Zarys Neurobiologii Cw 3. Kanały i elektrogeneza. Piotr Łaszczyca KFZiE, WBiOŚ, UŚ 2008

Transkrypt

1 Zarys Neurobiologii Cw 3 Kanały i elektrogeneza Piotr Łaszczyca KFZiE, WBiOŚ, UŚ 2008

2 BŁONA Wg Singera i Nicholsona (1972) płynna mozaika i podwójna tafla lipidów

3 BIAŁKA I ICH FUNKCJE W BŁONACH Pompy błonowe np.: pompa sodowo-potasowa = Na, K-ATP-aza molekuł pompy na 1 m 2 błony, tzn. że ok pomp Na, K na 1 mały neuron, 200 jonów Na + na zewnątrz i 130 jonów K + do wnętrza na sekundę także: pompy Ca 2+, Mg 2+, Cl -, H + Wymiennik jonowe i inne, np.: Ca, Na antyporter..., transporter glukozy napędzany dokomórkowym strumieniem sodu i inne... Kanały błonowe w tym: sodowe, potasowe, wapniowe, molekuł kanałowych na 1 m 2 błony... i inne (patrz dalej) Receptory błonowe mediatorów i hormonów (specyficzne wobec liganda) receptory - kanały receptory - enzymy (układ drugiego przekaźnika) receptory przeciwciała Antygeny powierzchniowe komórek i białka kotwiczące

4 PODWÓJNA TAFLA LIPIDÓW Lipidy błonowe głownie fosfolipidy i cholesterol trójestry zbudowane z: 1. z wielowodorotlenowego alkoholu (glicerolu) lub aminoalkoholu (sfingaminy) 2. dwóch wyższych kwasów tłuszczowych 3. kwasu fosforowego lub siarkowego 4. inozytolu, etanolaminy, seryny, choliny 5. galaktozy lub glukozy P i i c---c---c i i i o o o fizycznie można w nich wyróżnić: a/ hydrofilową, polarną główkę (rdzeń alkoholu z kwasem fosforowym i innymi związkami) b/ hydrofobowe, niepolarne ogony (łańcuchy kwasów tłuszczowych) Co lipidy robią w błonie 1. same układają się w elastyczną dwuwarstwę 2. tworzą miejsce do kotwiczenia białek 3. nie pozwalają na dyfuzję substancji polarnych 4. są źródłem substratów dla fosfolipaz

5 BIAŁKA BŁONOWE Alberts et al. 2006

6 Pompa czyli Na +, K + - ATP-aza Alberts et al. 2006

7 KANAŁ W BŁONIE Alberts et al. 2006

8 WŁASNOŚCI BŁONY 1. Selektywnie przepuszczalna - dla subst. polarnych nie i wody (o ile nie ma białek transportowych) - dla substancji niepolarnych ( lipidów ) (ale subst. apolarne nie mogą same dotrzeć przez wodę zewnątrzkomorkową do błony) 2. Aktywnie transportująca - bo w błonie pompy, wymienniki, nośniki, kanały 3. Zmieniająca przepuszczalność po bodźcu - bo receptory-kanały mogą się otwierać pod działaniem bodźca

9 CO WYNIKA Z WŁASNOSCI BŁONY 1. Rozmieszczenie jonów wewnątrz i na zewnątrz komórki Dane dla aksonu neuronu ssaka Stezenia jonów wyrazone w milimolach na litr z wyjatkiem stezenia bialek Na + K + Ca ++ Cl - Prot - Zewnatrz % Wewnatrz % Stosunek Z / W 15:1 1: :1 15:1 1:30 2. Zmiany przepuszczalności dla jonów po zadziałaniu bodźca Dane dla aksonu neuronu ssaka Stan komórki Przepuszczalnosc (P x lub P y ) wzgledna blony dla jonów Sodu - Na + Potasu - K + Chloru - Cl - W spoczynku 0,04 1 0,45 Po pobudzeniu ,45

10 CO WYNIKA Z WŁASNOSCI BŁONY 3. Zdolność do wytwarzania potencjału elektrycznego i jego zmiany I II III IV V A-KCh IR-KCh, CaCh K(Ca)Ch, CaCh 4. Możliwość wyliczenia potencjałów na podstawie teorii (HHK)

