2013-12-27
1
Biologiczne podstawy zachowań;
genetyka zachowania
Robert K. Filipkowski
filipkowski@vizja.pl
Przemiany ENERGII
(przypomnienie)
Mózg
1-
2% masy ciała
25% zużytej energii
CO
2
+ H
2
O + energia świetlna → C
6
H
12
O
6
+ O
2
dwutlenek węgla + woda + energia świetlna → cukry + tlen
6CO
2
+ 6H
2
O + energia świetlna → C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
organizmy fotosyntetyzujące
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
→
6CO
2
+ 6H
2
O + energia
organizmy cudzożywne
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
+ 30/32ADP
+ 30/32Pi
→
6CO
2
+ 6H
2
O + 30/32
ATP
reakcja utleniania
glukozy
ATP
– trifosforan adenozyny – przenośnik energii,
waluta energetyczna komórki
ATP ADP + Pi (fosforan) + energia
Przeważnie użyta jest energia
jednego z wiązań:
reszty / grupy fosforanowe
J.W. Kalat, str. 498
ryboza
adenina
Etapy utleniania glukozy
– ODDYCHANIE (KOMÓRKOWE)
1. glikoliza (cytoplazma)
2. cykl kwasu cytrynowego (
mitochondrium
)
3. transport elektronów w łańcuchu oddechowym (
mitochondrium
)
ATP
– trifosforan adenozyny
ADP
– difosforan adenozyny
AMP
– monofosforan adenozyny
cAMP
– cykliczny monofosforan adenozyny
J.W. Kalat, str. 498
2013-12-27
2
Komórki układu nerwowego
Neurony
PRZYJMUJĄ
PRZETWARZAJĄ
PRZEWODZĄ
PRZEKAZUJĄ
PRZECHOWUJĄ
INFORMACJĘ
Glej (neuroglej)
– tworzą go
komórki glejowe
ok. 10 razy więcej niż neuronów
podpora, ochrona, odżywianie neuronów
Podział:
-
astrocyty
-
oligodendrocyty
(+ obwodowe
komórki Schwanna
)
-
mikroglej
makroglej
J.W. Kalat, str. 29-38
astrocyty
duże, liczne
gwiaździsty kształt
długie wypustki
pokrywają one synapsy
wypustki ewent. z rozszerzeniem
funkcje:
-
regulacja zewnątrzkomórkowego stężenia K
+
-
usuwanie neuroprzekaźnika ze szczeliny synaptycznej
+ izolacja synapsy
-
synchronizacja działania neuronów
-
usuwanie pozostałości obumarłych komórek
-
zaopatrzenie neuronów w glukozę
- tworzenie bariery krew-
mózg
- elementy bariery
krew-
mózg
lemocyty
(
komórki Schwanna
)
– poza OUN
oligodendrocyty
– w OUN
-
tworzą osłonkę mielinową
(izolacja elektryczna aksonów,
wielokrotne owinięcie się komórki)
węzły – przewężenia Ranviera
lemocyty
(komórki Schwanna): jedna komórka – jeden akson
oligodendrocyty
: jedna komórka – 30-50 aksonów
Mikroglej
-
element układu odpornościowego
-
małe
-
pochodzą od makrofagów
-
fagocytujące
-
namnażają się (glejoza)
w stanie zapalnym
- funkcje:
-
naprawa uszkodzeń
-
usuwają pozostałości obumarłych
komórek, wirusy, grzyby i in.
mikroorganizmy
Przekazywanie sygnału między komórkami
(co się dzieje na synapsie)
2013-12-27
3
Transmisja synaptyczna
1b. synteza neuroprzekaźników
drobnocząsteczkowych
2. transport neuroprzekaźników
białkowych
1a. synteza neuroprzekaźników
białkowych i pęcherzyków
transportowych
3. potencjał czynnościowy
powoduje napływ jonów wapnia
i uwolnienie neuroprzekaźnika
(
egzocytozę
)
4. neuroprzekaźnik przyłącza
się do receptora
5. zmiana własności neuronu
postynaptycznego
6. neuroprzekaźnik odłącza
się od receptora
7.
