Czynności komórek nerwowych Adriana Schetz IF US
Plan wykładu 1. Komunikacja mędzykomórkowa 2. Neurony i komórki glejowe jedność architektoniczna 3. Czynności komórek nerwowych
Komunikacja międzykomórkowa Przenoszenie informacji między komórkami odbywa się dzięki temu, że błona komórkowa zbudowana jest z następujących białek: Białka integralne o biegunach hydrofilnych skierowanych na zewnątrz błony; Białka nośnikowe budulec kanałów transportowych (w błonie komórkowej) dla cząsteczek; Białka tworzące kanały jonowe; Białka receptorowe wiążą swoiście ligandy (cząsteczki chemiczne) oraz inne substancje znajdujące się w płynie zewnątrzkomórkowym [Władysław Z. Traczyk, Fizjologia człowieka w zarysie, Warszawa: 2006, s. 23]
Komunikacja międzykomórkowa Ważne procesy i pojęcia: Dyfuzja transport błonowy polegający na przenikaniu cząsteczek do wnętrza komórki (dokomórkowa) lub na zewnątrz komórki w wyniku ich samorzutnego rozpraszania się; Gradient stężeń niektóre substancje (cząsteczki rozpuszczalne w tłuszczach) pokonują błonę komórkową w obu kierunkach bez względu na średnicę. Do tych substancji zalicza się: O 2, CO 2, steroidy, kwasy tłuszczowe, rozpuszczalniki organiczne takie jak: alkohole czy etery itp. Dyfuzja ułatwiona transport błonowy zgodny z gradientem stężeń i wspomagany przez dodatkowe czynniki, np. ujemny ładunek elektryczny wewnątrz komórki, który będzie wspomagał dyfuzję dokomórkową jonów o ładunku dodatnim.
Komunikacja międzykomórkowa Ważne procesy i pojęcia: Aktywny transport transport przez błonę komórkową przeciw gradientowi stężenia; związki nierozpuszczalne w tłuszczach (cząsteczki monosacharydów i aminokwasów) wymagają obecności białka transportującego, z którym tworzą nietrwałe kompleksy rozpadające się w cytoplazmie po przejściu przez błonę komórkową i w ten sposób uwalniając przenoszoną substancję do cytoplazmy; proces ten wymaga energii, która jest pozyskiwana z rozpadu ATP (adenozynotrifosforanów) z pomocą białka enzymatycznego błony komórkowej, którym jest adenozynotrifosfataza aktywowana przez sód i potas (stąd Na-K-ATP-aza); podobnie jest w przypadku energii dla dyfuzji. Pory w błonie komórkowej o średnicy 800 pm (piktometrów; 10-12 m) umożliwiające wnikanie do komórki małych cząsteczek o ładunku obojętnym (np. woda i mocznik); Kanały swoiste (zbudowane z koneksonów) dla prądów danych jonów przenikających dokomórkowo i odkomórkowo;
Komunikacja międzykomórkowa Ważne procesy i pojęcia: Receptory błonowe swoiście wiążą się z właściwymi sobie substancjami chemicznymi, tj. ligandami; Ligandy endogenne występujące w organizmie; Ligandy egzogenne wprowadzane z zewnątrz organizmu. Rodzaje ligand (czyli cząsteczek sygnałowych): 1. Neurotransmittery (układ nerwowy); 2. Hormony (układ dokrewny); 3. Hormony lokalne czyli autakoidy, substancje które nie są produkowane przez gruczoły (mogą działać parakrynnie, czyli regulują sąsiednie komórki oraz autokrynnie, czyli regulują procesy własne komórki, która je wydziela), np. prostaglandyny. Substancje agonistyczne (wiążące się z danym receptorem, np. insulina i receptor) Substancje antagonistyczne (blokujące dany receptor, np. antagonistą insuliny jest adrenalina czy glukagon) Selektywne modulatory (np. fitoestrogeny i estrogeny)
Komunikacja międzykomórkowa Ważne procesy i pojęcia: Eksternalizacja białek receptorowych - Białka receptorowe, które przytwierdzone są do wewnętrznej strony błony komórkowej zostają przeniesione na zewnętrzną powierzchnię błony (proces odwracalny do internalizacji, np. w przypadku cząsteczek insuliny, które po zwiazaniu z receptorami insulinowymi po zewnętrznej stronie błony komórkowej przenoszone są do wnętrza komórki); Oddziaływanie białek receptorowych na inne komórki to odziaływania na białka receptorowe błon komórkowych innych komórek. Polega to na wiązaniu przekaźników chemicznych (takich jak transmittery, hormony i inne substancje) obecnych w płynie zewnątrzkomórkowym.