11 CO WYNIKA Z WŁASNOSCI BŁONY 5. Po prostu pobudliwość i wszystko o czym się studenci uczą na neurobiologii

12 CO WYNIKA Z WŁASNOSCI BŁONY Wapń - działanie regulacyjne w komórce wymiennik Na + /Ca 2+ Wiązanie z błoną siateczka Na + + pompa K + Ca 2+ pompa Ca 2+ depozyt Ca 2+ Napływ przez kanał mitochondria Przeciek Ca 2+ przez błonę

13 CO WYNIKA Z WŁASNOSCI BŁONY Discrimination Transduction Amplification Hormon GTP fosfodiesteraza ATP Recepcja Sprzężenie Przetworzenie i wzmocnienie camp Wzmocnienie fosfataza Enzym lub czynnik transkrypcyjny ATP ~P Efekt regulacji Kanał

14 METODY BADANIA POBUDLIWOŚCI BŁONY DOŚWIADCZALNE METODY BADANIA BŁONY, KANAŁÓW I RECEPTOROW Techniki current clamp i voltage clamp z farmakologiczną izolacją prądów Technika patch clamp (Neher i Sackman Nobel 1992) Cell attached Whole cell Outside-out Inside-out Techniki izotopowe badanie przepuszczalności znakowanych jonów wiązanie znakowanych specyficznych przeciwciał lub toksyn (ligandów) z receptorami i kanałami Techniki izolacji, sekwencjonowania i syntezy in vitro białek błonowych z rekonstytucją w sztuczne błony

15 Małe stanowisko do elektrofizjologii komórkowej Rekwizyty: Wzmacniacz różnicowy Stymulator Rejestrator taśmowy Oscyloskop z pamięcią Aparat fotograficzny Klatka Faradaya w niej: Stół antywibracyjny Mikromanipulatory Elektrody Kuweta doświadczana Mikroskop odwrócony Źródło zimnego światła Pompa perystaltyczna Termostat jeszcze kilka drobiazgów I eksperymentator KANAŁ U DOKTORA

16 KANAŁ U DOKTORA Wzmacniacz różnicowy Mikroelektroda drażniąca Mikroelektroda rejestrująca Układ pomiarowy CC / VC Komora z płynem fizjologicznym Elektroda odniesienia

17 KANAŁ U DOKTORA

18 KANAŁ U DOKTORA

19 KANAŁ U DOKTORA PATCH CLAMP NA CZTERY SPOSOBY (Neher i Sackman 1992 Nobel) Cell attached Whole cell Outside-out Inside-out Po co? Aby zobaczyć co robią pojedyncze cząsteczki białka w błonie

20 Kanał u doktora CURRENT CLAMP - Co robią jony Zham et al Low Ca threshold spikes

21 CURRENT CLAMP - Co robią jony Obraz oscyloskopowy fotografia Transformacja odpowiedzi komórki mięśnia szkieletowego raka Procambarus clarki Przed zabiegiem W trakcie zabiegu Po zabiegu

22 Kanał u doktora CURRENT CLAMP - Zwykła iglica Wynik zapisu techniką Current Clamp E [mv] III IV t [ms] I II bodziec V VI

23 Kanał u doktora VOLTAGE CLAMP - Jak to robią jony O, właśnie tak jak tu na przykładowym prostym aksonie Co widać na obrazku? Czarna linia: Ile prądu trzeba przepuścić przez komórkę aby utrzymać w niej depolaryzację Niebieska linia: Ile prądu potrzeba na stałą depolaryzację jesli zatka się TEA kanały dla potasu Czerwona linia: Ile prądu potrzeba na stałą depolaryzację jesli usunie się z zewnątrz komórki sód lub zatka się kanały sodowe tetrodotoksyną

24 Kanał u doktora VOLTAGE CLAMP - Jak to robią jony Voltage clamp dla zwykłego aksonu V M I M Tak na siłę zmieniono potencjał V M Tak zmieniało się g K I K I Na Tak zmieniało się g Na