wychwyt zwrotny
neuroprzekaźnika
przez białko transportujące
neuron presynaptyczny
neuron postsynaptyczny
neuron presynaptyczny
J.W. Kalat, str. 61
Rodzaje neuroprzekaźników
aminokwasy
- kwas glutaminowy (glutaminian)
- kwas asparaginowy (asparaginian)
- kwas gamma-
aminomasłowy (GABA)
- glicyna
Zmodyfikowane
aminokwasy
- acetylocholina
- serotonina
- dopamina
- noradrenalina
- adrenalina
katecholaminy
(aminy katecholowe)
peptydy
- endorfiny
- dynorfiny
- enkefaliny
- endomorfiny
- substancja P
- neuropeptyd Y
- wazopresyna
- oksytocyna
opioidy
zmodyfikowane
nukleotydy
- ATP
- adenozyna
gazy
- NO
- CO
hormony
zmodyfikowane
kwasy t
łuszczowe
- anandamid
- 2-arachidonoiloglicerol (2-AG)
endokannabinoidy
AGONISTA a ANTAGONISTA
neuron presynaptyczny
neuron postsynaptyczny
agonistą receptorów dla glutaminianu jest:
glutaminian, NMDA, AMPA
antagonista receptora NMDA
– MK-801
Neuroprzekaźniki łączą się z
receptorami postsynaptycznymi
kanały jonowe
bramkowane ligandem
czyli neuroprzekaźnikiem
(
receptory jonotropowe
)
receptory
metabotropowe
związane z układami
wtórnych przekaźników
szybkie
przekaźnictwo
synaptyczne
wolne
przekaźnictwo
synaptyczne
(wolne przekaźnictwo
synaptyczne)
Neuroprzekaźniki łączą się z
receptorami postsynaptycznymi
kanały jonowe
bramkowane ligandem
czyli neuroprzekaźnikiem
(
receptory jonotropowe
)
receptory
metabotropowe
związane z układami
wtórnych przekaźników
- jonoselektywne
-
przyłączenie neuroprzekaźnika
zwiększa przepuszczalność kanału
-
aktywacja białek G
glutaminian
– neuroprzekaźnik pobudzający
GABA
– neuroprzekaźnik hamujący
Glicyna
– neuroprzekaźnik hamujący
Rodzaje neuroprzekaźników i receptorów
aminokwasy
- kwas glutaminowy (glutaminian)
- kwas asparaginowy (asparaginian)
- kwas gamma-
aminomasłowy (GABA)
- glicyna
NMDA, AMPA, mGluR
Receptory
2013-12-27
4
Kanały jonowe bramkowane ligandem (agonistą), receptory jonotropowe
przyłączenie
neuroprzekaźnika
otwarcie kanału
jonowego
przepływ jonów
poprzez błonę
Receptory jonotropowe glutaminianu:
- receptor AMPA
- receptor NMDA
Receptory AMPA
przepuszczalne dla jonów Na
+
, K
+
,
niektóre formy – dla Ca
2+
Receptory NMDA
przepuszczalne dla jonów Ca
2+
, Na
+
, K
+
blokowane przez jony Mg
2+
do aktywacji konieczna obecność glutaminianu
i depolaryzacja
Rodzaje neuroprzekaźników i receptorów
aminokwasy
- kwas glutaminowy (glutaminian)
- kwas asparaginowy (asparaginian)
- kwas gamma-
aminomasłowy (GABA)
- glicyna
NMDA, AMPA, mGluR
Receptory
Transmisja synaptyczna;
inaktywacja i wychwyt zwtrotny
konieczność usunięcia
neuroprzekaźnika ze szczeliny
synaptycznej
neuron presynaptyczny
neuron postsynaptyczny
acetylocholina:
rozkład przez
acetylocholinesterazę
serotonina i katecholaminy:
1. wychwyt zwrotny przez
transportery
2. dezaktywacja przez enzymy
- COMT
- MAO
neuron presynaptyczny
neuron postsynaptyczny
DOPA
dopamina
MAO, COMT
(rozkład)
(stosowana też jako lek, ch. Parkinsona)
inhibitory MAO (IMAO)
:
terapia depresji
i ch. Parkinsona
inhibitory COMT
:
terapia choroby Parkinsona
amfetamina
zwiększa
wydzielanie
dopaminy
haloperidol
(lek antypsychotyczny)
blokuje receptory
- kokaina
(silnie)
- leki przeciwdepresyjne np. SSRI, TLPD
(słabiej)
blokują wychwyt zwrotny dopaminy
Transmisja synaptyczna; synapsa dopaminowa
tyrozyna
(z pożywienia)
J.W. Kalat, str. 68
Przekazywanie sygnałów w komórce
2013-12-27
5
Cząsteczka sygnałowa łączy się
swoiście
z
białkowym receptorem.
Swoistość połączenia oznacza,
że cząsteczka sygnałowa jest
precyzyjnie dopasowana do
białka receptorowego.
Następuje
zmiana konformacji
i uruchomienie
kaskady
wtórnych przekaźników
.
Ostatni
przekaźnik dociera do
jądra komórkowego
aktywując
odpowiedni gen/geny.
aktywacja
istniejącego białka
cząsteczka przenika
przez błonę komórkową
kaskada
wtórnych
przekaźników
transkrypcja genów
kodujących białko
o odpowiednich
właściwościach
Ogólna zasada przekazywania sygnałów w komórce
(nie tylko nerwowej)
- hormony,
- czynniki wzrostu,
-
neuroprzekaźniki
białka modyfikują się
nawzajem
geny włączają się
i wyłączają
sieć wzajemnych
oddziaływań
„chemiczny
komputer
z przetwarzaniem
równoległym”
wtórne
przekaźniki
(np. cAMP)
kinazy
fosfatazy
kinaza
-
enzym katalizujący reakcję
przyłączenia grupy fosforanowej
do określonego białka czyli
fosforylacji
tego białka.
