Neurobiologia wybrane zagadnienia neuroscience

Transkrypt

1 Neurobiologia wybrane zagadnienia neuroscience Dariusz Adamek Zakład Neuropatologii CM UJ Materiały do wykładów z neurobiologii dla studentów Wydziału Lekarskiego i Stomatologii CM UJ Materiały stanowią własność autora (w rozumieniu praw autorskich) i mogą być wykorzystywane jedynie jako pomoc i podstawa do przygotowania się do zaliczenia przez studentów zajęć fakultatywnych z zakresu neurobiologii, którym zostały udostępnione nieodpłatnie. 1

2 Informacje wstępne Przydatne teksty/materiały: Książka : Wokół depresji. Problemy farmakoterapii depresji i współistniejących schorzeń Dariusz Adamek, Gabriel Nowak (red.) Rozdziały: Rozdział I D.Adamek: Neurotransmisja neurotransmitery. Układy monoaminergiczne w mózgu. Rozdział II D.Adamek: Podstawy neurobiologii emocji i zaburzeń afektywnych. Rozdział XV: D.Adamek, B.Tomik: Podstawy neuropatologii schorzeń neurodegeneracyjnych. Neurobiologia: rys historyczny pierwsze lecznicze trepanacje zaczęli wykonywać starożytni Egipcjanie, którzy jednak preparując zwłoki nie poświęcali mózgowiu szczególnej uwagi (serce było centralnym narządem). pierwszym który powiązał przeżycia psychiczne z mózgiem był Hipokrates od Galena uważano, że mózg wywiera wpływ na mięśnie poprzez pompowanie płynu (z komór) do mięśni przez nerwy na przełomie XVIII i XIX Galvani i du Bois-Reymond odkrywają, że przepływ pobudzenia przez nerwy odbywa się za pomocą zjawisk elektrycznych. na początku XIX w. Charles Bell oraz Francois Magendie ustalili, że przed wejściem nerwów do rdzenia następuje separacja włókien czuciowych i ruchowych Szczególnie ważne postacie w historii nauki o układzie nerwowym przełomu XIX i XXw: Paul Broca: odkrywając związek miedzy uszkodzeniem szczególnego obszaru płata czołowego z afazją motoryczną dał podwaliny do poszukiwań lokalizacji określonych ośrodków kontrolujących określone funkcje. Camillo Golgi: teoria retikularna ( syncytialna ) neurony tworzą anatomicznie ciągłą sieć na podobieństw układu krążenia Ramon y Cajal: doktryna neuronalna każdy neuron jest niezależną komórką Charles Sherrington: postulat synapsy (zobaczono je 50 lat później w ME), zdefiniowanie pojęcie odruchu. Przepływ informacji w systemie nerwowym. Cz.I. Geneza potencjału błonowego i potencjału czynnościowego. Przewodnictwo nerwowe. Elektryka układu nerwowego - Równanie Nernsta równanie potencjału równowagi dla określonego jonu t.j. równowagi między gradientem stężeń i gradientem elektrycznym: na przykładzie potasu (po prawej wersja uproszczona dla temp. 37 st. C) R= stała gazowa (8,315 J K-1 mol -1); E K RT zf [ K ] ln [ K O ] i E K [ K ] 61,5mV Log 10 [ K O ] i Dla [K+ zew ]/[K+ wew ] = 4/155 = 0,026 Log10 0,026 = -1,58 a zatem 61,5 x ( 1,58) = -97,7 mv EK = -97,7mV (potencjał równowagi dla K) J K K mol zc mol J K K mol mol zc J zc V(wolt) z F = stała Faraday a (96485 Culombów/mol) T=temp.Kelvina; z = wartościowość jonu Culomb = 6x1018 ładunków; V = J/C (wolt = Joul / Coulomb) Ponadto ln(x) = Log10(x) / Log10e = Log10(x) / 0,434; L Avogadry = 6 x 1023 mol-1 K+ o = stężenie pozakom K+, K+ i = stężenie wewnkom. K+ 2

3 Gdy uwzględnimy inne jony (ich stężenia wewnątrz i zewnątrzkomórkowe) oraz względne różnice ich przepuszczalności przez błonę komórkową możemy obliczyć tzw. potencjał spoczynkowy błony komórkowej (zob. Równanie Goldman-Hodgkin-Katz). Jest on wartością wypadkową i co za tym idzie różni się od potencjału równowagi dla potasu (jak również od pozostałych jonów!) Różne populacje komórek w CSN mają różne wartości potencjału spoczynkowego. Wartości mogą zależeć od pory dnia, np. neurony wzgórza są hyperspolaryzowane w nocy zmniejszając w ten sposób impulsację dokorową. Równanie Goldman-Hodgkin-Katz: Hodgkin i Katz eksperymentem (na aksonie kałamarnicy) ze zmianą stężenia pozakomórkowego K ustalili, że potencjał równowagi zachowuje się prawie zgodnie z równaniem Nernsta, Błona komórkowa jest zatem znacznie bardziej przepuszczalna dla K niż dla innych jonów i że to właśnie potas najbardziej wpływa na zachowanie potencjału błonowego równanie wyznacza potencjał spoczynkowy komórki uwzględniając najważniejsze jony i ich relatywne (w stosunku do potasu) przepuszczalności P K :P Na :P Cl V m RT F p ln p K K [ K [ K ] O p ] p i Na Na [ Na [ Na ] O pcl[ Cl ] ] p [ Cl ] i Cl O i Względne przepuszczalności dla jonów P K :P Na :P Cl pozostaja w nastepującej relacji: P K :P Na :P Cl = 1:0,02:0,45 Indeksy o oraz i przy nawiasach kwadratowych oznaczają odpowiednio, że stężenie danego jonu odnosi się do przestrzeni pozakomórkowej ( O - outside) i wewnatrzkomórkowej ( i inside) Ciekawostka - Potas może zabijać Mikstura do wykonywania wyroku śmierci w niektórych stanach USA (tzw. lethal injection): thiopental sodium 6 g, pancuronium bromide 150 mg, potassium chloride 360 meq KCl podawany iv ponad 20 miliekwiwalentów/h jest toksyczny. (nie powinno się przekraczać 80 meq/dobę a ponadto maksymalnie 40mEq/godz) Podawanie uśmiercające jest szybkie a jego skutkiem jest zaburzenie czynności elektrycznej serca (indukcja cardiac arrest). Pompy jonowe i białka transporterowe pompy jonowe : 3Na+-2K+-ATPaza Ca++-Mg+-ATPaza H + - ATPaza (pompa protonowa obecna m.in. w pęcherzykach synaptycznych) Wymieniacze jonowe: operują głównie kosztem Na+ a zatem pośrednio korzystające z energii gradientu elektrochemicznego wynikającego z różnicy Na wytworzonej przez Na/K ATP-azę: Wymieniacz 1Ca++- 1Na+ Wymieniacz 1Cl- - 1Na+/HCO3 - Wymieniacz 1H+- 1Na+ Wymieniacze Na+/transportery neurotransmiterów Kotransportery jonowe: 3