25 KANAŁ FILTR I BRAMKA Alberts et al. 2006

26 TYPY KANAŁÓW Alberts et al. 2006

27 KANAŁ W BŁONIE KANAŁ SODOWY I KANAŁ-RECEPTOR CHLORKOWY

28 RÓZNICOWANIE KANAŁÓW BŁONOWYCH Kryteria wyróżniania i klasyfikacji typów kanałów błonowych: 1. Istnienie mechanizmu bramnego 2. Czynnik aktywujący mechanizm bramny kanału: - kanały potencjałozależne, - kanały aktywowane (bramkowane) chemicznie czyli receptory, - kanały sensoryczne (sensory) w komórkach receptorowych 3. Kinetyka mechanizmu bramnego (Jak szybko kanał się otwiera i zamyka po bodźcu) 4. Selektywność jonowa (Jakie jony mogą dyfundować przez kanał) 5. Przewodność jednostkowa kanału (Ile jonów może maksymalnie przepływać przez kanał) 6. Podatność na modulację przez metabolizm komórkowy (pamięć!!) 7. Wrażliwość na specyficzne toksyny 8. Specyficzność gatunkowa i narządowa 9. Struktura białka kanałowego i homologia genów (dziś decydująca podstawa klasyfikacji!) w tym ilość domen transbłonowych (TM) od 2 do 6 i ilość podjednostek od 2 do 6

29 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH zmod. za Peter Agre, Roderick MacKinnon ( Nobel 2003), oraz e-handbook Sigma Co. KONEKSON (CONNEXON) nibykanał duży nieselektywny (do dalt., np. glukoza, c-amp, drobne peptydy) kanał błonowy o dużym porze 1,5 nm, zbudowany z 6 ułożonych w rozetę jednostek koneksyny (u bezkręgowców ineksyna), zazwyczaj sprzężony z drugim, identycznym kanałem w błonie sąsiedniej komórki może poprzez skrętne zmiany konformacji otwierać się lub zamykać. Regulacja otwarcia zachodzi m.in. z udziałem jonów wapnia i kalmoduliny, także poprzez system c-amp. zespól blisko położnych koneksonów tworzy złącze ścisłe (złącze szczelinowe = neksus, odległość błon- 3-5 nm) miedzy komórkami, umożliwiające niespolaryzowane przenikanie jonów i małych cząsteczek (możliwe jednak własności prostownicze). m.in. we wstawkach serca, miedzy komórkami mięśni gładkich i w synapsach elektrycznych (efapsach) Koneksyna (tityna) białko budulcowe koneksonu występuje w odmianach o rożnej masie cząsteczkowej ( kda). Genetyczne defekty mogą prowadzić do chorób, np. głuchoty, zaburzeń rytmu serca, zaburzeń rozwoju płodowego.

30 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KONEKSON Wikipedia

31 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY SODOWE (NaCh) pierwsze poznane i wyizolowane z błony, a następnie syntetyzowane i rekonstytuowane w błonie umożliwiają napływ sodu do komórki, występuje w kilku podtypach o różnej kinetyce, depolaryzacja Nadrodzina kanałów sodowych zależnych od potencjału = Voltage Dependent Sodium Channels (VDSC) 4 podjednostki (domeny) homologiczne, lecz różne, każda po 6 segmentów transbłonowych (S1-S6) każdy segment transbłonowy o strukturze helikalnej i długości 20 aa, co trzeci aa helisy segmentu transbłonowego to Liz lub Arg decydujące dla działania sensora napięciowego między segmentem S5 i S6 pętla H5 złożona z dwóch łańcuchów SS1 i SS2 tworzy ścianę kanału na odcinku pętli zewnętrzne SS2 miejsce wiązania TTX domeny połączone wewnątrzkomórkowymi/wewnątrzbłonowymi pętlami (każda inna) pętla I-II fosforyzowana, pętla III-IV odpowiada za inaktywację

32 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY SODOWE (NaCh NaV - VDSC) Budowa w mózgu: heterotrimer: alfa (260 kd), beta1 (36 kd), beta2 (33 kd) w sercu: monomer alfa w mięśniach szkieletowych: dimer: alfa + beta1 podjednostka alfa - tworzy por podjednostka beta-1 = tenascin - wiąże kanał z macierzą zewnątrzkomórkowa (glikokalyksem) podjednostka beta-2 - częściowo homologiczna z białkami adhezji komórkowej [cell adhesion molecule = contactin (CAM)] Typowa aktywność: aktywacja - 10 µs, czas otwarcia - 0,5-1 ms, inaktywacja refrakcja jednorazowy ładunek ok Na+