Komunikacja międzykomórkowa Ważne procesy i pojęcia: Reakcje na odbiór informacji przez receptory: krótkotrwałe (ułamek milisekundy do kilkudziesięciu milisekund) w przypadku ruchów jonów przez błonę komórkową, a co prowadzi do wystąpienia czynnościowego potencjału elektrycznego; trwające dłużej (milisekundy do wielu godzin) efekt wzmożenia lub osłabienia metabolizmu komórkowego oraz aktywacji lub inaktywacji enzymów błony komórkowej; długotrwałe (godziny do tygodni) w przypadku ekspresji genów
Komunikacja międzykomórkowa Ważne procesy i pojęcia: Ekspresja genów w jądrze komórkowym Jądro zawiera zakodowaną informację genetyczną Niezbędną dla prawidłowej syntezy enzymów wpływających na metabolizm komórkowy. Po wniknięciu do komórki danej substancji chemicznej (np. peptydów, które transportowane są wstecznie do perykarionu z przestrzeni synaptycznej czy płynu międzykomórkowego zaraz po związaniu się z receptorem w błonie presynaptycznej i internalizacji) oddziałuje ona na aparat genetyczny komórki. Odziaływanie to polega na przyspieszeniu lub spowolnieniu (opóźnieniu) procesu transkrypcji mrna dla polipeptydów (modulatory synaptyczne) oraz dla białek receptorowych i kanałowych czy też enzymów syntetyzujących transmittery.
Komunikacja międzykomórkowa Ważne procesy i pojęcia: Błona komórkowa w następujący sposób uczestniczy w przenoszeniu informacji: 1. Rozróżnia sygnały sygnały, czyli cząsteczki przekaźników chemicznych działające na błonę komórkową są rozpoznawane przez receptory błonowe; 2. Przenosi sygnały białka receptorowe wraz ze swoistymi przekaźnikami chemicznymi oddziałują na białka kanałów jonowych, a także na białka enzymatyczne; 3. Wzmacnia sygnały sygnały (substancje chemiczne) zazwyczaj są zbyt słabe by zmienić metabolizm komórki. W związku z tym dochodzi do wytworzenia przez enzymy drugiego wewnątrzkomórkowego przekaźnika chemicznego.
Komunikacja neuronów Kierunki przepływu cytoplazmy (cytoplazmy; aksoplazmy): Przepływ antydromowy (wsteczny) - kierunek do perykarionu Przepływ ortodromowy - kierunek od perykarionu
Komunikacja neuronów Ważne procesy i pojęcia: Każda zmiana w otoczeniu może potencjalnie wywołać pobudzenie receptorów. Czyli informacje z otoczenia mogą stać się źródłem sygnałów odbieranych przez receptor. Sygnały dla receptorów percepcyjnych to np. fale akustyczne czy świetlne. Dla receptorów wewnętrznych to np. prężność tlenu we krwi lub koncentracja jonów wodoru. Przetwarzanie informacji w organizmie odbywa się dwojako: 1. Analogowo (na sposób ciągły) np. za pośrednictwem krążących we krwi cząsteczek hormonów; 2. Cyfrowo (dyskretnie czyli przerywanie, impulsowo) np. we włóknach nerwowych.
Komunikacja neuronów Informacja przenoszona w sposób impulsowy jest możliwa dzięki: 1. Przetwornikom (transdukcja np. w mechanoreceptorze), których funkcja polega na przetwarzaniu informacji z otoczenia (np. mechanicznej) na salwę impulsów nerwowych przewodzonych włóknami nerwowymi. 2. Impulsy nerwowe przenoszone jednym kanałem informacyjnym nie różnią się między sobą pod względem częstotliwości. 3. Informacja zakodowana jest w postaci częstotliwości z jaką impulsy nerwowe podążają włóknem nerwowym, co określa się mianem długości interwałów pomiędzy pojedynczymi impulsami.