4 KCC2 (usuwa chlor wraz z potasem z komórki u płodów i noworodków brak lub słaba aktywność) NKCC1 (wprowadza do komórki sód wraz z chlorem i potasem) Kanały jonowe Kanał jonowy to rodzaj poru w błonie komórkowej, kontrolowanego przez otwierające się i zamykające bramki Typy kanałów jonowych (również w błonach organelli wewnątrzkomórkowych): napięciowo-zależne aktywowane ligandem (mniej selektywne niż poprzednie) aktywowane fizyczną zmianą kształtu (rozciąganiem) zależne od temperatury (z rodziny TRP) zależne od kwasowości (ph acid sensing ion channels (ASICs) zależne od cyklicznych nukleotydów (cgmp,camp) aktywowane światłem(channelrhodopsin 1-2 algi) przeciekowe Ruch określonych jonów poprzez błonę komórkową jest formą prądu elektrycznego zależnego od: siły napędowej będącej różnicą potencjału (spoczynkowego lub aktualnego potencjału) Em i potencjału równowagi dla określonego jonu np. dla potasu Ek np. dla prądu potasowego: Em Ek. Jeśli Em = Ek prądu nie ma. Przewodnictwo błony dla określonego jonu (de facto jest to odwrotność oporu elektrycznego zgodnie z prawem Ohma tj. I = V/R). Dla potasu prąd określi równanie: Ik= gk (Em Ek) gdzie Ik oznacza prąd jonowy potasu; gk oznacza przewodnictwo dla potasu (g = 1 Siemen gdy 1 volt powoduje przepływ 1 ampera) przewodnictwo (conductance) przelicza się na powierzchnię błony w cm2 Makroskopowy prąd jest sumą mikroskopowych prądów pojedynczych (napięciowozależnych) kanałów Makroskopowe prądy potasowe do zewnątrz (outward) są również zsumowanymi prądami kanałów potasowych Techniki badania kanałów jonowych Technika voltage-clamp (Hodgkin i Huxley) Wyjaśniono dzięki niej mechanizm m.in. potencjału czynnościowego jako zjawiska, które można wytłumaczyć i opisać poprzez zmieniające się w czasie właściwości przewodności błony komórkowej dla poszczególnych jonów Technika patch-clamp (Erwin Neher, Bert Sakmann 1976) umożliwiła badanie przepływów jonowych (prądów) dla indywidualnych kanałów jonowych. ostatecznie udowodniła istnienie kanałów jonowoselektywnych a jednocześnie potwierdziła wcześniejsze postulaty odnośnie istnienia takich kanałów proponowane przez Hodgkina i Huxley a Napięciowo-zależne kanały K + w porównaniu do kanałów Na + : podobieństwa jonoselektywność zarówno kanał potasowy jak i sodowy posiadają voltage sensor strukturę wyczuwającą napięcie (zależność prawdopodobieństwa otwarcia od napięcia) zamykanie kanałów Na i K przez hyperpolaryzację oraz różnice w kinetyce otwarcia depolaryzacja w kanale Na prowadzi oprócz otwarcia także do jego inaktywacji ale nie w przypadku kanału potasowego 4

5 -wykryto również takie napięciowozależne kanały Na które nie są inaktywowane depolaryzacją i prowadzące do długotrwających Pcz (blokowane przez lidokainę, benzokainę) Ciekawostka Potrawa z ryby może znieczulać a nawet zabijać Tetrodotoksyna (TTX) wytwarzana przez ryby typu puffer fish blokuje napięciowozależne kanały sodowe tym samym blokując przewodnictwo nerwowe. Kanały potasowe kanał K+ jest tetramerem Miejsce w kanale, które ze względu na największe przewężenie jest bramkarzem nazywane jest filtrem selektywności ; jest wspólne dla całej rodziny kanałów potasowych przez kanał potasowy przechodzą tylko nieuwodnione jony K+ Kanały potasowe są najbardziej zróżnicowane (np. czasem inaktywacji od milisekund do minut). Wyróżnia się wiele szczególnych podtypów (podgrup kanałów potasowych) np: 1.Kanały potasowe napięciowozależne 2.Kanały potasowe wapniowo-zależne Maxi K ps, blokowane przez charybdotoksynę (ze skorpiona) Kanały o pośrednim przewodnictwie (18-80 ps) aktywowane obrzękiem komórek małe kanały potasowe ps, blokowane przez toksynę pszczół apaminę 3.Dośrodkowe prostowniki (inward rectifiers) M.in. wrażliwe na ATP i blokowane przez glibenclamid i tolbutamid 4.Kanały potasowe z podwójną domeną wewnętrznego otworu (2-pore domain=tandem pore domain, tzw. leak channels) (dimery!) M.in. kanały zależne od ph Kanały Potasowe dowewnątrz prostujące (inwardly rectifying) Wykazują osłabione przewodnictwo w warunkach depolaryzacji i podwyższone w warunkach hyperpolaryzacji. Wspólną cechą jest zdolność do wytwarzania większego dokomórkowego napływu jonów (influx) niż wypływu (efflux). Występuje blokowanie kierunku od czyli wypływu jonów potasowych w warunkach gdy potencjał błonowy jest bardziej dodatni niż potencjał spoczynkowy (depolaryzacja). UWAGA! Pomimo nazwy ( inwardly rectifying ) w praktyce niemal zawsze przepuszczają jony potasowe na zewnątrz (kierunek zależy od wartości potencjału błonowego w relacji do potencjału równowagi dla potasu czyli 80mV). Poznano 7 podrodzin potasowych kanałów prostujących, (K-ir) które różnią się m.in. Stopniem prostowania. K-ir grają istotną rolę w kontroli i regulacji potencjału spoczynkowego oraz wartości potencjału progowego. Pozwalają na dłuższe odpowiedzi depolaryzacyjne np. w sercu (gdzie potencjał czynnościowy trwa msec), Grają rolę w tzw fertilization potential w komórkach jajowych (który trwa minuty). Zapobiegają utracie K + w czasie przedłużonej depolaryzacji i mogą pozwalać na re-entry K + T-tubul w mięśniach. Przykłady chorób spowodowanych nieprawidłowością działania kanałów jonowych Mukowiscydoza: zmutowany kanał chlorkowy. Zesp. Bartter a : mutacja napięciowozależnego kanału chlorkowego brak odpowiedzi na aldosteron. Myotonia congenita: mutacja napięciowozależnego kanału chlorkowego. Cholera: biegunka spowodowana działaniem toksyny bakteryjnej, która pobudza camp w nabłonku jelita i w następstwie pobudza kanał CFTR i w rezultacie wywołuje sekrecję chloru do światła jelita. (w mukowiscydozie toksyna nie działa!). Rodzinna hypoglikemia z hyperinsulinizmem; mutacja ATP-zależnego kanału potasowego w komórkach beta trzustki, która powoduje,że kanał stymuluje wydzielanie insuliny. Zesp. Liddle a: nadaktywność kanału sodowego w nabłonkach wrodzone nadciśnienie. Zesp. Lamberta-Eatona (miasteniczny): przeciwciała przeciw kanałom Ca. 5