33 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY SODOWE (NaCh NaV - VDSC) Zróżnicowanie kanałów sodowych potencjałozależnych NaV1.1 NaV1.2 NaV1.2a NaV1.3 NaV1.4 NaV1.5 NaV1.6 NaV1.7 NaV1.8 NaV1.9 OUN OUN (noworodk.) OUN (dojrzałe) OUN (zarodkowe) Miesnie szkielet. Serce OUN Sympat. UN i zwoje korz. grzbiet. Zwoje korzonka grzbiet. rdz. kr. Zwoje korzonka grzbiet. rdz. kr. α, β1-β4 α, β1-β4 α, β1-β4 α, β1-β4 α, β1 α, β1 β4 α, β α, β α, β α, β Ból przewl. Wrazliwy na konotoksyne Epilepsja Epilepsja Epilepsja Przejsciowy paraliz Bardzo wrazliwy na TTX Arytmia Ból Ból przewl. Slabo wrazliwy na TTX Ból przewl Slabo wrazliwy na TTX Ból przewl

34 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY WAPNIOWE (CaCh - VDCC) umożliwia dokomórkowy napływ wapnia, podtypy funkcjonalne jak dla kanału sodowego Bramkowane chemicznie (ligandem) kanały wapniowe (NMDA-R/Ch, N-ACh-R) Potencjałozależne kanały wapniowe (VDCC) VDCC - LVA (low voltage activated) VDCC - HVA (high voltage activated) Budowa Heteromultimery Podjednostka Alfa1 główna - z porem i mechanizmem bramnym Podjednostka Beta wewnątrzkomórkowy marker/regulator transportu potranslacyjnego i lokalizacji w błonie (intracellular membrane trafficking subunit - postraslational transporter regulators) Podjednostka Alfa2 pozakomórkowy element glikozylowany (zaczep w sieci glikoaliksu?) (extracellular glycosylated subunit) Podjednostka Gamma glikoproteina regulująca funkcje kanału mutacja stargazer u myszy Podjednostka Delta podjednostka transbłonowa (region kotwiczący), moduluje własności bramne kanału

35 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY WAPNIOWE (CaCh - - VDCC) Typ pradu L N P Q R T Typ kanalu HVA -VDCC HVA -VDCC HVA -VDCC HVA -VDCC remaining HVA -VDCC LVA -VDCC LVA -VDCC Symbol kanalu CaV CaV CaV CaV CaV CaV Przewodnictwo, ps ~25 ~ ~10-20 ~ ?? 8 Próg aktywacji Potencjal otwarcia Szybkosc deaktywacji Szybkosc inaktywacji Wysoki (H) -20 mv Wysoki (H) -20 mv Wysoki (H) -50 mv? Wysoki (H) -50 mv? Wysoki (H) -50 mv? Niski (L) -65 mv Szybka (F) Szybka (F) Szybka (F) Szybka (F) Szybka (F) Wolna (S) Wolna (S) Posrednia (M) Bardzo wolna (VS) Pośrednia (M) Szybka (F) Szybka (F) Selektywnosc Ba 2+ > Ca 2+ Ba 2+ > Ca 2+ Ba 2+ > Ca 2+ Ba 2+ > Ca 2+ Ba 2+ = Ca 2+ Ba 2+ = Ca 2+ Funkcja Bloker Sprzezenie elmech., elwydz. - neurony, miesnie (gl., szk, serc.), kom. grucz. werapramil, nifedypina Neuronalny wylacznie konotoksyna, agatoksyna Neuronalny wylacznie - kom. gruszkowate k. mózdzku niewrazliwe wrazl. na jad Agenelopsis aperta Neuronalny - kom. ziarniste k. mózdzku niewrazliwe na powyzsze Neuronalny - rózne typy neuronów niewraziwe na powyzsze Wezel zatok.- przeds. serca = komórki bodzcotwórcz e serca, wzgórze, k. grucz.