Komunikacja neuronów Sprzężenie zwrotne w komunikacji neuronów Sprzężenie proste informacja przepływa jednokierunkowo: od układu sterującego do sterowanego. Ujemne sprzężenie zwrotne (negatywny feedback) stabilizacja funkcji fizjologicznych między dwoma systemami: sterującym i sterowanym. Kontrola wzajemnie zwrotna (pętla sprzężenia zwrotnego zachowująca homeostazę) dwukierunkowy przesył informacji zarówno kodowanej w postaci impulsów nerwowych, jak i chemicznej: charakterystyczna dla organizmów na wysokim szczeblu rozwoju filogenetycznego.
Komunikacja neuronów Informacja cyfrowa jest zmieniana w neuronie na informację analogową, tj. poprzez zmianę potencjału elektrycznego błony komórkowej. Następnie neuron wysyła informację cyfrową do innej komórki. Czyli analogowa informacja jest zamieniana na cyfrową ze względu na obowiązywanie zasady wszystko albo nic: Inicjowanie potencjału czynnościowego ma miejsce wówczas, gdy wystąpi bodziec o intensywności wystarczającej do zdepolaryzowania neuronu powyżej określonej wartości progowej.
Komunikacja neuronów Potencjał spoczynkowy błony komórkowej ujemny potencjał elektryczny, który występuje pomiędzy wnętrzem komórki nerwowej a płynem zewnątrzkomórkowym. Płyn wewnątrzkomórkowy oraz zewnątrzkomórkowy różnią się od siebie pod względem stężenia poszczególnych jonów. Wewnątrz komórki występuje przewaga anionów (ładunek ujemny) organicznych nieprzedostających się przez błonę komórkową poza komórkę. W płynie zewnątrzkomórkowym występuje także przewaga ujemnych anionów w stosunku do dodatnich kationów. Dzięki temu ujemny ładunek komórki może zostać zachowany utrzymując ją w spoczynku.
Komunikacja neuronów Potencjał czynnościowy błony komórkowej bodziec wywołuje potencjał czynnościowy komórki poprzez depolaryzację. Depolaryzacja jest wyrównaniem ładunków elektrycznym między wnętrzem komórki a środowiskiem zewnętrznym. Fazy depolaryzacji: 1. wniknięcie sodu (Na+) do wnętrza komórki nerwowej poprzez kanały dla prądu jonów sodu oraz tym samym zmienienie lokalnego środowiska wewnętrznego komórki na dodatnie (lokalnego, tj. w miejscu działania bodźca). 2. Gdy ładunki wyrównają się lokalnie, depolaryzacja zaczyna przesuwać się wzdłuż aksonu. Impuls nerwowy przemieszczanie się fali depolaryzacji od miejsca oddziaływania bodźca na błonę komórkową do zakończenia neuronu.
Komunikacja neuronów Depolaryzacja Impulsy nerwowe przekazywane są z neuronu do neuronu zakończeniem aksonu nazywanym synapsą (albo kolbą końcową). Błona presynaptyczna błona komórkowa przekazująca impuls; Błona postsynaptyczna - błona komórkowa odbierająca impuls. Szczelina synaptyczna przestrzeń między synapsami.
Hamowanie: Komunikacja neuronów
Komunikacja neuronów Neurony hamujące (postsynaptyczny potencjał hamujący): neuron otoczony jest nie tylko synapsami pobudzającymi, ale również hamującymi. Hamowanie polega na oddziaływaniu synapsy na neuron za pomocą transmitterów hamujących przewodzenie impulsów elektrycznych. Cząsteczki transmittera hamującego oddziałując na błonę komórkową powodują, że jony K + wydostają się z neuronu na zewnątrz z jednoczesnym napływem jonów Cl - właściwymi kanałami jonowymi. Wzrasta ujemny potencjał elektryczny wewnątrz komórki, czyli miejsce ma hiperpolaryzacja.
Opracowanie głównie na podstawie: W. Traczyk, Fizjologia człowieka w zarysie; J. Kalat, Biologiczne podstawy psychologii;