Pinel 1

P

RZEWODNICTWO NERWOWE I TRANSMISJA SYNAPTYCZNA

Rozdział 4

Potencjał błonowy – różnica w ładunku elektrycznym (potencjałów) pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem komórki

Jak go zarejestrować? – używając mikroelektrod. Jedną wprowadza się do neuronu, drugą do płynu zewnątrzkomórkowego.
=> potencjał wewnątrz komórki w stanie spoczynku wynosi o ok.

70mV mniej niż na zewnątrz neuronu

Stały potencjał błonowy wynoszący ok. –70mV nazywany jest

SPOCZYNKOWYM POTENCJAŁEM BŁONOWYM

=> neuron w stanie spoczynku określany jest jako

SPOLARYZOWANY

I. Jonowa podstawa potencjałów spoczynkowych

Dlaczego neurony w stanie spoczynku są spolaryzowane?

-

w roztworze soli znajdującym się w tkance nerwowej obecne są

dodatnio i ujemnie naładowane cząsteczki

=>

JONY

-> stosunek ujemnie naładowanych cząsteczek do ładunków dodatnich jest większy wewnątrz neuronu

Skąd to nierówne rozmieszczenie?

-

interakcja

czterech czynników

-> działanie dwóch z nich zmierza do równomiernego rozmieszczenia jonów w płynie wewnątrz-
i zewnątrzkomórkowym (to czynniki homogenizujące)
-> dwa następne – cechy błony komórkowej – przeciwdziałają tym homogenizującym siłom

A. Siły homogenizujące

1.

GRADIENT STĘŻEŃ

(

DYFUZJA

)

- wszystkie cząsteczki poruszające się ruchem dowolnym (tu jony w płynie okołokomórkowym) dążą
do równomiernego rozmieszczenia
Dlaczego?
- cząsteczki łatwiej się przemieszczą z miejsc, gdzie cząsteczek jest więcej (wysokie stężenie) do
miejsc, gdzie jest ich mniej (niskie stężenie) niż odwrotnie

2.

GRADIENT ELEKTROCHEMICZNY

(

CIŚNIENIE ELEKTROSTATYCZNE

)

- posiadające ładunek elektryczny cząsteczki odpychane są przez znajdujące się w pobliżu cząsteczki
o podobnym znaku lecz przyciągane przez inne cząsteczki, ale o ładunku przeciwnym.
-> wszelkie nagromadzenie ładunków o podobnym znaku ma więc tendencję do rozpraszania się.

Żadna pojedyncza klasa jonów nie jest rozmieszczona równomiernie po obu stronach błony komórkowej.

Jony uczestniczące w utrzymaniu potencjału spoczynkowego

-

jony sodowe

Na+

-

jony potasowe

K+

-

jony chlorkowe

Cl-

-

ujemnie naładowane jony białkowe

Stężenie

jonów sodowych i chlorkowych większe jest

NA ZEWNĄTRZ

neuronu, a

jonów potasowych

WEWNĄTRZ

neuronu.

Ujemnie naładowane jony białkowe syntetyzowane są wewnątrz neuronu.

B. Właściwości błony komórkowej odpowiedzialne za nierównomierne rozmieszczenie Na+, K+, Cl-
i jonów białkowych w niepobudzonym neuronie

3.

SELEKTYWNA PRZEPUSZCZALNOŚĆ

- to bierny mechanizm: nie wymaga użytkowania energii

W neuronach niepobudzonych:

-> K+ i Cl- z łatwością przechodzą przez błonę komórkową
-> Na+ z trudnością przechodzą przez błonę komórkową
-> ujemnie naładowane jony białkowe w ogóle nie przechodzą przez błonę komórkową

Jak przechodzą to gdzie?
- w wyspecjalizowanych przejściach zwanych

KANAŁAMI JONOWYMI

;

są ich różne rodzaje, każdy wybiórczy dla określonego jonu

4.

POMPA SODOWO

-

POTASOWA

- to czynny mechanizm: wymaga poboru energii

W latach 50tych

A

LAN

H

ODGKIN

i

A

NDREW

H

UXLEY

przeprowadzili klasyczne dziś eksperymenty

Wynik?
-> w utrzymaniu spoczynkowego potencjału błonowego wydatkowana jest energia

Ich tok myślenia przebiegał następująco:

Dlaczego wysokie stężenie jonów sodowych i chlorkowych na zewnątrz neuronu i wysokie stężenie
jonów potasowych w jego wnętrzu nie zostanie wyeliminowane przez tendencje jonów do poruszania
się

zgodnie z gradientem stężeń do miejsc o niższej ich koncentracji?

Czy wynoszące –70mV ciśnienie elektrostatyczne pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem neuronu może
być siłą przeciwdziałającą ruchom jonów zgodnie z gradientem stężeń i utrzymującą
nierównomierne rozmieszczenie jonów?

Pinel 2

Co więc zrobili?

Obliczyli dla każdego z trzech jonów – Na+, K+ i Cl- - wartość ładunku elektrostatycznego
niezbędnego dla zrównoważenia siły wynikającej z gradientu stężeń.

1. obliczony ładunek elektrostatyczny dla

JONÓW CHLORKOWYCH

– Cl- - wynosił -

70mV

-> czyli tyle samo co potencjał spoczynkowy.

Wniosek?