36 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY POTASOWE (KCh - VDPC) umożliwiają wypływ potasu z komórki, co przeciwdziała depolaryzacji, Liczne podtypy (ponad 80!) Pod względem funkcjonalnym można wyróżnić m.in.: KCh - zwykły: wolny i szybki i jego podpodtypy, odpowiada za repolaryzację i potencjał spoczynkowy, ACh - umożliwiający samoczynne depolaryzacje wskutek powolnego zamykania się po repolaryzacji - także spacing serca i neuronów rozrusznikowych (pacemakers) IRCh - zamykając się na szczycie depolaryzacji mięśnia roboczego serca przedłuża ją (plateau), K(Ca)Ch = Slo-KCh + SK-KCh - otwierany/aktywowany oraz modulowany przez nadmiar jonów wapnia we wnętrzu komórki, sprawca wyładowań (depolaryzacji) salwami oraz habituacji, K(ATP)Ch - kanał potasowy hamowany przez ATP jest na zasadzie kompetycyjnej aktywowany przez fosforany fosfatydyloinozytolu (PIP 2 oraz PIP) wiążące się do podjednostki wewnątrzbłonowej jednostki białka kanałowego, hamowanie przewodnictwa K(ATP)Ch związane jest z aktywacją rozkładającej PIP fosfolipazy C, która uczynniana jest z kolei przez np. receptory purynoergiczne (np. P2Y2) TWIK-Ch - kanał potasowy z dwoma otworami (two pore) jakieś dziwadło!

37 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY POTASOWE (KCh - VDPC) Budowa KCh Voltage Dependent Potasium Channels (VDPC) 4 podjednostki (domeny) homologiczne, lecz różne, każda po 6 segmentów transbłonowych (S1-S6) segment S4 uczestniczy w inaktywacji między segmentem S5 i S6 pętla H5 złożona z dwóch łańcuchów SS1 i SS2 tworzy ścianę kanału - w ścianie miejsce wiązania TEA z segmentu S1 domeny alfa lub beta zwisa do wewnątrz komórki peptydowy łańcuch z kulą będący bramką inaktywacji (nie wszystkie KCh go mają) Nadrodzina kanałów potasowych zależnych od potencjału lub aktywowanych przez wapń (KV-Ch i KCa-Ch) Nadrodzina kanałów potasowych o własnościach prostownika dośrodkowego (Kir), w tym: Kanał potasowy wrażliwy na ATP (ATP-sensitive Potassium Channel) Kanały potasowe o własnościach prostownika dośrodkowego

38 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY POTASOWE (KCh - VDPC) K V -Ch Kod Typ Potencjal otwarcia KCa-Ch SK/IK- -KCa-Ch Gardos KCa-Ch B-KCa-Ch Kir Shal Shaw Shab Kv1 Kv2 Kv3 Kv4 SK1 SK2 SK3 SK4 = = IK1 Kir1.x Kir2.x Kir3.x Kir6.x Kir4.x Kir5.x Kir7.x -65 mv -20 mv Własnosci Wystepowanie Bloker typu Shaker heteroktamer, α4β4, prostowanie dosr. Shaker-analog heteroktamer, α4β4, prostowanie dosr. niskie przewodnictwo posrednie przewodnictwo wysokie przewodnictwo homotetramer, wrazliwe na [ATP] homotetramer, aktyw. przez bialko G, homotetramer, wrazliwe na [ATP] bezkregowce - owady (Drosophila) kregowce, w tym ssaki powszechne erytrocyty, limfocyty T miesnie gladkie, kolbki synapt., ucho srodkowe, nerka nablonek kanalików nerki miesien sercowy i mózg receptorowe trzustka i serce apamina, d-tubokuraryna apamina (słabo) klotrimazol, charybdotoksyna dehydrosaponina sojowa, charybdotoksyna Mg 2+, TEA, TBA (poliaminy) sulfonomocznik Mg 2+, TEA, TBA

39 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY CHLORKOWE (ClCh) napływ chloru, hiperpolaryzacja i hamowanie, u słodkowodnych jednokomórkowców wypływ Cl = depolaryzacja. Jedynie blokery małospecyficzne: - DIDS (4,4 -diispthiocyanatostilbene-2,2 -disulfonic acid) nieaktywny tylko wobec CFTR Blokery Ca-zależnych ClCh i CFTR - NPPB (5-nitro-2-(3-phenylpropylamino); kwas benzoesowy Dysfuncja ClCh w: myotonia congenita, chorobie Denta, glioma (nadekspresja), mukowiscydozie Liczne typy: 1. Bramkowany chemicznie (przez ligand) kanał-receptor chlorkowy (Gly-R, GABA A -R) 20 podtypów o dużym przewodnictwie hamowanie pobudzenia cel środków uspokajających 2. Regulowany przez c-amp Regulator Przewodnictwa Transbłonowego typowy dla mukowiscydozy [camp-regulated Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance (CFCR) Regulator] = ClC6 o niskim przewodnictwie