fosfataza
- enzym; katalizuje
defosforylację
białka
• za pośrednictwem białek G
• z udziałem białka Ras
• dzięki istnieniu swoistych receptorów w cytoplazmie
Trzy sposoby przekazywania sygnałów w komórce
Przekazywanie sygnału z udziałem białek G i cAMP
cyklaza
adenylanowa
kinaza białkowa A
(PKA);
fosforyluje wiele białek
w komórce,
np. kanały jonowe,
czynniki trankrypcyjne
2013-12-27
6
Rola tłuszczów/lipidów w organizmie
1. Magazyn tłuszczu (izolacja termiczna, źródło energii)
2. Składniki błon komórkowych
3. Przekazywanie sygnałów w komórce
(np. fosfatydyloinozytol, PI)
w mózgu
Przekazywanie sygnału z udziałem białek G i fosfatydyloinozytolu
receptor
metabotropowy
neuroprzekaźnik
fosfolipaza C
fosfatydyloinozytol
PI
enzym rozkładający PI
białko G
diacyloglicerol
DAG
trifosforan inozytolu
IP
3
Ca2+
siateczka śródplazmatyczna
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
kinaza białkowa C, PKC
kinaza białkowa II zależna od
wapnia i kalmoduliny, CaMKII
kalmodulina, CaM
(wiąże wapń)
syntaza tlenku azotu, NOS
Przekaźniki wtórne
1. cAMP (cykliczny AMP)
2. IP
3
(fosforan inozytolu)
3. DAG (diacyloglicerol)
4. cGMP (cykliczny GMP)
5. NO (tlenek azotu)
6. Ca
2+
(jony wapnia)
Funkcja
1. aktywacja kinaz
2. uwolnienie Ca
2+
3. aktywacja kanałów
jonowych (cAMP, cGMP)
• za pośrednictwem białek G
• z udziałem białka Ras (działanie neurotrofin)
• dzięki istnieniu swoistych receptorów w cytoplazmie
Trzy sposoby przekazywania sygnałów w komórce
Czynniki wzrostu (neurotroficzne)
1. czynnik wzrostu nerwów (
NGF
)
2. czynnik wzrostu pochodzenia mózgowego (
BDNF
)
3. neurotrofiny 3 i 4/5 (
NT-3
,
NT-4/5
)
Funkcje:
- rozwojowa (hamowanie apoptozy)
-
stymulowanie rozgałęzień aksonów (np. w czasie uczenia się)
- stymulowanie
odrastania aksonów po uszkodzeniu
kaskada kinaz
Przekazywanie sygnału przez neurotrofiny
swoiste połączenie
dimeryzacja receptora
typu Trk
fosforylacja
Trk
informacja o potrzebie
wzrostu i podziału
m.in. białko
Ras
zaangażowane
wyłącznie białka
kaskada
– wzmocnienie
sygnału
zaburzenia
–
nowotworzenie
2013-12-27
7
• za pośrednictwem białek G
• z udziałem białka Ras (działanie neurotrofin)
• dzięki istnieniu swoistych receptorów w cytoplazmie
Trzy sposoby przekazywania sygnałów w komórce
1. Cząsteczka sygnałowa (np. hormon
sterydowy) przenika przez błonę
komórkową.
2. Cząsteczka sygnałowa łączy się w
cytoplazmie ze swoistym receptorem.
3. Receptor uwalnia się od białka
zakrywającego część receptora
kierującą go do jądra (identyfikator).
4. Kompleks hormon-receptor wchodzi do
jądra komórkowego.
5. Kompleks hormon-receptor odnajduje
odpowiedni rejon regulatorowy genu i
stymuluje transkrypcję.
wejście czynnika
transkrypcyjnego do jądra
Przekazywanie sygnałów z udziałem
wewnątrzkomórkowych receptorów
por. J.W. Kalat, str. 326
Czynniki transkrypcyjne, przykłady
1. CREB
2. AP1 (Fos + Jun)
3. SRF
4. Zif268
APOPTOZA (programowana śmierć komórki)
-
śmierć niezbędna do życia
-
usuwane są zużyte lub uszkodzone
komórki.
-
zaplanowane samobójstwo komórki
w organizmie ma na względzie
dobro całego organizmu.
Porównanie śmieci
komórki na drodze:
Szlaki przekazywania sygnału
śmierci
wewnętrzny zewnętrzny
(mitochondrialny) (receptorowy)
2013-12-27
8
Białka biorące udział w apoptozie
i chroniące przed apoptozą
za przeciw
kaspazy
białka FLIP
endonukleazy
białka IAP
cytochrom c
czynniki troficzne
antyapoptotyczne
proapoptyczne białka rodziny Bcl-2
białka rodziny Bcl-2 np. Bcl-2, Bcl-Xl
np. Bid, Bak, Bax
Apoptoza
zjawisko fizjologiczne niezbędne do
prawidłowego funkcjonowania organizmu:
-
odgrywa rolę w tworzeniu właściwych połączeń
neuronowych podczas rozwoju mózgu (
ok. połowa
neuronów wymiera w czasie rozwoju
)
-
eliminuje niedojrzałe limfocyty T w grasicy które
nieprawidło funkcjonują w układzie odpornościowym
-
odnawianie nabłonków
-
eliminacja komórek uszkodzonych