Gdy komórka nerwowa jest w stanie spoczynku nierówne rozmieszczenie jonów chlorkowych
utrzymywane jest przez:

- wynoszącą 70mV wartość gradientu stężeń skierowaną do wnętrza neuronu
- wynoszącą 70mV wartość gradientu elektrycznego skierowaną na zewnątrz neuronu

2. obliczony ładunek elektrostatyczny dla

JONÓW POTASOWYCH

– K+ - wynosił

90mV

-> czyli dla powstrzymania znajdujących się wewnątrz komórki jonów potasu od jej opuszczenia
(i skierowania się zgodnie z jej gradientem stężeń) niezbędne byłoby ciśnienie elektrostatyczne
o wartości 90mV

A dokładniej?

- zarejestrowano wynoszącą 90mV wartość gradientu stężeń skierowaną na zewnątrz neuronu

- oraz wynoszące 70mV ciśnienie elektrostatyczne skierowane do wewnątrz

3. obliczony ładunek elektrostatyczny dla

JONÓW SODOWYCH

– Na+ - wynosił

–120mV

-> w tym przypadku siły zarówno gradientu stężeń, jak i gradientu elektrostatycznego skierowane
są w tym samym kierunku: do wnętrza komórki

- 50mV siły wpychającej jony sodowe zgodnie z gradientem stężeń do wnętrza neuronu

- 70mV ciśnienia elektrostatycznego wciskającego je również do wnętrza komórki

No i rzeczywiście!

=> jony potasu są nieustannie wypychane z niepobudzonej komórki przez 20mV ciśnienia
=> jony sodowe są nieustannie wtłaczane do wnętrza komórki przez siłę 120mV i to pomimo
ogromnego oporu błony komórkowej!

Dlaczego więc wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe stężenie jonów sodu i potasu jest w
niepobudzonych neuronach stałe?

=> Błona komórkowa ma

aktywne mechanizmy przeciwdziałające napływowi kationów sodowych do

wnętrza komórki (gdy tylko uda im się tam dotrzeć wypompowuje je na zewnątrz) oraz

wypływowi

kationów potasowych z jej wnętrza (wpompowuje je z powrotem)

=> procesy transportu jonów sodu na zewnątrz i jonów potasu do wewnątrz komórki

nie są

niezależne, ale ze sobą związane: oba wykonywane są przez wymagający stałego dostarczania
energii mechanizm błony komórkowej nieustannie wymieniający

trzy jony sodowe z wnętrza

komórki na

dwa jony potasowe z jej zewnętrza. Ten mechanizm to

POMPA SODOWO

-

POTASOWA

II. Generowanie i przewodzenie potencjałów postsynaptycznych

Po wyładowaniach neuronów z ich

kolebek synaptycznych uwalniane są neuroprzekaźniki

-> rozprzestrzeniają się one w

szczelinie synaptycznej i wchodzą w interakcje ze specjalnymi molekułami

(receptorami) ulokowanymi na błonie recepcyjnej następnego neuronu.

Co dzieje się, gdy molekuły neuroprzekaźnika przyłączają się do receptorów postsynaptycznych?

1.

DEPOLARYZUJĄ ONE BŁONĘ RECEPCYJNĄ

- czyli obniżają potencjał spoczynkowy błony (np. z –70mv do –67mV)

Postsynaptyczne depolaryzacje nazywamy

POSTSYNAPTYCZNYMI POTENCJAŁAMI POBUDZENIOWYMI

(EPSPs)

ponieważ zwiększają one prawdopodobieństwo wyładowania neuronu.

lub:

2.

HIPERPOLARYZUJĄ BŁONĘ RECEPCYJNĄ

- czyli podwyższają potencjał spoczynkowy błony (np. z –70mV do –72mV)

Postsynaptyczne hiperpolaryzacje nazywamy

POSTSYNAPTYCZNYMI POTENCJAŁAMI HAMULCOWYMI

(IPSPs)

ponieważ zmniejszają one prawdopodobieństwo wyładowania neuronu.

Zarówno

EPSPs, jak i IPSPs to

REAKCJE STOPNIOWALNE

(graded responses): ich amplitudy są proporcjonalne

do siły bodźca, który je wywołał

- słabe bodźce wywołują małe potencjały postsynaptyczne
- silne bodźce wywołują duże potencjały postsynaptyczne

Potencjały postsynaptyczne przemieszczają się

biernie z miejsca ich wygenerowania

Jakie są najważniejsze cechy przewodzenia potencjałów postsynaptycznych?

1.

JEST ONO NAGŁE

Ważne jednak nie mylić

czasu trwania potencjałów postsynaptycznych z ich tempem przewodzenia

-> ich czas trwania może być zróżnicowany, lecz tempo ich przewodzenia jest zawsze nagłe (b. szybkie)

2.

JEST ONO UBYTKOWE

(

Z DEKREMENTEM

)

Potencjały postsynaptyczne zmniejszają swoją amplitudę podczas przemieszczania się po neuronie

Pinel 3

III. Integracja potencjałów postsynaptycznych i powstawanie potencjału czynnościowego

Wyładowanie neuronu uzależnione jest od

zsumowanego efektu oddziaływania tysięcy synaps pokrywających obszary

recepcyjne neuronu
lub, ściślej mówiąc, zależy od równowagi sygnałów pobudzeniowych i hamulcowych docierających do

WZGÓRKA AKSONALNEGO

.

Stopniowalne pobudzeniowe (EPSPs) i hamulcowe (IPSPs) potencjały postsynaptyczne przewodzone są nagle
i

ubytkowo do wzgórka aksonalnego

- jeżeli suma odebranych depolaryzacji i hiperpolaryzacji wystarczająca jest dla zdepolaryzowania błony
komórkowej do poziomu zazwyczaj –55mV – czyli

PROGU POBUDZENIA NEURONU

– na wzgórku aksonalnym

wygenerowany zostaje potencjał czynnościowy.