40 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY CHLORKOWE (ClCh) 3. Kanały chlorkowe zależne od potencjału o niskim przewodnictwie Rodzina ClC w tym: VCC (Voltage-gated Chloride Channels) ssaków ClC-1 mięsni szkieletowych (brak myotonii) ClC-2 neurony ośrodkowe, uczestniczą w odpowiedzi GABA A, utrzymują gradient Cl ClC-3 we włóknach m. serca, wrażliwe na objętość dzięki fosforylacji zależnej od PKA/PKC ClC-4 powszechny ClC-5 głównie w nerce, także w mózgowiu i wątrobie ClC-Ka, i ClC-Kb w nerce ClC-6 = CFCR, ClC-7 powszechny 4. Kanały chlorkowe zależne od wapnia [Calcium-activated Chloride Channels] o niskim przewodnictwie Rodzina CaCC: 4 typy; mięśnie gładkie, nabłonki, o niskim przewodnictwie

41 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY WODNE = AKWAPORYNY (AQPs) Odkryte w 1992 (Peter Agre Nobel 2003), wszechobecne podstawowe, homologia z Major Intrinsic Proteins i z innymi białkami transbłonowymi Co najmniej 11 typów AQPs u ssaków AQP-0 - soczewka oka (katarakta) AQP-1 - nerka, erytrocyty, AQP-2 - wrażliwa na wazosopresynę (ADH), mechanizm camp zależny V2-R AQP-3, AQP-4 - podstawnoboczna część kom. nerki, jelito grube, tchawica AQP-4 - glej AQP-5 - nabłonki wydzielnicze AQP-6 - wewnątrzkomórkowe pęcherzyki wydzielnicze AQP-7 - jądra i jelito cienkie AQP-8 - jądra AQP-9 - leukocyty i wątroba

42 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY JONOWE RECEPTORY POTENCJAŁU PRZEJŚCIOWEGO [Transient Receptor Potential (TRP) Ion Channels] Podrodzina Ankyriny i Podrodziny Kanoniczne TRPA1/TRPC1-7 - nieselektywne kanały kationowe Funkcja: homeostaza Ca 2+ i odczuwanie zimna oraz reakcje na feromony Podrodzina Melastatyny TRPM1-8 - nieselektywne kanały kationowe lub dla jonów jednowartościowych lub dla Ca 2+, Mg 2+ Funkcja: homeostaza Ca 2+, Mg 2+ i odczuwanie zimna oraz smaku Podrodzina Wanilloidowa TRPV1-6 - nieselektywne kanały kationowe lub kanały preferujące Ca 2+ Funkcja ból, m.in. reakcja na kapsaicynę

43 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH WRAŻLIWE NA ZAKWASZENIE BRAMKOWANE PRZEZ PROTONY KANAŁY JONONIESELEKTYWNE [Acid-Sensing Proton-Gated Ion Channels (ASICs)] Bloker - amilorid, ibuprofen i salicylany Funkcja: ból, pamięć, warunkowanie lekowe, neurodegeneracja po epizodzie ischemia/hipoksja/reoksygenacja oraz NABŁONKOWE KANAŁY SODOWE [Epithelial Sodium Channels (ENaC)] Bloker - amilorid Funkcja: homeostaza Na +, regulacja ciśnienia krwi i płynów powierzchni dróg oddechowych, smak