6 KANAŁOPATIE mózgowe Nie ma jednoznacznego wytłumaczenia dlaczego określona mutacja kanału jonowego powoduje dane objawy Istnieją różne typy mutacji w danym kanale jonowym różniące się także fenotypowo (objawami). 1. Zaburzenia napięciowo-zależnych kanałów wapniowych (Ca): 1. Familial hemiplegic migraine (FHM) = (rodzinna migrena z hemiplegią) 2. Episodic ataxia type 2 (EA2) 3. X-linked congenital stationary night blindness (CSNB) 2. Defekt kanałów sodowych (Na): 1. Generalized epilepsy with febrile seizures (GEPS) 3. Defekt kanałów potasowych (K) 1. Benign familial neonatal convulsions (BFNC) objawy drgawek zanikają po okresie noworodkowym Potencjał czynnościowy (Pcz) Zmiana stężenia pozakomórkowego sodu prowadzi do wyraźnej zmiany amplitudy Pcz ale prawie nie ma wpływu na potencjał spoczynkowy. (na wartość potencjału spoczynkowego wpływa przede wszystkim stężenie potasu) Stąd wniosek Hodgkina i Katza, że w czasie Pcz następuje gwałtowny wzrost przepuszczalności dla sodu (maksymalna depolaryzacja w czasie Pcz wyznaczona jest wartością potencjału równowagi dla sodu). Pcz w różnych neuronach ma różny kształt ale wnioski z eksperymentów Hodgkina i Katza na kałamarnicy zasadniczo obowiązują wszędzie. Różne kształty Pcz są związane z dodatkowymi prądami (kanałami) jonowymi (Ca-, Kir) Zasadnicza sekwencja potencjału czynnościowego Potencjał czynnościowy rozpoczyna się z chwilą otwarcia się pierwszych kanałów sodowych, kolejne z nich otwierają się lawinowo, ponieważ każde otwarcie kanału sodowego oznacza wprowadzenie do komórki jonów sodu (wchodzą one zgodnie z gradientem dyfuzji). Każda porcja jonów sodu pojawiająca się w wyniku otwarcia kanału sodowego w oczywisty sposób podwyższa potencjał błonowy w kierunku bardziej elektrododatnim (a mówiąc inaczej mniej elektroujemnym ) czyli przyczynia się do dalszej depolaryzacji (i otwarcia kolejnych jeszcze nie otwartych jeszcze kanałów sodowych itd. itd.). Proces ten zatem przebiega w trybie dodatniego sprzężenia zwrotnego ( lawinowo ) doprowadzając lokalny potencjał błonowy komórki do napięcia znacznie przekraczającego 0mV, czyli innymi słowy powodując chwilowe odwrócenie napięcia z normalnie ujemnego na dodatnie. Ten proces limituje wartość potencjału równowagi dla sodu, który waha się w okolicy +50mV, Osiągnięcie wartości potencjału równowagi dla sodu oznacza, że ustaje prąd sodowy w selektywnych kanałach sodowych. Ale błona komórkowa nie musi osiągnąć potencjału równowagi dla sodu aby ustała ucieczka jonów sodu. Kanały sodowe mają jeszcze jedną ważną cechę po otwarciu bardzo szybko automatycznie się zamykają, a dokładniej wchodzą w tzw. stan inaktywacji, co oznacza, że przestają być wrażliwe na depolaryzację. Rezultatem jest tzw. bezwzględna refrakcja, oznaczająca niemożliwość ponownej inicjacji potencjału czynnościowego w czasie, gdy trwa inaktywacja kanałów sodowych a której długość trwania limituje maksymalną częstotliwość przewodzenia potencjałów czynnościowych. Inaktywacja kanałów sodowych otwiera drogę do odbudowania wyjściowej polaryzacji błony czyli do odtworzenia ujemnego potencjału spoczynkowego. Szybki powrót polaryzacji, przejściowo nawet do wartości bardziej ujemnych niż potencjał spoczynkowy (mówimy tu o hyperpolaryzacji) jest rezultatem otwarcia (również napięciowo-zależnych) kanałów potasowych. Otwarcie kanałów potasowych podobnie jak sodowych jest wywołane osiągnięciem wartości potencjału progowego tyle, że w przeciwieństwie do kanałów sodowych kanału potasowe otwierają się z opóźnieniem (co umożliwia fazę depolaryzacyjną potencjału czynnościowego realizowaną przez opisany wyżej dokomórkowy prąd sodowy nie równoważony w tej fazie przez odkomórkowy prąd potasowy). Ponadto w przeciwieństwie do kanałów sodowych, czas otwarcia kanałów potasowych jest długi, co powoduje nie tylko powrót do spoczynkowej elektroujemności wnętrza komórki (oczywiście z uwagi na ponad dwudziestokrotnie wyższe stężenie jonów potasu wewnątrzkomórkowo niż poza-komórkowo, dodatnie jony potasu opuszczają komórkę przez otwarte kanały co powoduje powrót elektroujemności wnętrza komórki) ale także wspomnianą fazę hyperpolaryzacji błony, po której napięcie błonowe powraca do stanu wyjściowego sprzed powstania potencjału czynnościowego. Hyperpolaryzacja ostatecznie zamyka kanały potasowe oraz pozwala na przejście kanałów sodowych ze stanu inaktywacji do zamknięcia (ale już z możliwością ponownego otwarcia, gdy tylko ponownie przekroczony zostanie potencjał progowy), a okres jej trwania charakteryzuje się, co zrozumiałe, utrudnieniem inicjacji potencjału czynnościowego (jest to czas tzw. refrakcji względnej, gdy owszem, może być zainicjowany potencjał czynnościowy, ale wymaga to nieco większej zmiany potencjału błonowego tzn. nieco więcej niż wynika z różnicy między potencjałem spoczynkowym i progowym). Opisana sekwencja zdarzeń rozchodzi się wzdłuż błony komórkowej, co 6

7 najbardziej typowo przebiega w długich wypustkach neuronów zwanych aksonami czyli wypustkami osiowymi. Modulowany częstotliwościowo sygnał, w postaci ciągów potencjałów czynnościowych jest zasadniczym nośnikiem informacji w układzie nerwowym. Kanały sodowe, są celem działania tetrodotoksyny (TTX), neurotoksyny, która je selektywnie blokuje, a która występuje u ryb zwanych fugu ( nadymki albo rozdymki ) będących przysmakiem w Japonii i Korei. Spożycie nieprawidłowo przyrządzonej ryby z tej rodziny może prowadzić nawet do zgonu wskutek uduszenia (porażenie mięśni). Najbardziej obfitująca w TTX jest wątroba ryby ale i inne (jadalne) części zawierają nieco neurotoksyny w niewielkich dawkach powodującej tak bardzo cenione przez smakoszy sensacje np. w postaci uczucia niewielkiego drętwienia języka i warg. Elektrotonus, potencjały elektrotoniczne Potencjały podprogowe (nie wywołujące potencjału czynnościowego) rozprzestrzeniają się biernie (elektrotonicznie) i ulegają osłabieniu wraz z odległością od miejsca ich powstania (np. w błonie postsynaptycznej) i wraz z upływem czasu. Ich poznanie pozwala na zrozumienie przede wszystkim funkcjonowania dendrytów (aksony przewodzą potencjały czynnościowe, nie ulegające dekrementowi). Służy temu formułowanie tzw. obwodów ekwiwalentnych, która to czynność wymaga przyjęcia (niestety) wielu upraszczających założeń np.: wyodrębniony segment wypustki jest walcowaty (ta sama średnica) potencjał elektrotoniczny pojawia się w postaci czymkolwiek spowodowanej zmiany potencjału spoczynkowego, a jego wartość w punkcie zero wynosi V = Vzmieniony - Espocz (także Espocz bywa pomijane) pomijana jest właściwość kondensatorowa błon komórkowych Kablowe właściwości neuronu Równanie kablowe opisuje relację (zmian) napięcia wzdłuż (modelowej) wypustki neuronu w stosunku do odległości i czasu, a jego rozwiązanie: V x = V 0 e x/l V t = V 0 e t/t oznacza tzw. stałą długości i jest to odległość od punktu 0, w której napięcie zmniejszy się do 37% wartości pierwotnej (w punkcie 0 ). Zatem jeśli x= l to Vx=0,37V0 a więc w odległości l napięcie wyniesie 0,37 napięcia początkowego. Większe neurony zwykle wykazują większa pojemność i mniejszą oporność Aksony zmielinizowane tej samej średnicy przewodzą impulsy 100x szybciej niż niezmielinizowane (ale przy średnicy poniżej 1 [mm] niezmielinizowane są szybsze ). Najgrubsze aksony u ssaków o śr. 20 [mm] przewodzą 120 m/s Cienkie, o śr. 1 [mm] przewodzą 5 10 m/s. Empirycznie stwierdzono, że szybkość propagacji potencjału czynnościowego w aksonie zmielinizowanym w metrach/sek. jest równa ich średnicy w mikronach (mikrometrach) pomnożonej przez 6. Zróżnicowanie długości i grubości aksonów i szybkości przewodnictwa Pcz Średnica najgrubszego axonu (squid giant axon) bliska 1 mm a w niezmielinizowanych aksonach korowych ssaków (od 0.08 do 0.4 μm) Axonalne opóźnienie zależy zasadniczo od prędkości Pcz znaczenie dla funkcji integracyjnych (np.. W lokalizacji źródła dźwięku), z od zgrubień aksonalnych podziałów (spowalniają) powtarzanej stymulacji (również spowalnia) wpływu określonych kanałów jonowych Zjawisko zatrzymania propagacji Pcz. w występuje w punktach rozgałęzień aksonu oraz w zgrubieniach i w wejściu do sromy neuronu oraz na skutek powtarzanych stymulacji (akumulacja K pozaaksonalnie i stąd depolaryzacja) może być spowodowane blokowaniem Na/K ATP-azy przez OUABAINĘ (depolaryzacja) oraz przez hyperpolaryzację. Zjawisko cofki Pcz oraz interakcje efatyczne 7