P

OTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY

jest chwilowym odwróceniem (ok. 1 milisekunda) potencjału błonowego neuronu

z –70mV do około +50mV.

=>

potencjały czynnościowe nie są reakcjami stopniowalnymi

– ich wielkości nie jest związana z intensywnością bodźców, które je wywołały

=>

potencjały czynnościowe są reakcjami „wszystko-albo-nic”

- zachodzą albo z pełną siła, albo w ogóle nie zachodzą

Każdy neuron sumuje wszystkie stopniowalne potencjały postsynaptyczne (EPSPs i IPSPs) docierające do
wzgórka aksonalnego i dokonuje wyładowania (lub nie) na podstawie wartości tych sum.

=> sumowanie tych pojedynczych sygnałów w jeden, większy sygnał nazywane jest

INTEGRACJĄ

- neurony integrują sygnały na dwa sposoby: w czasie i przestrzeni.

1. sumowanie przestrzenne

Trzy możliwe kombinacje:

- lokalne postsynaptyczne potencjały pobudzeniowe (EPSPs) wygenerowane jednocześnie
sumują się tworząc większy potencjał pobudzeniowy
- lokalne postsynaptyczne potencjały hamulcowe (IPSPs) wygenerowane jednocześnie sumują
się tworząc większy potencjał hamulcowy
- lokalne postsynaptyczne potencjały pobudzeniowe (EPSPs) i hamulcowe (IPSPs) wygenerowane
jednocześnie znoszą się

2. sumowanie czasowe

Potencjały postsynaptyczne generowane szybko jeden po drugim na tej samej synapsie sumują

się tworząc większy sygnał

Dlaczego?
Ponieważ potencjały postsynaptyczne często trwają dłużej niż samo pobudzenie.

Krótki, podprogowy bodziec pobudzeniowy doprowadzić może do wyładowania neuronu, jeśli zadziała np.
dwukrotnie szybko jeden po drugim.

=> każdy neuron nieustannie integruje bodźce zarówno w czasie i przestrzeni
=> umiejscowienie synapsy na błonie recepcyjnej jest ważnym czynnikiem wpływającym na jej
potencjał pobudzeniowy (czyli jej zdolność „odpalania” neuronu)
- ten potencjał tym większy, im synapsa bliżej wzgórka aksonalnego

IV. Przewodzenie potencjału czynnościowego

1. Jonowa podstawa potencjałów czynnościowych

W jaki sposób tworzone są potencjały czynnościowe? W jaki sposób przewodzone są one wzdłuż aksonu?

=> przez działanie

napięciowozależnych kanałów jonowych

N

APIĘCIOWOZALEŻNE KANAŁY JONOWE

otwierają się lub zamykają w odpowiedzi na zmiany w wartości

potencjału błonowego.

Co dzieje się, gdy

potencjał błonowy na wzgórku aksonalnym obniżony zostaje do wartości progu pobudzenia?

=> szeroko otwierają się

napięciowozależne kanały sodowe na wzgórku aksonalnym i jony sodu

gwałtownie

wlewają się do wnętrza neuronu

=> gwałtowny napływ Na+ zmienia potencjał błonowy

z –70mV na +30mV

=> zmiana napięcia błony prowadzi do otwarcia napięciowozależnych kanałów potasowych

=> otwarcie

napięciowozależnych kanałów potasowych powoduje wypływ położonych blisko błony jonów

potasu przez te otwarte kanały

.

Dlaczego?

- początkowo z powodu ich wysokiego stężenia wewnątrz neuronu (zgodnie z gradientem stężeń)

- następnie z powodu dodatniego ładunku wnętrza neuronu (zgodnie z gradientem elektrycznym)

=> po około 1 milisekundzie napięciowozależne kanały sodowe zamykają się

- moment ten oznacza zakończenie

fazy wznoszącej potencjału czynnościowego

- moment ten oznacza początek

repolaryzacji neuronu poprzez wypływ jonów potasowych

Po osiągnięciu

repolaryzacji kanały potasowe

STOPNIOWO

się zamykają. Z tego powodu przed ich całkowitym

zamknięciem z wnętrza neuronu wypływa zbyt wiele jonów potasu i neuron jest przejściowo

zhiperpolaryzowany.

Potencjał czynnościowy obejmuje

tylko te jony, które znajdują się tuż przy błonie neuronu.

-> To bardzo niewiele jonów w porównaniu z ich całkowitą liczbą wewnątrz i na zewnątrz komórki nerwowej.

Wniosek?

Pompa sodowo-potasowa odgrywa raczej niewielką rolę w przywracaniu błonowego potencjału spoczynkowego!

Pinel 4

2. Okresy refrakcji

Po inicjacji potencjału czynnościowego następuje krótki okres (1-2 milisekundy), gdy ponowne wzbudzenie komórki
(i wywołanie następnego potencjału czynnościowego) nie jest możliwe
=> jest to

OKRES REFRAKCJI BEZWZGLĘDNEJ

Tuż po okresie refrakcji bezwzględnej możliwe jest ponowne wzbudzenie neuronu (i wywołanie nowego potencjału
czynnościowego), ale wyłącznie poprzez silniejszą niż zazwyczaj stymulację
=> jest to

OKRES REFRAKCJI WZGLĘDNEJ

Okresy refrakcji odpowiedzialne są za dwie charakterystyczne cechy aktywności nerwowej:

A.

przemieszczanie się potencjałów czynnościowych zazwyczaj w jednym kierunku

B.

powiązanie tempa wyładowań neuronu z intensywnością stymulacji

Jeśli bodziec jest silny, ponowne wyładowanie neuronu nastąpi tuż po zakończeniu się okresu refrakcji
bezwzględnej
- pośrednia siła stymulacji wywołuje więc pośrednie tempo wyładowań neuronu

3. Przewodzenie potencjałów czynnościowych

W jaki sposób przewodzenie

potencjałów czynnościowych różni się od przewodzenie potencjałów

postsynaptycznych (EPSPs i IPSPs)?