44 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY AKTYWOWANE PRZEZ MEDIATOR NERWOWY acetylocholinowy nikotynowy i muskarynowy: N i M- AChR: alfa- i beta-adrenergiczny:,, -ADR;... dopaminowy: D1, D2, D3, D4 ; serotoniowy: H1, H2, H3, H4 ; glutaminowy: non-nmda (Q/K), NMDA; AMPA; kainianowy ; NMDA - N-metylo-D-asparaginian - analog glutaminianu AMPA - alfa-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionian - j.w. opiatowy:,, i inne - Każdy z ponad 50 poznanych mediatorów ma kilka różnych typów receptorów, jeden z nich może być kanałem dla jakiegoś jonu, a inne są związane z produkcją drugiego przekaźnika. Receptor błonowy zbudowany jest z wielu białek, tworzących ogniwa łańcucha czynności. Jednym z początkowych ogniw są białka G, końcowym - enzym produkujący drugi przekaźnik, np.: cyklaza adenylanowa lub fosfolipaza A2, produkt ich reakcji aktywuje z kolei kinazy białkowe, które - przez fosforylację - modulują aktywność kanałów, receptorów, enzymów i białek jądrowych. Dwa sposoby reakcji receptora - jonoforowy i metaboliczny

45 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH Kanał i receptor w jednym Np. receptor acetylocholinowy typu nikotynowego czyli N-AChR Alberts et al. 2006

46 GŁÓWNE TYPY KANAŁÓW BŁONOWYCH KANAŁY SENSORYCZNE KOMÓREK RECEPTOROWYCH wrażliwe na np. deformację błony komórki (dotyk), światło lub inne przekształcają energię bodźca w impuls nerwowy współdziałają z układem drugiego przekaźnika. Alberts et al. 2006

47 POTENCJAŁ NA RÓŻNE SPOSOBY SPOSOBY ELEKTRYCZNEJ ODPOWIEDZI KOMÓRKI NA BODZIEC wynikające ze zróżnicowanego wyposażenia błony w kanały i receptory Aktywność spontaniczna (III, V) lub odpowiedź wywołana bodźcem (I, II, IV, V) Depolaryzacja lub hiperpolaryzacja (I) Odpowiedź stopniowana (I) lub typu wszystko albo nic - iglicowa (II) Reakcja pojedyncza (II) lub salwami (V) I II III IV V A-KCh IR-KCh, CaCh K(Ca)Ch, CaCh

48 WŁÓKNO WŁÓKNU NIERÓWNE Klasyfikacja i własności aksonów w zależnośći od budowy i funkcji za to też Nobel dla Erlangera i Gassera (1944) Neurylemma -1 m; Mielina - 3 m, Międzywęźle m, Osłonka/Akson - 0,6-1,0 Typ E-G Erlanger - Gasser Typ L-H Lloyd - Hunt Srednica [ m] Szybkosc [m/s] A I a, b Mielina Wrazliwosc na hipoksje Wraziwosc na znieczulenie Funkcja czuciowa Funkcja ruchowa Specyfika motoneuron alfa, wrzecionka A II somatosensoryczne A motoneuron gamma A III cieplo, zimno, ból B przedzwoj. autonom. Cs - 0,3-1,3 Cdr IV 0,4-1,2 0,7-2,3 0,5-2, zazwojowe sympat korzonek grzbiet

49 KŁOPOTY Z MIELINĄ Typy aksonów (włókien nerwowych) w zależności od budowy osłonek Przewodzenie pobudzenia w komórce zależności od budowy aksonu bez osłonki osłonięte komórką glejową lub jej wytworami - mieliną nagie bezrdzenne rdzenne osrodkowe bezmielinowe przewodzą wolno, w sposób ciągly, z dekrementem - stratami - zanikaniem mielinowe rdzenne obwodowe przewodzą szybko, w sposób skokowy, bez strat

50 ROZPRZESTRZENIANIE POTENCJAŁU A BUDOWA WŁOKNA Przewodzenie skokowe bez dekrementu Przewodzenie ciągłe z dekrementem

51 O pożytkach z kanałologii Co daje wiedza na temat kanałów i pobudliwości 1. Rozumienie podstaw neurotoksykologii (ochrona roślin, medycyna i wojna ) 2. Praktykę w neurofarmakologii 3. Rozumienie mechanizmów pobudliwości jako relacji przyczynowo-skutkowych (Czy każdy powinien? Jeśli ktoś nie chce, nie musi, ale niech nie zabiera głosu w sprawach mechanizmów psychologii) 4. Wyjaśnienie mechanizmów pamięci na poziome komórkowym i molekularnym: a w konsekwencji możliwość naprawiania uszkodzeń - patrz dalej

52 O pożytkach z kanałologii I co z tego?

53 Pamięć bodźce Co to jest pamięć Wg Donalda Hebba to modyfikacja oddziaływania synaps Co to jest bodziec bezwarunkowy (BB, US)? To nie jest mięso dla psa Pawłowa! To bodziec nieobojetny, naruszajacy homeostazę (kara fizyczna lub fizyczna nagroda) Co to jest bodziec warunkowy (BW, CS)? To nie jest dzwonek dla psa Pawłowa! To każdy bodziec obojętny, nie naruszający homeostazy.