8 U bezkręgowców stwierdzono cofanie się Pcz który wcześniej ulegał prawie wygaśnięciu w miejscach rozgałęzień aksonu (u ssaków stwierdzono to zjawisko w dendrytach). Cofka Pcz powstająca w rozgałęzieniach jest tłumaczona występującym tam opóźnieniem przewodnictwa które przeczekuje okres refrakcji. Pcz w aksonie powoduje zmianę wrażliwości (ekscytatyczności) aksonu sąsiedniego (zwykle początkowo obniżenie potem podwyższenie). Prowadzić to może do synchronizacji przebiegów Pcz w pęczku aksonów są to tzw. wpływy (interakcje) efatyczne. Rola dendrytów Zasada częstotliwościowego kodowania wysyłanej informacji INTEGRACJA NASTĘPUJĄCA W DENDRYTACH WPŁYWA NA OUTPUT Ale badania ostatnich lat udowodniły, że nawet neurony z aksonem mogą używać dendrytów jako środka komunikacji wychodzącej (OUTPUT) jest to udowodnione zwłaszcza u bezkręgowców (np. detekcja ruchu u much mięsnych blowfly) -w świecie bezkręgowców ogromna część neuronów nie ma aksonów! nawet odległe dendryty mogą znacznie efektywniej wpływać na axonal OUTPUT Dendryty stanowią zasadniczy i najważniejszy obszar przetwarzania informacji w neuronie microchip kolce dendrytyczne pełnią funkcje jednostek mikrointegracyjnych (operacje logiczne i liczenia ) sekwestratorów jonów wapniowych (toksycznych dla komórki) maja też udział w mechanizmach pamięci Obecnie wiemy, że miejsce inicjacji potencjału czynnościowego może się zmieniać w kierunku nawet dystalnych dendrytów. wsteczny Pcz może mieć na celu m.in.. resetowanie potencjału błonowego wzmaga on też reaktywność synaps. powoduje w korze mózgowej oddziaływanie GABAergicznych dendrytów interneuronów na zakończenia aksonalne komórek piramidalnych a z kolei glutamatergiczne dendryty komórek piramidalnych oddziałują na zakończenia aksonalne interneuronów te połączenia i związki mogą mieć znaczenie w patogenezie drgawek! Ciekawostka Wg Penrose-Hameroff:mikrotubularny cytoszkielet dendrytów jest miejscem zjawisk kwantowych ( quantum computation ), które wg nich m.in. mają być substratem świadomości, (oddziaływanie na te kwantowe zjawiska wg Hameroff a ma również tłumaczyć działanie wziewnych środków używanych w analgezji). Więcej na ten temat w części III Materiałów w dziale zagadnień kognitywnych. Przepływ informacji w systemie nerwowym cz. II: Neurotransmisja systematyka neurotransmiterów Thomas Elliot (XIX/XX) zaobserwował skurcz nieunerwionych mięśni gładkich pod wpływem epinefryny. Otto Loewi dowody na chemiczną neurotransmisję i na rolę w niej acetylocholiny (Ach) na podstawie eksperymentów z sercem żaby. Rodzaje sygnalizacji międzykomórkowej (nie tylko synaptyczne i nie tylko między neuronami i ich komórkami docelowymi ) Humoralna Parakrynna Autokrynna Efatyczna (poprzez przestrzeń-pozakomórkową) Synaptyczna: elektryczna (m-komórkowe prądy jonowe bezpośrednio poprzez gap junction) Synaptyczna: chemiczna Neurotransmiter ( klasyczne kryteria) Substancja musi być syntetyzowana (obecna) w neuronie 8

9 Musi być obecna w zakończeniach synaptycznych i uwalniana po stymulacji (depolaryzacji) a następnie musi wywoływać reakcję komórki efektorowej (musi być izolowana i identyfikowalna chemiczne lub farmakologicznie) Neurotransmiter musi wywoływać te same zmiany w komórce postsynaptycznej jak stymulacja neuronu presynaptycznego Powinien istnieć swoisty receptor w komórce postsynaptycznej, co oznacza w praktyce, że podając substancję egzogennie można wywołać podobny efekt jak stymulując synapsę, ponadto powinno być możliwe dawkozależne blokowanie przez kompetytywnego antagonistę. Również blokowanie syntezy neurotransmitera powinno blokować efekty stymulacji presynaptycznej Powinien być mechanizm aktywnego usuwania uwolnionego neurotransmitera (enzymatyczny rozkład/transport) Uwalnianie neurotransmitera niemal zawsze (niektórzy formułują Ca-zależne uwalnianie jako jednoznacznie konieczne kryterium) łączy się z napływem Ca++ do zakończenia (musi być wapń w przestrzeni pozakomórkowej) Składowe procesu neurotransmisji 1.Synteza neurotransmitera 2.Magazynowanie n-t w zakończniach presynaptycznych ( klasyczne n-t gromadzą się w mniejszych pęcherzykach - 50nm, peptydowe w większych 100 z gęstym rdzeniem). ponieważ w większości synteza n-t jest w cytozolu istnieje aktywny mechanizm ładowania pęcherzyków 3.Uwalnianie n-t do szczeliny synaptycznej zwykle z udziałem wapnia, może być konstytutywne (bez stymulacji np. czynniki wzrostu) lub stymulowane 4.Wiązanie i rozpoznawanie n-t przez receptor komórki docelowej (receptory jonotropowe i metabotropowe), receptory mogą być na tym samym neuronie (tzw. autoreceptory mech.regulacyjne) 5.Aktywne zakończenie działania n-t (dla klasycznych n-t) enzymatyczna degradacja i/lub wychwyt - jest też pasywne zakończenie działania n-t, poprzez dyfuzję) Neurotransmitery: Neurotransmitery drobnomolekularne: Jasne pęcherzyki nm, ( katecholaminy mają pęcherzyki dense-core) Synteza w strefie synaps, Enzymy syntetyzujące transportowane poprzez slow axonal transport (0.5 5 mm/doba) Neurotransmitery peptydowe (neuropeptydy): Ciemnordzeniowe pęcherzyki nm Synteza w ciele neuronu (ew. modyfikacja prekursorów w strefie synaps) Transport do synaps poprzez fast axonal transport (400mm/doba) Neurotransmitery klasyczne Acetylocholina, Glutaminian, Glicyna, kw. gammaaminomasłowy (GABA), katecholaminowe (adrenalina, noradrenalina, dopamina), serotonina (5-HT) Do klasycznych neurotransmiterów niektórzy zaliczają również: ATP (i inne puryny), neuropeptydy Neurotransmitery nieklasyczne Do nieklasycznych (niekonwencjonalnych) neurotransmiterów zaliczane są: Endokanabinoidy, Tlenek azotu (NO) Szczegółowe uwagi na temat poszczególnych neurotransmiterów Dopamina wraz z adrenaliną, noradrenaliną, należy do amin katecholowych a dodatkowo wraz w/w i z serotonią i histaminą do amin biogennych Hydroksylaza tyrozyny (TH) jest kluczowym enzymem w produkcji amin katecholowych. Neurony albo zwiększają jego syntezę albo aktywność przez fosforylację. Fosforylacja Hydroksylazy tyrozyny zmieniając jej konformację zwiększa jej aktywność a zatem i syntezę katecholamin 9