1. jest ono bezubytkowe (bez dekrementu)

- potencjały czynnościowe nie słabną

2. nie jest ono nagłe

- potencjały czynnościowe przewodzone są wolniej niż potencjały postsynaptyczne

D

LACZEGO

?

Ponieważ potencjały postsynaptyczne przewodzone są

biernie, podczas gdy transmisja aksonalna

potencjałów czynnościowych jest w większej części

czynna.

=> Każdy potencjał czynnościowy przesuwa się biernie ze wzgórka aksonalnego (gdzie jest on
generowany) po błonie aksonu do najbliższego

napięciowozależnego kanału sodowego

- po dotarciu doń potencjału czynnościowego kanał ten otwiera się (w odpowiedzi na ten

sygnał) i wytwarza następny – o pełnej sile – potencjał czynnościowy
- który przesuwa się następnie biernie do następnego kanału sodowego itd.

Ta sekwencja zdarzeń powtarza się, dopóki sygnał nie dotrze do kolbki synaptycznej wywołując tam
pełnowartościowy potencjał czynnościowy.

P

OTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY

jest raczej więc

serią oddzielnych wydarzeń niż pojedynczą falą pobudzenia, choć tak

właśnie jest zazwyczaj postrzegany.

Powstanie potencjału czynnościowego na błonie wzgórka aksonalnego wywołuje falę pobudzenia, która
rozprzestrzenia się również w kierunku ciała komórki i dendrytów

=> ten kierunek pobudzenia ma zazwyczaj charakter bierny, ponieważ kanały jonowe w ciele komórki
i dendrytach zazwyczaj

nie są napięciowozależne

Co stałoby się, gdyby wystarczająco silny bodziec elektryczny przyłożony został do kolbki synaptycznej aksonu?

=> wytworzony zostałby potencjał czynnościowy poruszający się w kierunku ciała komórki.
- Ten typ przewodnictwa nazywany jest

PRZEWODNICTWEM ANTYDROMOWYM

(

ANTYDROMICZNYM

)

Przewodnictwo nerwowe w normalnym kierunku (od ciała komórki w stronę zakończeń synaptycznych) nazywane
jest

PRZEWODNICTWEM ORTODROMOWYM

(

ORTODROMICZNYM

)

4. Przewodnictwo w aksonach zmielinizowanych

W aksonach zmielinizowanych jony przenikać mogą błonę neuronu tylko w

PRZEWĘŻENIACH

R

ANVIERA

– przerwach

pomiędzy przylegającymi do siebie segmentami mieliny.

W jaki sposób potencjały czynnościowe przewodzone są w zmielinizowanych aksonach?

=> sygnał przekazywany jest biernie – czyli natychmiast i z dekrementem – z kolbki synaptycznej wzdłuż
pierwszego segmentu mieliny do pierwszego przewężenia Ranviera

=> docierający tam sygnał jest więc nieco osłabiony, wystarczająco jednak silny, by otworzyć znajdujące
się w tym miejscu napięciowozależne kanały sodowe i zainicjować pełnowartościowy potencjał
czynnościowy

Mielinizacja zwiększa prędkość przewodzenia impulsów nerwowych wzdłuż aksonu.

D

LACZEGO

?

Ponieważ przewodzenie wzdłuż zmielinizowanych segmentów aksonu jest bierne, jest ono natychmiastowe:
sygnał po prostu „przeskakuje” po aksonie od przewężenia do przewężenia.

- w każdym przewężeniu zachodzi więc nieznaczne opóźnienie sygnału, niezbędne dla czynnego
wytworzenia nowego potencjału czynnościowego

Przewodzenie potencjałów czynnościowych w zmielinizowanych aksonach nazywane jest

PRZEWODNICTWEM SKOKOWYM

lub

PRZEWODNICTWEM SALTACYJNYM

5. Prędkość przewodnictwa w aksonach

Z jaką szybkością potencjały czynnościowe przewodzone są po aksonie?

- przewodnictwo jest większe w aksonach o dużej średnicy

- przewodnictwo jest większe w zmielinizowanych aksonach

=> Niektóre

neurony motoryczne w mózgu ssaków (duże i zmielinizowane) przewodzą impulsy z szybkością

100 metrów na sekundę (360km/h).

=> Małe, niezmielinizowane aksony: 1 metr na sekundę (3,6km/h)

=> Maksymalna szybkość przewodzenia u

ludzi (neurony motoryczne) wynosi ok. 60 metrów na sekundę (216km/h)

Pinel 5

6. Przewodnictwo w neuronach bez aksonu

Potencjały czynnościowe są środkiem, który wykorzystuje komórka nerwowa do przesyłania sygnałów typu
wszystko-albo-nic, bez dekrementu, na duże odległości.