54 PAMIĘĆ SEKWENCJA ZDARZEŃ Pamięć to (wg Donalda Hebba) zmiana siły oddziaływania na siebie układu neuronów, która powstała w wyniku ich wcześniejszej aktywności, szczególnie wynikająca ze współistnienia różnych aktywności, która prowadzi do zmian struktury układu. Pamięć (wg Endela Tulvinga oraz Neala Cohena, Larryego R.Squire, Daniela L. Schactera) dzieli się na: refleksoryczną - pamięć czynności, odruchowoproceduralną, warunkowo-odruchową, wyuczalną metodą prób i błędów w wielu powtórzeniach sprawozdawczą - pamięć deklaratywną, epizodów, świadomą, pamięć asocjacji powstającą w jednej próbie emocjonalną - pamięć kontekstu uczuciowego nagrody lub kary w konkretnej sytuacji, szybko kształtowaną

55 PAMIĘĆ SEKWENCJA ZDARZEŃ Behawioralne aspekty uczenia: bodziec bezwarunkowy - istotny, nieobojętny, kara lub nagroda, zmienia stan organizmu bodziec warunkowy - sam w sobie obojętny, nie wpływa na stan, ale może zapowiadać pojawienie się bodźca bezwarunkowego sensytyzacja - forma uczenia zwiększająca czasowo pobudliwość na wszystkie bodźce, zachodzi w sekwencji: jednorazowy bodziec bezwarunkowy - reakcja - bodziec warunkowy - reakcja habituacja - forma uczenia zmniejszająca czasowo pobudliwość na powtarzające się obojętne bodźce, zachodzi w sekwencji: powtarzający się bodziec obojętny brak reakcji warunkowanie - warunkowanie klasyczne i instrumentalne zachodzi w sekwencji: bodziec obojętny - bodziec istotny - reakcja bodziec obojętny -reakcja

56 PAMIĘĆ SEKWENCJA ZDARZEŃ Sensytyzacja BB R Wz BW R Habituacja n [BW R? (Wz)] BW Ø Warunkowanie n [BW BB R Wz] BW R Pamięć trwała BW 1 + BW 2 ( R )

57 Jak uczą się ślimaki Miejsce akcji - łuk odruchu wciągania skrzeli u Aplysii a ściślej synapsa akso-aksonalna BW BB Syfon Głowa Neuron czuciowy I 5-HT Interneuron Glu 5-HT Glu Glu Mięsień retraktor skrzeli Glu Motoneuron Neuron czuciowy II

58 Co się dzieje 1 - Zwykła reakcja Zwykły bodziec bezwarunkowy zamach na skrzela bodziec - reakcja Glu BB Syfon Glu Glu Glu Głowa Neuron czuciowy II

59 Co się dzieje 2 - Habituacja Bodziec warunkowy faluje sobie woda n depolaryzacja I Ca [Ca 2+ ] in K(Ca)Ch g K słaby powtarzający się bodziec reakcja wygasa Glu n BW Syfon Glu Głowa

60 Co się dzieje 3 - Sensytyzacja Zwykły bodziec bezwarunkowy po głowie 5-HT c-amp Kinaza KCh~P g K uczulenie synapsy Syfon 5-HT BB Głowa 5-HT

61 Co się dzieje 4 Sensytyzacja cd. Słaby bodziec silna reakcja Glu BW Syfon Glu Glu Glu Głowa Neuron czuciowy II

62 Co się dzieje 4 - Warunkowanie Sumowanie bodźców bezwarunkowego i warunkowego najpierw: n BW habituacja + [Ca 2+ ] in + kalmodulina potem: BB AC-(kalmodulina Ca 2+ ) c-amp Kinaza KCh~P g K wreszcie: BW n+1 iiiii!!!! Glu n BW Syfon Glu BB Głowa