W błonie zbiornika końcowego graniczącego z kanalikiem T występują zaś kanały jonowe dla wapnia, których podjednostki białkowe są receptorami wiążącymi alkaloid pochodzenia roślinnego rianodynę (receptory rianodynowe). W błonach kanalika T, w części graniczącej z błoną zbiornika końcowego retikulum sarkoplazmatycznego, znajduje się białka receptorowe, którego konformacja zależy od napięcia (sa to tzw. receptory dihydropirydyny). Receptory dihydripirydyny są połączone białkiem łączącym JFP z receptorem rianodynowym w błonie zbiornika końcowego, w którym gromadzony jest Ca Pobudzenie komórki mięśnia poprzecznie prążkowanego Mięśnie szkieletowe unerwione są ruchowo przez aksony neuronów ruchowych rogów przednich (brzusznych rdzenia kręgowego). Opuszczają one rdzeń przez jego korzonki przednie i docierają w pobliże mięśnia, a następnie do niego wnikają. W obrębie mięśnia akson tworzy od kilku do kilkudziesięciu odgałęzień. W bezpośrednim sąsiedztwie komórki mięśniowej każde z tych odgałęzień traci osłonkę mielinową i wraz z odpowiednio przekształconą sarkolemą tworzy synapsę nerowowo-mięśniową. Każde z końcowych odgałęzień włókna nerwowego unerwia jedną komórkę mięśniową. Pozbawione osłonki mielinowej zakończenie włókna nerwowego tworzy kolbkowate rozszerzenie spoczywające w płytkim zagłębieniu sarkolemy. Impuls nerwowy docierający do elementu presynaptycznego powoduje egzocytozę pęcherzyków synaptycznych zawierających acetylocholinę. Uwolniona do szczeliny synaptycznej acetylocholina łączy się z receptorem nikotynowym (podjednostki ) kanału jonowego znajdującego się w błonie postsynaptycznej złącza nerwowo-mięśniowego. Otwarcie kanałów prowadzi do przenikana sodu do wnętrza komórki mięśniowej czego wynikiem jest miejscowa depolaryzacja błony. Jeśli miejscowa depolaryzacja osiągnie wartość krytyczną wyzwalany jest potencjał czynnościowy w obszarze sarkolemy sąsiadującej z synapsą (podobnie jak we wzgórku aksonu). W sarkolemie poza obrębem synapsy znajdują się kanały jonowe dla sodu i potasu bramkowane napięciem. Potencjał czynnościowy przewodzony jest po całej powierzchni komórki mięśniowej; dociera on także do kanalików T. Tutaj potencjał czynnościowy zmienia konformację receptora dihydropirydyny, co pociąga za sobą aktywację poprzez JFP receptora rianodynowego znajdującego się w zbiorniku końcowym retikulum sarkoplazmatycznego. Zmiana konformacji receptora riadoninowego, będącego składnikiem kanału jonowego,

9 9 otwiera ten kanał dla jonów wapnia, które gwałtownie napływają do cytoplazmy podnosząc tutaj jego stężenie z poziomu niższego niż 1 M do 10 M. Jony Ca 2+ łączą się następnie z podjednostką C troponiny znajdującej się na miofilamencie aktynowym Mechanizm skurczu Jak wspomniałem wcześniej aktyna jest głównym składnikiem cienkich filamentów. Aktyna występuje jako monomer o masie 42 kda, zwany aktyną G, ponieważ ma kształt globularny. W warunkach fizjologicznych, aktyna G polimeryzuje do formy fibrylarnej zwanej aktyną F, która jest podobna do cienkich filamentów. W aktynie F każdy monomer jest związany z następnym przesuniętym rotacyjnie o 166 co sprawia wrażenie podwójnej zwiniętej nici. W rzeczywistości cienkie filamenty ukazują się na mikrografiach elektronowych podobne do skręconych ze sobą dwóch sznurów korali. Każdy monomer w nitce kontaktuje się z 4 innymi. Na filamencie aktynowym umiejscowione są tropomiozyna i troponina, stanowiące około 1/3 masy filamentu cienkiego. Tropomiozyna jest dwuniciową, -helikalną pałeczką. To silnie wydłużone białko jest ułożone prawie równolegle do długiej osi cienkiego filamentu. Troponina jest kompleksem 3 łańcuchów polipeptydpwych zwanych C, I, T. Troponina C wiąże jony Ca 2+, I wiąże się z aktyną a T z tropomiozyną. Kompleks troponiny jest umiejscowiony na cienkim filamencie w regularnych odstępach wyznaczonych przez długość tropomiozyny. Każdy kompleks troponiny, związany z tropomiozyną reguluje aktywność ok. 7 jednostek aktyny. Kompleksy te blokują skurcz mięśnia, gdy cytozolowy poziom wapnia jest niski, a