=> wiele neuronów w mózgach ssaków

nie posiada jednak aksonów

- nie inicjują więc one potencjałów czynnościowych

Przewodnictwo nerwowe w tych

INTERNEURONACH

zachodzi więc zazwyczaj za pośrednictwem

stopniowalnych

i

przewodzonych z ubytkiem (dekrementem) potencjałów postsynaptycznych

7. Zmiana poglądów na funkcjonowanie dendrytów

D

ENDRYTY

przez długi czas uważano za nic więcej niż bierne przewodniki potencjałów postsynaptycznych.

=> dendryty niektórych jednak neuronów mogą funkcjonować również

czynnie!

- niektóre dendryty potrafią

generować potencjały czynnościowe

- niektóre sygnały dendrytyczne są

skomparamentalizowane, czyli ograniczone do poszczególnych

obszarów danego dendrytu

V. Przekaźnictwo synaptyczne: chemiczne przekaźnictwo sygnałów

- W jaki sposób potencjały czynnościowe docierające do kolbek synaptycznych inicjują uwolnienie
neuroprzekaźnika?

- W jaki sposób neuroprzekaźniki przenoszą sygnały do innych komórek?

1. Struktura synaps

Cząsteczki neuroprzekaźnika uwalniane są z

kolbki synaptycznej do przestrzeni synaptycznej, gdzie inicjują one

potencjały postsynaptyczne w innych neuronach poprzez związanie się z receptorami postsynaptycznymi.

Wyróżniamy następujące typy synaps:

-

synapsy aksodendrytyczne

–> w których kolbka synaptyczna przylega do dendrytu (często specjalnych jego wypustek nazywanych

kolcami,

lub

APARATEM KOLCOWYM

)

-

synapsy aksosomatyczne

–> w których kolbka synaptyczna przylega do ciała komórki

-

synapsy dendrodendrytyczne

–> mające często zdolność przewodzenia impulsów w obie strony

-

synapsy aksoaksonalne

-> potrafiące indukować

hamowanie presynaptyczne

S

YNAPSY PUNKTOWE

(directed synapses) występują, gdy miejsce uwalniania neuroprzekaźnika oraz jego wiązania

przez receptory znajdują się blisko siebie.

S

YNAPSY OBJĘTOŚCIOWE

(nondirected synapses) występują, gdy miejsce uwalniania neuroprzekaźnika oraz wrażliwe

na niego receptory znajdują się od siebie w pewnym oddaleniu.
- w tym przypadku działanie neuroprzekaźnika nie ogranicza się do obszaru synapsy, w której został on uwolniony

- cząsteczki neuroprzekaźnika mogą być uwolnione z serii tzw.

żylakowatości (varicosities) znajdujących się na

aksonie i jego odgałęzieniach (to tak zwane

synapsy koralikowe)

2. Synteza, pakowanie i transport cząsteczek neuroprzekaźnika

Występują dwa podstawowe typy cząsteczek neuroprzekaźnika

- małe

- duże

N

EUROPRZEKAŹNIKI NISKOCZĄSTECZKOWE

występują w kilku rodzajach,

NEUROPRZEKAŹNIKI WIELKOCZĄSTECZKOWE

są

wszystkie peptydami.

P

EPTYDY

są krótkimi

proteinami (białkami), czyli łańcuchami aminokwasów składającymi się z 10 lub mniej ich

cząsteczek.

A.

N

EUROPRZEKAŹNIKI NISKOCZĄSTECZKOWE

są zazwyczaj syntetyzowane w cytoplazmie

kolbki synaptycznej i pakowane

do

pęcherzyków synaptycznych przez znajdujący się tam aparat Golgiego

=> wypełnione neuroprzekaźnikiem pęcherzyki przechowywane są w pobliżu błony presynaptycznej

B.

N

EUROPRZEKAŹNIKI PEPTYDOWE

(tak jak inne białka) syntetyzowane są w cytoplazmie

ciała komórki na rybosomach

=> pakowane są one później do

pęcherzyków przez aparat Golgiego i transportowane przez

MIKROTUBULE

do

kolbek synaptycznych (z szybkością ok. 40 centymetrów na dzień)

=> te

wielkocząsteczkowe pęcherzyki synaptyczne nie gromadzą się tak blisko błony presynaptycznej

Wiele neuronów zawiera

dwa neuroprzekaźniki, jeden neuroprzekaźnik niskocząsteczkowy i jeden przekaźnik

peptydowy (

NEUROPEPTYD

)

=> sytuacja taka nazywana jest

KOEGZYSTENCJĄ

(coexistence), a transmisja synaptyczna oparta na współdziałaniu

neuroprzekaźników nazywa się

KOTRANSMISJĄ

.

Przez wiele lat w nauce o przekaźnictwie synaptycznym obowiązywało

prawo Dale’a, zgodnie z którym jeden

neuron wytwarza tylko jeden rodzaj neuroprzekaźnika. Jak widać zasada ta okazała się nieprawdziwa.

A

PARAT

G

OLGIEGO

jest częścią

siateczki śródplazmatycznej gładkiej, odpowiedzialną za dalszą obróbkę wytworzonych na

rybosomach białek. Tutaj wytworzone białka są sortowane i pakowane do pęcherzyków oraz uwalniane do cytoplazmy.

R

YBOSOMY

są globularnymi strukturami mieszczącymi się zazwyczaj w

siateczce śródplazmatycznej szorstkiej, głównym

obszarze syntezy białek w neuronie. Rybosomy dokonują translacji informacji zawartych w mRNA (które się z nimi wiąże)
tworząc cząsteczki białka, wykorzystując do tego obecne w cytoplazmie aminokwasy.