10 Hydroksylaza tyrozyny jest substratem dla wielu różnych kinaz będących elementami różnych szlaków sygnalizacyjnych które działają poprzez camp, Ca++ lub DAG Dekarboksylaza DOPA odgrywa rolę w syntezie 5-HT jest finalnym enzymem w neuronach dopaminergicznych, Neurony dopaminergiczne znajduja się w: substancja czarna Ventral Tegmental Area Ciekawostka L-DOPA jest kluczowym związkiem w leczeniu ch.parkinsona, (w której jest niedobór dopaminy w prążkowiu) ponieważ w przeciwieństwie do dopaminy przenika przez BBB. Niestety L-DOPA podawana przewlekle hamuje aktywność endogennej dekarboksylazy DOPA w mózgu!!! (hamuje w ten sposób przejście w dopaminę). Załadunek i wyładunek katecholamin Pęcherzyki chronią są przed degradacją. Rola Vesicle Monoamine Transporter (VMAT): VMAT (poznano 2 typy) nie jest wysoko specyficzny, wymaga Mg2+; hamuje go rezerpina (b.stary lek w nadciśnieniu i psychozach rozrywa pęcherzyki i uwalnia monoaminowy n-t) VMAT może też grać rolę w sekwestracji toksyn Uwalnianie n-t: egzocytoza (jest Ca2+ zależna) oraz inne procesy (np. odwrócenie działania transporterów) Rola autoreceptorów w regulacji hamują uwalnianie n-t i prawdopodobnie syntezę. Inaktywacja katecholamin Enzymatyczna: (kiedyś sądzono, że najważniejsza, obecnie uważa się że gra rolę gł tylko we krwi) MAO (monoaminooksydaza) na zewn. Bł. mitochondrialnej COMT (catechol-o-metylotransferaza) Wychwyt n-t przez neurony (najważniejszy sposób inaktywacji katecholamin w mózgu!!!). mimo nazw, nie są bardzo spoecyficzne. DAT = Transporter dopaminy (jest raczej pozasynaptyczny!! Stąd być może katecholaminy działaja nie tylko synaptycznie ale i parakrynnie ; faktycznie b.duże ilości dyfundują poza synapsy) NE-T Transporter norepinefryny (trójcykliczne antydepresanty np. doxepina, imipramina blokują ten transporter) Ponadto znane są mniej swoiste transportery wychwytujące monoaminy (nie tylko katecholaminy) z przestrzeni pozakomórkowej: Tzw. rodzina transporterów kationów organicznych (OCT organic kation transporters) PMAT= plasma membrane monoamine transporter Psychostymulujący efekt kokainy i amfetaminy polega na blokowaniu wychwytu katecholamin (oraz w przypadku kokainy także 5-HT) przez blokowanie transporterów (kokaina szczeg. blokuje DAT). Amfetamina bardziej niż blokująco, działa poprzez odwracanie działania transportera! Histamina Oprócz katecholamin również należy do grupy amin biogennych Główny rejon: nucleus tuberomammillaris hypothalami Promuje aktywność mózgu, wspomaga uwagę UWAGA! Histamina należy też do ważnych mediatorów reakcji zapalnej i alergicznej. Leki antyhistaminowe używane m.in. jako antyuczuleniowe powodują senność i są np. przeciwwskazane przy prowadzeniu pojazdów! Histamina m.in. odgrywa rolę w kontroli układu przedsionkowego Przypuszczalnie histamina może też regulować przepływ mózgowy krwi Transporter pęcherzykowy jest wspólny dla innych monoamin Nie zidentyfikowano swoistego transportera błonowego histaminy ale wraz z innymi monoaminami może być wychwytywana przez transporter(y) z rodziny zwanej organic cation transporter (OCT) Rozkład: metylotransferaza histaminy i MAO 10

11 Wszystkie znane receptory histaminy należą do metabotropowych (sprzężonych z białkiem G) Serotonina (5-HT) Wraz z histaminą i katecholaminami należy do amin biogennych Główny ośrodek serotoninergiczny: n.raphe Bierze udział w regulacji snu i czuwania Aktywacja receptorów serotoniny powoduje m.in. uczucie sytości Mózg zawiera jedynie 1% zasobów(5-ht) Szczególną uwagę zwrócono na 5-HT z powodu jej podobieństwa do LSD i w związku z teoriami, że 5-HT gra rolę w schizofrenii i depresji. Hydroksylaza tryptofanu limituje produkcję 5-HT. Tryptofan dostaje się do mózgu a zwiększenie podaży tryptofanu zwiększa syntezę 5-HT 5-HT nie przechodzi do mózgu ale przechodzi 5-HydroxyTryptofan (5-HTP) Rezerpina zmniejsza również 5-HT w pęcherzykach synapt. SER-T : Transporter serotoniny odpowiedzialny za jej inaktywację poprzez wychwyt jest transporterem o wysokim powinowactwie (jest też spokrewniony z DA-T i NE-T). Selektywnym inhibitorem SER-T jest lek antydepresyjny fluoxetyna (Prozac). Pośrednio wskazuje to także na rolę serotoniny w procesach psychicznych. Aminy biogenne w chorobach psychicznych Pomimo relatywnie niewielkiej ilości neuronów aminergicznych w obrębie CSN ich rola w regulacji stanów psychicznych jest bardzo duża. Rezerpina blokująca wychwyt noradrenaliny i obniżenie ciśnienia krwi a jednocześnie powodująca stany depresyjne zwróciła uwagę na rolę amin biogennych w mechanizmach zjawisk psychicznych (np. nastrój). była też pierwszym lekiem antypsychotycznym Obecnie wiemy, że aktywacja układu dopaminergicznego odgrywa rolę w psychozach i większość leków antypsychotycznych chloropromazyna, haloperidol, benzperidol) w ten lub inny sposób hamuje układ dopaminergiczny (np. blokując receptory dopaminergiczne). Aminy odgrywają też rolę w mechanizmach stanów lękowych inhibitory MAO były wykorzystywane jako leki przeciwlękowe Stany depresyjne : leki przeciwko depresji takie jak inhibitory MAO (fenelezyna), trójcykliczne antydepresanty (desipramina blokująca wychwyt noradrenaliny), blokery wychwytu serotoniny (Prozac), trazodon wszystkie ingerują w przewodnictwo aminergiczne Amfetamina stymulująca uwalnianie noradrenaliny z zakończeń nerwowych powoduje stany (tzw. high ), które można uznać za odwrotność depresyjnego działania rezerpiny! GABA kwas -aminomasłowy) U dorosłych osobników jest głównym hamującym n-terem ale u płodów i noworodków GABA jest pobudzający! (GABA otwiera selektywny kanał dla chloru - skutek otwarcia kanału zależy od wewnątrzkomórkowego stężenia Cl-, a to od aktywności kotrasportera potasu i chloru KCC2) u dorosłych - hyperpolaryzacja po otwarciu kanału - hamujacy IPSP u noworodków i płodów pobudzający (brak kotransportera KCC2!) GABA jest częścią metabolizmu glukozy (w przeciwieństwie do katecholamin). GAD jest enzymem krytycznym dla tworzenia GABA i jest tylko w neuronach GABA-ergicznych Zastanawia przeciwieństwo Glu i GABA przy tym samym szlaku metabolicznym i związku z cyklem Krebsa GABA-T = transaminaza GABA-ketoglutaranu tworzy z a-ketoglutaranu kw.glutaminowy, który w neuronie jest dekarboksylowany przez dekarboksylazę kw.glutaminowego (GAD) do GABA. GAD wymaga kofaktora w postaci fosforanu pirydoksalu (pochodnego vit B6). Niedobór vit B6 prowadzi do niedoboru GABA (drgawki u dzieci niekiedy śmiertelne) Ten sam enzym GABA-T (obecny w mitochondriach ale też w synaptosomach) inaktywuje GABA!!! UWAGA! Z pobudzającego N-T (kw.glutaminowy) powstaje hamujący (GABA) Zatem tylko jedna reakcja chemiczna dzieli związki o całkowicie odmiennym działaniu! Można podać bardzo wiele innych przykładów gdzie tylko jedna drobna (?) zmiana, np. pojedynczego aminokwasu w polipeptydzie całkowicie zmienia jego fizjologiczne własności 11