odblokowują go gdy jest wysoki. Miozyna jest dużym białkiem zawierającym 6 łańcuchów polipeptydowych: 2 identyczne łańcuchy ciężkie (po 220 kda) i 2 pary łańcuchów lekkich (20 kda). Cząsteczka miozyny zawiera dwugłowowy globularny region doczepiony do bardzo długiej pałeczki. Pałeczka jest dwuniciową, -helikalnie skręconą super helisą, utworzoną przez łańcuchy ciężkie. Głowy wraz z częścią pałeczki tworzą tzw. meromiozynę ciężką, a pozostała część pałeczkowata tworzy meromiozynę lekką. Grube miofilamenty sarkomeru są produktem asocjacji meromiozyny lekkiej, natomiast meromiozyna ciężka tworzy ich poprzeczne mostki. W główce znajduje się centrum ATP-azowej aktywności enzymatycznej oraz powierzchnie interakcji główki z aktyną. W czasie spoczynku mięśnia, gdy stężenie Ca 2+ w sarkoplazmie jest niskie, tropomiozyna znajduje się w centrach miejsc wiązania aktyny z główkami miozyny (zasłania je). W momencie, w którym następuje zwiększenie stężenia wolnego Ca 2+ w sarkoplazmie, podjednostka troponiny C wiąże wapń, czego rezultatem są zmiany konformacyjne tego białka, które przenoszone są następnie na pozostałe składniki kompleksu troponiny. Następuje wzmocnienie wiązania pomiędzy troponiną C i troponiną I, a jednocześnie przerwanie wiązania między troponiną I a kompleksem tropomiozyna-aktyna. W wyniku tego dochodzi do zmiany położenia tropomiozyny w stosunku do aktyny i odsłonięcia miejsc w monomerach aktyny, do których przyłączają się główki miozynowe. Odwrotny cykl przemian, który prowadzi do rozkurczu mięśnia jest zapoczątkowany przez spadek stężenia jonów Ca 2+ na skutek przemieszczania go z sarkoplazmy do wnętrza retikulum sarkoplazmatycznego przez ATP-azę zależna od wapnia. Po odsłonięciu miejsc na monomerach aktyny, główki miozynowe ustawione dotychczas prostopadle do miofilamentu grubego i zawierające produkty hydrolizy ATP (ADP i P), wiążą się z aktyną. W wyniku tego następuje dysocjacja (usunięcie) P i następnie ADP z główki, czego wynikiem są zmiany konformacyjne polegające na zmianie kąta ustawienia główki z prostego (90 ) na ostry (45 ) w stosunku do miofilamentu grubego. Rezultatem tego jest przesunięcie filamentu cienkiego wzdłuż filamentu grubego. W tym momencie z główką łączy się ATP, który powoduje osłabienie powinowactwa miozyny do aktyny i ich dysocjację (odłączenie główki miozyny od aktyny). Jednocześnie ATP jest hydrolizowany do ADP i P przez ATP-azę główkową; Ustawienie główki powraca do pozycji pod kątem prostym i cały cykl się powtarza, jeśli wapń jest połączony z podjednostką C troponiny. Należy pamiętać, żę podstawowym źródłem ATP dla mięśni jest: (1) oksydatywna fosforylacja w mitochondriach, (2) fosforylacja substratowa (glikoliza), (3) fosfokreatyna i (4) kinaza adenylanowa katalizująca syntezę ATP z dwóch cząsteczek ADP Autonomiczny układ nerwowy i mięśnie gładkie W przeciwieństwie do układu somatycznego, autonomiczny układ nerwowy unerwia narządy wewnętrzne (m. in. mięśnie gładkie i gruczoły) i dowolne kierowanie czynnością układu autonomicznego nie podlega woli (a więc funkcjonuje on niezależnie od woli, stąd pochodzi jego nazwa). Odpowiedź układu autonomicznego i unerwianych przez niego narządów jest czułym, niezależnym od woli wskaźnikiem stanów emocjonalnych u człowieka, nawet wtedy gdy nie zdradza ich zachowanie. Przyspieszenie rytmu serca, zmiana ciśnienia tętniczego, rozszerzenie lub zwężenie naczyń twarzy (zaczerwienienie lub zblednięcie), rozszerzenie źrenic, pobudzenie gruczołów potowych, zmiany perystaltyki przewodu pokarmowego, są to typowe reakcje autonomiczne. Autonomiczny układ nerwowy powiązany jest czynnościowo z układem hormonalnym i z układem immunologicznym. Wszystkie te trzy układy regulacyjne zapewniają obronę i adaptację do czynników zakłócających homeostazę organizmu Część współczulna i przywspółczulna układu autonomicznego Autonomiczny układ nerwowy dzielimy na dwie części eferentne (odśrodkowe): (1) część współczulną zwaną także sympatyczną i (2) część przywspółczulną zwaną parasympatyczną. Większość narządów