Pinel 6

3. Uwalnianie cząsteczek neuroprzekaźnika

Proces uwalniania cząsteczek neuroprzekaźnika nazywany jest

EGZOCYTOZĄ

W jaki sposób dochodzi do uwolnienia cząsteczek neuroprzekaźnika z kolbki synaptycznej (czyli

egzocytozy)?

=> w niepobudzonym neuronie

pęcherzyki niskocząsteczkowe gromadzą się gęsto w pobliżu obszarów błony

presynaptycznej bogatej w

napięciowozależne kanały wapniowe

=> pobudzone przez

potencjał czynnościowy, kanały te otwierają się inicjując napływ jonów wapnia Ca2+ do

wnętrza kolbki synaptycznej

=> napływ jonów wapnia do wnętrza kolbki prowadzi do połączenia (

FUZJI

)

pęcherzyków synaptycznych z błoną

presynaptyczną i uwolnienia ich zawartości do przestrzeni synaptycznej

Jaka jest różnica między egzocytozą neuroprzekaźników niskocząsteczkowych i neuropeptydów?

=>

neuroprzekaźniki niskocząsteczkowe uwalniane są zazwyczaj pulsowo - w postaci oddzielnych pakietów,

noszących nazwę kwantów – w odpowiedzi na potencjał czynnościowy wyzwalający napływ jonów wapnia przez

błonę presynaptyczną do wnętrza komórki

=>

neuroprzekaźniki wielkocząsteczkowe (neuropeptydy) są zazwyczaj uwalniane stopniowo, w odpowiedzi na

ogólny wzrost poziomu obecnych wewnątrz komórki jonów wapnia

- taka sytuacja występuje podczas ogólnego

wzrostu tempa wyładowań danego neuronu

4. Pobudzenie receptorów przez cząsteczki neuroprzekaźnika

Uwolnione cząsteczki neuroprzekaźnika wiążą się z

receptorami w błonie postsynaptycznej, w ten sposób

wyzwalając sygnały w neuronie.

Każdy

receptor jest cząsteczką białka (proteiną) zawierającą miejsca wiązań wyłącznie dla określonego

neuroprzekaźnika.

=> neuroprzekaźnik oddziałuje więc wyłącznie na te komórki, które posiadają odpowiednie receptory
=> każda cząsteczka wiążąca się z inną jest jej

LIGANDEM

(czyli neuroprzekaźnik jest

ligandem swojego receptora)

Większość neuroprzekaźników wiąże się z kilkoma różnymi typami receptorów

=> takie różne typy (odmiany) receptorów, z którymi wiązać się może dany przekaźnik nazywają się

PODTYPAMI

RECEPTORA

dla danego neuroprzekaźnika

- różne

podtypy receptora znajdują się zazwyczaj w różnych obszarach mózgu i zazwyczaj inaczej

reagują na ten sam neuroprzekaźnik

- umożliwiają one tym samym przekazywanie informacji różnego rodzaju do różnych rejonów mózgu za
pomocą tego samego neuroprzekaźnika

W jaki sposób związanie się neuroprzekaźnika z receptorem (a raczej jednym z jego podtypów) wpłynąć może
na neuron postsynaptyczny?

=> otóż zachodzi to na jeden z dwóch fundamentalnie różnych sposobów, zależnie od tego, czy receptor jest

jonotropowy czy metabotropowy

-

RECEPTORY JONOTROPOWE

związane są z aktywowanymi ligandem kanałami jonowymi

-

RECEPTORY METABOTROPOWE

związane są z białkami sygnałowymi i białkami G

Gdy cząsteczka neuroprzekaźnika wiąże się z

receptorem jonotropowym, związany z nim kanał jonowy zazwyczaj

natychmiast otwiera się lub zamyka

- inicjując tym samym natychmiastowy potencjał postsynaptyczny

Receptory metabotropowe są częstsze niż receptory jonotropowe

=> efekty ich pobudzenia wolniej się rozwijają, trwają dłużej, są bardziej rozlane i bardziej zróżnicowane

=> każdy receptor metabotropowy (a jest ich wiele rodzajów) związany jest z

białkiem sygnałowym, które wygląda

jak siedmiokrotnie zwinięty sznurek przechodzący przez błonę komórki

-

receptor metabotropowy znajduje się na zewnętrznej części tak „zawiniętego” białka sygnałowego

-

białko G znajduje się na wewnętrznej części białka sygnałowego

Gdy cząsteczka neuroprzekaźnika wiąże się z receptorem metabotropowym, część związanego z nim białka G
odrywa się od wewnętrznej części białka sygnałowego

Tak więc, zależnie od rodzaju białka G:

1. oderwana jego część może

przemieszczać się wewnątrz neuronu wzdłuż jego błony i związać się z

najbliższym kanałem jonowym
- inicjując w ten sposób potencjał postsynaptyczny (EPSP lub IPSP)

2. oderwana jego część zainicjować może

syntezę substancji chemicznej zwanej

PRZEKAŹNIKIEM WTÓRNYM

- przekaźnikiem pierwotnym jest neuroprzekaźnik uwalniany przez kolbkę synaptyczną do synapsy

Wytworzony

przekaźnik wtórny przemieszczający się po cytoplazmie wpływać może na czynność neuronu na różne

sposoby

=> na przykład przedostać się do jądra neuronu i związać z DNA, wpływając tym samym na ekspresję
obecnych tam genów

Jak widać wpływ neuroprzekaźników może być dość

radykalny i bardzo trwały

A

UTORECEPTORY

są receptorami metabotropowymi mającymi dwie szczególne cechy:

- wiążą się one z cząstkami neuroprzekaźnika własnego neuronu
- znajdują się one na błonie presynaptycznej

D

LACZEGO

?