12 (np. właściwości kanału jonowego w receptorze glutamatergicznym) albo decyduje o fenotypie choroby (zob. materiały na temat genetyki rodzinnej choroby Creutzfeldta-Jakoba i rodzinnej śmiertelnej bezsenności). Glicyna Hamujący NT obecny głównie w rdzeniu Powstaje z seryny (mitochondrialna hydroksymetylotransferaza) Ładowana do pęcherzyków przez ten sam transporter co transporter dla GABA Receptory (wyłącznie) jonotropowe kanały dla Cl (blokowanie przez alkaloid strychninę) Usuwana z przestrzeni pozakomórkowej przez transportery glicynowe (ich mutacja prowadzi do hyperglicynemii choroby wrodzonej i śmiertelnej z sennością, opóźnieniem rozwoju umysłowego, drgawkami) Glutaminian i asparaginian Glutaminian i asparaginian metabolity i neurotransmitery (żaden z nich nie przekracza bariery krew-mózg!) Glutaminian to najważniejszy pobudzający NT Powstaje na drodze różnych przemian chemicznych ale głównie z alfa-ketoglutaranu (z cyklu Krebsa) oraz z glutaminy. Po uwolnieniu z błony presynaptycznej jest wychwytywany przez astrocyty za pomocą specjalnych białek transporterowych. W astrocytach ulega przemianie do glutaminy i która powraca do neuronu gdzie przekształcana jest ponownie w glutaminian. Nadmierne uwalnianie glutaminianu lub niefektywny wychwyt prowadzą do tzw. ekscytotoksycznego uszkodzenia tkanki mózgu i odgrywa rolę w wielu chorobach OUN Glutaminian działa poprzez receptory jonotropowe i metabotropowe Acetylocholina (pierwszy poznany n-t) Najprostsza synteza ze wszystkich n-t ChAT acetylotransferaza choliny - marker neuronów cholinerg. Ac-CoA pochodzi z pirogronianu i poprzez pirogronian wiąże syntezę Ach z metabolizmem glukozy, Cholina wnika do neuronu z pomoca aktywnego transportu ((transporter Na + /cholina o wysokim powinowactwie) Esteraza acetylocholiny działa pozakomórkowo i sama może być przypuszczalnie neurotransmiterem Receptory cholinergiczne Receptory nikotynowe (jonotropowe); 40 typów; w złączu N-M Receptory muskarynowe (metabotropowe), gruczoły. M-oka Inaktywacja Ach poprzez enzym acetylocholinoesteraza (AChE) hydrolizująca Ach. Substancje blokujące Ach-esterazę prowadzą do akumulacji Ach i depolaryzacyjnej inaktywacji mięśni są to: sarin ( nerve gas ) zw. fosforoorganiczne (insektycydy np. parathion), Kompetycyjne blokery służą do zwiotczenia w anestezji (sukcynylocholina - prototypowy zwiotczający lek depolaryzujący) i jako leki w miastenii Cholinergiczne neurony aktywującego układu siatkowatego na pograniczu mostu i śródmózgowia odgrywają kluczową rolę w regulacji aktywności mózgu (czuwanie kontra sen). Puryny: ATP, AMP, adenozyna ATP jest obecne niemal we wszystkich pęcherzykach synaptycznych ( co-transmiter?) Pozakomórkowe podawanie puryn może wywołać odpowiedzi elektryczne neuronów (lata 20-ste!) ATP działa pobudzająco w motoneuronach rdzenia w zwojach autonomicznych i czuciowych, w hipokampie Puryny odgrywają rolę w przewodzeniu bólu i mechanorecepcji jednak w większości ich funkcja jest nieznana Kofeina i teofilina blokują receptory purynergiczne (obecne w całym mózgu) Adenozyna nie jest obecna w pęcherzykach a zatem jest nieklasyczna Neuropeptydy N-T peptydowe podobnie jak klasyczne są identyczne pomiędzy gatunkami, magazynowane są w pęcherzykach i uwalniane w sposób zależny od Ca2+, jednak inna jest biosynteza i inaktywacja. Obecnie wiadomo, że neuron może dysponować 2 lub więcej neurotransmiterami Peptydy aktywują receptory w niskich stężeniach (mili i mikromolowych) 12

13 Neuropeptydy powstają jako tzw. pre-propeptydy, następnie przetwarzane do propeptydów (proteoliza) i ładowane do pęcherzyków gdzie zachodzą ostateczne przemiany (powstają definitywne formy neuropeptydu oraz ich modyfikacje np. fosforylacja, glikozylacja) Zwykle w pęcherzyku są różne pochodne peptydy (i uwalniane są razem) Peptydowe N-T nie mają specyficznego wychwytu i są inaktywowane przez dyfuzję i enzymatyczny rozkład (który nie jest swoisty dla określonego peptydu ale np. dla dipeptydu). produkty dezaktywacji mogą też być aktywne Niektóre wybrane neuropeptydy: Substancja P -czucie bólu i temperatury Substancja P: działanie hipotensyjne; 11-aminokwasów (odkryta 60 lat temu jako Powder extract mózgu i jelita) tzw. brain/gut peptide (hipokamp, neocortex, jelito, aferentne włókna C z dróg czucia bólu i temperatury) W rdzeniu antagonistycznie do substancji P działają opioidy Szereg innych neuropeptydów jest kodowanych przez ten sam gen co gen substancji P (neurokinina A, neuropeptyd K i neuropeptyd gamma) Receptory dla Neurokinin i substancji P to metabotropowe receptory NK1, NK2, NK3 Antagonista NK1 aprepitant jest nowym lekiem przeciwwymiotnym blokującym area postrema Opioidy -dzielą się na 3 grupy (pochodzące z 3 osobnych odpowiednio genów): endorfiny, enkefaliny, dynorfiny -atagoniści substancji P -grają rolę w percepcji bólu (działają na te same receptory co morfina) -uważa się, że ich wydzielanie jest podstawą efektu znieczulającego akupunktury -grają rolę w zachowaniach seksualnych oraz agresyjno-submisywnych, być może także w schizofrenii i autyzmie Receptory opioidów (wszystkie metabotropowe): µ, δ, κ Melanocyte Stimulating Hormone, ACTH, beta-endorfina reakcje na stress Neuropeptyd Y odgrywa rolę w regulacji zachowań pokarmowych (sytość, otyłość). Z rodziny obejmującej: Neuropeptyd Y, peptyd YY, pancreatic polypeptide Należy do najwazniejszych polipeptydów w autonomicznym, obwodowym i centralnym układzie nerwowym Współwystępuje z noradrenaliną w neuronach układu sympatycznego Działa obkurczająco na naczynia Stymuluje przyjmowanie pokarmów W trakcie badań jest szereg niepeptydowych antagonistów receptorów NPY Orexyny A i B -utrzymywanie stanu czuwania - badania u ludzi wskazują na rolę orexyn w narkolepsji (u narkoleptyków nie ma orexyn w CSF) -stymulacja jedzenia przez oreksyny jest słabsza od NPY ale o dłuższym działaniu. -powodują wzrost zużycia tlenu, spadek poziomu prolaktyny i GH oraz wzrost kortykosteronu w osoczu. -wpływają na układ autonomiczny m.in. Powodując wzrost ciśnienia krwi i częstości akcji serca. Calcitonine gene related peptide (CGRP) 37 aminokwasów, 30% homologiczny do łososiowej kalcytoniny Wraz z kalcytoniną w kk. C tarczycy, w układzie autonomicznym i enteralnym Włókna czuciowe czucia somatycznego Silnie wazodilatacyjny i hypotensyjny Może towarzyszyć substancji P lub Ach Prawdopodobnie odgrywa główną rolę w odruchu aksonalnym na uraz mechaniczny tkanki 13