J

AKA JEST ICH FUNKCJA

?

Monitorują one liczbę cząstek neuroprzekaźnika w szczelinie synaptycznej

-

zmniejszając uwalnianie neuroprzekaźnika, gdy jego poziom w szczelinie jest wysoki

-

zwiększając uwalnianie neuroprzekaźnika, gdy jego poziom w szczelinie jest niski

Pinel 7

Jakie różnice pomiędzy

NEUROPRZEKAŹNIKAMI NISKOCZĄSTECZKOWYMI

i

NEUROPEPTYDAMI

sugerują, że odgrywają one

różne funkcje?

=> różnice w schematach uwalniania i wiązaniach z receptorami

Więc, jakie są ich funkcje?

A. neuroprzekaźniki niskocząsteczkowe są zazwyczaj uwalniane w synapsach punktowych

- uczynniają one

receptory jonotropowe lub metabotropowe, które oddziałują bezpośrednio na kanały

jonowe
- ich funkcją jest przewodzenie nagłych, krótkich sygnałów pobudzeniowych lub hamulcowych do

pobliskich neuronów

B. neuroprzekaźniki peptydowe są zazwyczaj uwalniane w synapsach objętościowych (dyfuzyjnie)

- wiążą się one z

receptorami metabotropowymi, których działanie mediowane jest przez przekaźniki

wtórne
- ich funkcją jest przewodzenie sygnałów wolnych, rozlanych i długotrwałych

5. Wychwyt zwrotny, rozkład enzymatyczny i recykling neuroprzekaźnika

Dwa mechanizmy powodują

zakończenie przekaźnictwa synaptycznego (powstrzymując neuroprzekaźniki od

ciągłego pobudzania receptorów postsynaptycznych i zakłócania w ten sposób efektywnej komunikacji nerwowej).

Te mechanizmy dezaktywujące to:

A. wychwyt zwrotny
B. rozkład enzymatyczny

W

YCHWYT ZWROTNY

jest bardziej rozpowszechnionym mechanizmem: większość neuroprzekaźników jest po

uwolnieniu natychmiast z powrotem wychwytywana przez kolbkę synaptyczną, a ich składniki odzyskiwane
(recyklowane)

Inne neuroprzekaźniki są

ROZKŁADANE

w synapsie przez

ENZYMY

– substancje chemiczne, które pobudzają lub hamują

reakcje chemiczne bez bezpośredniego w nich uczestnictwa. Składniki rozłożonych neuroprzekaźników są
reabsorbowane i recyklowane

6. Zmiana poglądów na funkcjonowanie komórek glejowych

K

OMÓRKI GLEJOWE

(np. astrocyty), jak się wydaje, wydzielać potrafią neuroprzekaźniki, posiadają też ich receptory;

potrafią przewodzić sygnały, wpływać na rozwój synaps i uczestniczą w wychwycie zwrotnym neuroprzekaźników.

VI. Neuroprzekaźniki

Istnieją cztery klasy neuroprzekaźników niskocząsteczkowych

-

aminokwasy

-

monoaminy

-

rozpuszczalne gazy

-

acetylocholina

Istnieje jedna klasa neuroprzekaźników wielkocząsteczkowych

-

neuropeptydy

Większość neuroprzekaźników wytwarza albo pobudzenie albo hamowanie, lecz niektóre z nich wytwarzać potrafią
oba typy sygnałów, zależnie od tego, na jaki podtyp swojego receptora oddziałują.

1. Aminokwasy

Większość

szybko działających, punktowych synaps w ośrodkowym układzie nerwowym działa w oparciu o

aminokwasy.

Cztery najważniejsze aminokwasy to:

-

glutaminian

-

asparaginian

-

glicyna

-

kwas gamma-aminomasłowy (GABA)

G

LUTAMINIAN

,

ASPARAGINIAN

i

GLICYNA

obecne są w białkach potraw, które codziennie spożywamy.

GABA natomiast

syntetyzowany jest z glutaminianu, przez prostą jego modyfikację.

Glutaminian jest najpopularniejszym neuroprzekaźnikiem pobudzeniowym, GABA zaś najpopularniejszym
neuroprzekaźnikiem hamulcowym.

2. Monoaminy

M

ONOAMINY

syntetyzowane są z

pojedynczego aminokwasu. Są one nieco większe od neuroprzekaźników

aminokwasowych, a ich oddziaływanie jest zazwyczaj bardziej

rozlane.

=> obecne są one w

małych grupach neuronów, których ciało komórki znajduje się zazwyczaj w pniu mózgu

=> mają one zazwyczaj bardzo

rozgałęzione aksony z licznymi żylakowatościami (synapsami koralikowymi),

z których neuroprzekaźniki monoaminowe uwalniane są

objętościowo (w rozlany sposób) do płynu

zewnątrzkomórkowego

Istnieją cztery neuroprzekaźniki monoaminowe:

-

dopamina

-

nerepinefryna (noradrenalina)

-

epinefryna (adrenalina)

-

serotonina

Pinel 8

Dzielą się one następnie na dwie podgrupy (w oparciu o strukturę):

-

katecholaminy

-

indolaminy

K

ATECHOLAMINY

syntetyzowane są z aminokwasu

tyrozyny.

=> tyrozyna -> L-dopa -> dopamina -> epinefryna -> norepinefryna

Jedyna

INDOLAMINA

– serotonina – syntetyzowana jest z aminokwasu

tryptofanu.