14 Rola w patogenezie migreny - wydzielany przez włókna nerwu V (agoniści serotoninowego receptora normalizuja poziom CGRP, antagonista receptora CGRP BIBN4096BS wchodzi w użycie jako lek przeciw migrenie ) Endokanabinoidy (EK) Uważane są za nieklasyczne neurotransmitery bo nie są magazynowane w pęcherzykach a często biorą udział w sygnalizacji wstecznej (uwalniane są z komórki postsynaptycznej i następnie dyfundują do komórek) Znane są 2 substancje (endokanabinoidy): anandamid oraz 2-arachidonylglicerol (2-AG) reagują z receptorem egzogennego aktywnego składnika marihuany: delta 9 -tetrahydrokanabinolu Endokanabinoidy (EK) są wychwytywane przez aktywny transport i hydrolizowane. EK synetyzowane i uwalniane pod wpływem Ca++ hamują wstecznie wydzielanie neurotransmiterów (np. GABA) w synapsach Głównym receptorem EK jest receptor CB1 jest to receptor typu metabotropowego (GPCR) spokrewniony z metabotropowymi receptorami Ach. Receptory dla EK są szczególnie liczne m.in. w substantia nigra oraz skorupie (caudate putamen). Syntetyczny cannabinoid dexanabinol próbowany m.in. w neuroprotekcji po urazie mózgu lub rdzenia Antagonista cannabinoidów Rimonabant prawdopodobnie będzie w prowadzany w leczeniu uzależnienia Inne neurotransmitery niekonwencjonalne NO i CO Azotany, nitrogliceryna znane od dziesiątków lat jako rozszerzające naczynia. (NO jest stymulowany także przez Glu w mózgu prowadząc do wazodilatacji!). wątpliwości co do roli n-t nie jest magazynowany, nie ma receptora, nie ma mechanizmu inaktywacji, NO stymulując cyklazę guanylową powoduje wzrost cgmp (podobnie jak Glu, który w ciągu sekund 3x wzmaga aktywność NOS) NO w szlaku pobudzenia: Ach w endotelium stymuluje szlak IP3 prowadząc do wzrostu Ca2+. Ca2+ aktywuje NOS. NO dyfunduje z endotelium do mięśniówki gładkiej naczynia gdzie aktywuje cyklazę guanylową i produkcję cgmp. cgmp aktywuje GMP-zależne kinazy proteineowe co prowadzi do rozluźnienia mięśnia. CO: powstaje przy degradacji hemu i razem z NO bierze udział np. w neurotransmisji w jelicie (zwiększają relaksację, a u knock-outowych myszy relaksacja jest skrócona ). Rola NO, NOS i cyklazy guanylowej NO relaksacja mięśniówki gładkiej w obwodowych naczyniach, oraz mięśniówki w jelicie, zabijanie obcych komórek w makrofagach. jest głównym stymulatorem cgmp (może również działać niezależnie od cgmp np. uwalnianie N-T) Konstytutywna NOS w neuronach i w endoteliach Indukowana NOS w makrofagach stymulowana przez cytokiny inos jest związana z kalmoduliną i działa w warunkach niepodwyższonego poziomu Ca2+ nnos jest silnie aktywna w komórkach ziarnistych móżdżku i dlatego NO aktywując cyklazę guanylową w kk.purkinjego i powodując wzrost cgmp indukuje Long-Term Depression. Nitrogliceryna i nitroprusydek sodu są dawcami NO i wzmagając cgmp rozluźniają mięśniówkę naczyń prowadząc do obniżenia ciśnienia krwi. 2 typy cyklazy guanylowej: cytozolowa błonowa jest receptorem dla neuropeptydów takich jak atrial natriuretic peptide i brain natriuretic peptide Czynniki wzrostu jako niekonwencjonalne N-T 14

15 Mogą wpływać na neurony presynaptyczne, kontrolują rozwój, różnicowanie i utrzymywanie neuronów. Ich ekspresja jest stymulowana lub hamowana przez aktywność i inne N-T (np. Glu i Ach podwyższa ekspresję BDNF i NGF a GABA obniża.) Rodzaje: BDNF (brain derived neurotrophic factor) może być magazynowany w pęcherzykach NGF (nerve growth factor) Neurotrofina-3 (NT-3) Ich uwalnianie jest: konstytutywne stymulowane depolaryzacją (aktywnością neuronu). Jest to uwalnianie niezależne od zewnątrzkomórkowego Ca2+ (jak w klasycznych N-T) ale od zapasów wewnątrzkomórkowego Ca2+. Neurotransmisja Synapsy Synapsa chemiczna pozwala wielokrotnie wzmacniać sygnał oraz umożliwia wieloczynnikową regulację transmisji i w związku z tym procesy adaptacyjne i( PLASTYCZNOŚĆ SYNAPTYCZNA ). Potencjał czynnościowy uwalnia N-T który łącząc się z receptorem powoduje w zależności od typu kanału jonowego pobudzający (EPSP) lub hamujący (IPSP) postsynaptyczny potencjał. Depolaryzacja przesuwa potencjał błonowy w kierunku progu potencjału czynnościowego lub odwrotnie - hyperpolaryzacja. Z pojedynczego pęcherzyka ( magazynu ) uwalnia się ok molekuł N-T powodując powstanie tzw. MINI- EPSP lub MINI-IPSP Gradient protonowy (dzięki ATPazowej pompie protonowej) jest dostarczycielem energii do transportu N-T do wewnątrz pęcherzyków (realizowanemu przez transportery N-T). Jest 5 typów transporterów przenoszących drobnomolekularne N-T do pęcherzyków: 1) dla Ach, (VAChT = vesicular acetylocholine transporter) 2) dla monoamin [katecholaminy/serotonina/histamina] (VMAT= vesicular monoamine transporter), 3) dla glutaminianu, (VGLUT= vesicular glutamate transporter) 4) dla [GABA/glicyny] (VIAAT= vesicular inhibitory amino acid transporter). 5) dla ATP (VNUT= vesicular nucleotide transporter) Transportery mają pokrewieństwo z bakteryjnymi transporterami odpowiedzialnymi za odporność przeciw lekom. Są różne od transporterów błonowych wychwytujących N-T z przestrzeni pozakomórkowej. Neurotransmitery peptydowe sa ładowane do pęcherzyków w ciele neuronu (tam gdzie sa syntetyzowane) i wraz z pęcherzykami transportowane transportem aksonalnym do zakończeń synaptycznych, w których załadowywane są N-T drobnomolekularne. Wśród pęcherzyków synaptycznych można wyróżnić podgrupy : Gotowe do uwolnienia 2% Pula recyklingu 10-20% Odnawianie z udziałem clathrin trwa sekundy Pula rezerwowa 80-90% (synapsin wiąże je z białkami cytoszkieletu, silny sygnał wapniowy uaktywnia fosforylacje synapsin co uwalnia od cytoszkieletu) pula rezerwowa jest przemieszana z pula recyklingujacą Inna droga recyklingu puli rezerwowej (poprzez tworzenie cystern) trwa minuty Uwalnianie neurotransmitera Opóźnienie między PCz i uwolnieniem N-T wynosi mniej niż 0,2 msek. (a w złączu n-mięśń. upływa ok.. 0,5msek). Uważa się, że istnieją gotowe do fuzji kompleksy pęcherzyków-błony synaptycznej, dla których Ca2+ jest jedynie wyzwalaczem nagłych zmian konformacyjnych prowadzących do otwarcia pęcherzyka. Stężenie Ca2+ zdolne do aktywowania egzocytozy pęcherzyków gwałtownie spada nieco dalej od kanałów wapniowych (buforowanie Ca przez cytozol) 15

16 Uważa się, że rolę detektora Ca2+ prowadzącego do uwolnienia N-T z pęcherzyka gra synaptotagmina Potencjał czynnościowy (PCz) powoduje otwarcie kanałów wapniowych (Ca2+ wewnątrzkomórkowe jest zaledwie rzędu 100nM, po otwarciu kanałów skacze do 100mM lub więcej tuż przy kanale). Dwuwartościowe kationy takie jak Co2+ lub Mn2+ blokują transmisję. Zespół miasteniczny Lamberta-Eatona: (głównie paraneoplastyczny) jest spowodowany przeciwciałami przeciwko presynaptycznym napięciowo-zależnym kanałom wapniowym Białka pęcherzyków synaptycznych Skład i budowa pęcherzyków zostały dość dobrze poznane (nie zależą od rodzaju transmitera) Białka lepiej poznane i/lub ważniejsze z nich to: ATP-azowy transporter protonów - Zakwasza światło pęcherzyków (gradient umożliwiający ładowanie n-t) Transportery pęcherzykowe dla poszczególnych N-T (umożliwiają wypuszczenie protonów w zamian za n-t) Synaptofizyna: funkcja nieznana (ale wykorzystywana w diagn. histopatologicznej) Synapsyna: łączy pęcherzyki z puli rezerwowej z białkami cytoszkieletu Synaptotagmina: łączy się z błonowymi białkami kompleksu SNARE (syntaxin) i prawdopodobnie pełni rolę sensora Ca2+ (a calmodulina może pełnić rolę modulacyjną). SNARE complex jest to kompleks 3 białek koniecznych dla prawidłowego działania uwalaniania NT z pęcherzyków Toksyny blokujące uwalnianie N-T (toksyny Gr+ pałeczek beztlenowców Clostridium) botulinowe i tężcowa są enzymami proteolitycznymi tnącymi komponenty SNARE Biologia kwantowa neurotransmiterów Quantal size = jednostkowa odpowiedź na uwolnienie 1 kwantu N-T (w postaci amplitudy sygnału elektrycznego w komórce postynaptycznej) Quantal content = średnia ilość kwantów uwalnianych przez pojedynczy impuls Potencjał czynnościciowy podnosi prawdopodobieństwo egzocytozy N-T i uwolnienia kwantu N-T Kwant N-T daje w przybliżeniu ten sam efekt elektryczny w kom.postsynaptycznej ( quantal size = Q ) Kwanty N-T mogą sumować się liniowo dając wielokrotność jednostkowej odpowiedzi (czyli quantal size ) Średnia ilość uwolnionych kwantów m ( quantal content ) N-T m jest określona równaniem: m = n p gdzie -n=ilość dostępnych kwantów; -p=prawdopodobieństwo uwolnienia kwantu Przeciętna odpowiedź na bodziec jest iloczynem (Q m)(= Qnp) Złącze nerwowo-mięśniowe: Pojedynczy potencjał czynnościowy motoneuronu uwalnia nawet 300 kwantów N-T Każdy receptor posiada przewodnictwo o wartości 25 ps i otwiera się na 1,5 ms. (przepuszczając jonów dodatnich). Otwarcie pojedynczego pęcherzyka (ok molekuł n-t, związując ok receptorów) powoduje napływ ok. 70 mln jonów w receptorowych kanałach dając pojedynczy MINI potencjał postsynaptyczny. Synapsa glutamatergiczna: 1 potencjał czynnościowy uwalnia 5-10 kwantów N-T, każdy z nich aktywuje ok. 30 kanałów a 1 kwant powoduje EPSP=1mV (zdecydowanie za mało do wywołania potencjału czynnościowego) Model standardowy kwantowego przekaźnictwa Katz a Jest wykorzystywany w badaniach nad neuromodulacją i wpływem potencjalnych leczniczych substancji wskazuje na miejsce uchwytu potencjalnego neuromodulatora (potencjalnego leku). W obrębie CNS model standardowy często nie pasuje bo m.in. Pęcherzyki mogą zawierać różne ilości N-T Prawdopodobnie nie zawsze opróżniana jest cała zawartość pęcherzyka Jest bardzo trudna rejestracja EPP i wyznaczenie wartości miniepp Synapsy konwergują na neuronach Istnieją różne izoformy kanałów Ca2+ a dodatkowo fosforylacja zmienia ich właściwości. W niektórych przypadkach uwolnienie pęcherzyka hamuje uwolnienie innych pęcherzyków. Zmiany przepuszczalności błony postsynaptycznej w czasie aktywności synapsy (neurotransmisji) 16

17 Technika patch-clamp pozwala na zmierzenie prądu płynącego przez pojedynczy kanał jonowy Pozakomórkowy płyn stanowi uziemienie układu elektrycznego w którym wzmacniacz utrzymuje stałe napięcie przezbłonowe. Prąd NIE PŁYNIE STALE LECZ W POSTACI IMPULSÓW. Zwiększenie stężenia acetylocholiny (Ach) nie powoduje zmiany natężenia prądu lecz wzrost PRAWDOPODOBIEŃSTWA otwarcia kanału! Czas otwarcia jest różny ale amplituda (natężenie prądu) zawsze ta sama. Efekt postsynaptyczny jest wynikiem sumowania potencjałów z wielu kanałów jonowych. WNIOSKI: Po związaniu z NT częstotliwość i średni czas otwarcia kanału są niezależne od napięcia jednak kierunek i amplituda prądu zależy od napięcia. Kierunek prądu dąży do osiągnięcia równowagi zgodnie z równaniem Goldmana-Hodgkina-Katza. Badania prądów w złączu nerwowo-mięśniowym EPP potencjał płytki końcowej; EPC prąd postsynaptyczny EPC jest proporcjonalny do ilości otwartych kanałów do różnicy między danym napięciem i potencjałem odwrócenia do przewodnictwa błony aktywowanej acetylocholiną W normalnym mięśniu dośrodkowy EPC depolaryzuje błonę Powstająca zmiana potencjału błonowego nazywana jest EPP (potencjałem płytki końcowej) Kierunek i wielkość prądu EPC zależą od zastosowanego postsynaptycznego napięcia błonowego Przy -110 mv prąd (ładunki +) jest dośrodkowy, przy napięciu 0 mv prąd jest zerowy (EPC=0) a powyżej 0mV prąd zaczyna się odwracać na dozewnątrz Potencjał 0mV nazywamy dlatego reverse potential (potencjał odwrócenia) Potencjał odwrócenia leży pomiędzy potencjałami równowagi dla jonów ECl, ENa obniżenie zewnątrzkomórkowego Na powoduje przesunięcie reversal potential w stronę wartości ujemnych podwyższenie zewnątrzkomórkowego stężenia jonów K powoduje przesunięcie reversal potential w stronę wartości dodatnich Dla typowego potencjału spoczynkowego mięśnia w EPC dominuje prąd dośrodkowy jonów Na (dlatego efekt netto prądów obu jonów Na i K jest też dośrodkowy) Prądy dla potencjału powyżej potencjału odwrócenia hyperpolaryzują komórkę postsynaptyczną a dla potencjału poniżej potencjału odwrócenia depolaryzują komórkę. Prąd jonowy przez otwarty kanał jonowy po związaniu z ligandem (neurotransmiterem) stara się zmienić potencjał spoczynkowy w kierunku wartości potencjału odwrócenia danego kanału. W przypadku komórki mięśniowej praktycznie każdy EPP wywołuje Pcz W przypadku komórek nerwowych rezultat zależy od sumacji potencjałów postsynaptycznych (PSP) w tym pobudzających i hamujących Glutaminian zwykle również powoduje otwarcie kanałów przepuszczalnych zarówno dla Na jak i K dlatego ogólny opis zależności jest podobny jak w złączu nerwowo-mięśniowym Różnica między EPSP i IPSP EPSP (pobudzający) charakteryzuje się tym, że jego potencjał odwrócenia (Erev) jest bardziej dodatni niż próg pobudliwości komórki IPSP (hamujący) charakteryzuje się tym, że jego potencjał odwrócenia jest bardziej ujemny niż potencjał progowy. Ważna uwaga: EPSP jest depolaryzujący ale IPSP jest zwykle hyperpolaryzujący ale nie musi (w pewnych warunkach może być depolaryzujący! Wystarczy aby jego Erev był poniżej progu pobudzenia czyli powstania potencjału czynnościowego) Hamowanie (inhibicja) neuronów 1.Poprzez wytwarzanie IPSP (hamującego potencjału postsynaptycznego) a zatem najczęściej poprzez hyperpolaryzację 2.Poprzez przeciek (shunting inhibition) neutralizacja potencjału jonami Cl- 17