=> tryptofan -> 5-hydroksytryptofan –> 5-hydroksytryptamina (serotonina) -> melatonina

3. Gazy rozpuszczalne

Odkryto je całkiem niedawno.

Do tej pory zalicza się do nich:

-

tlenek azotu

-

tlenek węgla

Wytwarzane w

cytoplazmie komórki nerwowej natychmiast dyfundują przez błonę komórkową do płynu

zewnątrzkomórkowego, a następnie do pobliskich komórek.

=> neuroprzekaźniki te są

rozpuszczalne w tłuszczach (lipidach), z łatwością więc przenikają przez błonę

komórkową
=> gdy dostaną się do pobliskiej komórki

inicjują wytwarzanie wtórnego przekaźnika, po czym są natychmiast

rozkładane
=> w niektórych synapsach

tlenek azotu mediować może przekaźnictwo wsteczne

4. Acetylocholina

Tworzona jest poprzez dodanie

grupy acetylowej do cząsteczki choliny (czy, inaczej mówiąc, syntetyzowana jest

z choliny i kwasu octowego).

Rozkładana jest przez enzym –

acetylocholinestrazę. Neurony syntetyzujące ACh nazywamy cholinergicznymi.

Istnieją

dwa rodzaje receptorów acetylocholiny: nikotynowe i muskarynowe.

Receptory nikotynowe obecne są w synapsach nerwowo-mięśniowych i w zwojach wegetatywnych.
Receptory muskarynowe obecne są w synapsach mięśni gładkich narządów wewnętrznych.

Receptory nikotynowe są

receptorami jonotropowymi, muskarynowe zaś metabotropowymi.

5. Neuropeptydy

Istnieje ponad 50 peptydów pretendujących do roli neuroprzekaźników. Peptydy takie nazywamy

NEUROPEPTYDAMI

.

Do neuropeptydów należą

ENDORFINY

, czyli

opiaty endogenne

- uczynniają one układy nerwowe wytwarzające

analgezję (czyli supresję bólu) oraz układy nerwowe pośredniczące

w odczuwaniu

przyjemności.

VII. Farmakologia przekaźnictwa synaptycznego

Środki farmakologiczne mają dwojaki, fundamentalnie odmienny, wpływ na przekaźnictwo synaptyczne

- ułatwiają je lub hamują

=> substancje wspomagające działanie neuroprzekaźnika są jego

agonistami

=> substancje hamujące działanie neuroprzekaźnika są jego

antagonistami

1. Jak środki farmakologiczne wpływają na przekaźnictwo synaptyczne

Siedem kroków oddziaływania neuroprzekaźnika:

1.

SYNTEZA CZĄSTECZEK NEUROPRZEKAŹNIKA POD WPŁYWEM ENZYMÓW

=> środki farmakologiczne mogą zwiększać lub hamować tę syntezę
(zwiększając ilość prekursora danego przekaźnika lub rozkładających go enzymów)

2.

CZĄSTECZKI NEUROPRZEKAŹNIKA PRZECHOWYWANE SĄ W PĘCHERZYKACH SYNAPTYCZNYCH

3.

CZĄSTECZKI NEUROPRZEKAŹNIKA WYCIEKAJĄCE ZE SWOICH PĘCHERZYKÓW NISZCZONE SĄ PRZEZ ENZYMY

=> środki farmakologiczne mogą zniszczyć te enzymy lub też spowodować większe wyciekanie
przekaźnika z pęcherzyków (i jego rozkład)

4.

EGZOCYTOZA

=> środki farmakologiczne zwiększać mogą lub blokować uwalnianie neuroprzekaźnika

5.

HAMUJĄCE SPRZĘŻENIE ZWROTNE POPRZEZ AUTORECEPTORY

=> środki farmakologiczne wiązać się mogą z autoreceptorami i blokować ich hamujący wpływ
lub też aktywować je, w ten sposób hamując uwalnianie neuroprzekaźnika

6.

UWOLNIONE CZĄSTKI NEUROPRZEKAŹNIKA WIĄŻĄ SIĘ Z RECEPTORAMI POSTSYNAPTYCZNYMI

=> środki farmakologiczne wiązać się mogą z receptorami postsynaptycznymi i albo je aktywować
(zwiększając oddziaływanie na nie neuroprzekaźnika) albo je blokować (bloker receptora)

7.

UNIECZYNNIENIE NEUROPRZEKAŹNIKA PRZEZ WYCHWYT ZWROTNY LUB ROZKŁAD ENZYMATYCZNY

=> środki farmakologiczne mogą hamować dezaktywację neuroprzekaźnika (poprzez zablokowanie
rozkładu lub wychwytu zwrotnego)

2. Substancje psychoaktywne: przykłady

A

GONIŚCI

Kokaina

=> potężny agonista katecholamin.
Zwiększa aktywność dopaminy i norepinefryny hamując ich wychwyt zwrotny.

Wpływ kokainy: euforia, utrata apetytu, bezsenność

Pinel 9

Benzodiazepiny

=> które są agonistami GABA.

Wiążą się z jonotropowym receptorem GABA

A

. Nie naśladują działania GABA i nie wiążą się z receptorem

w tym samym miejscu, co cząstki GABA. Zwiększają one wiązanie się cząstek GABA z receptorem (co jest
efektem hamulcowym, poprzez zwiększenie napływu jonów chlorkowych do neuronu).

Wpływ: anksjolityczny (przeciwlękowy), sedatywny (uspokajający, usypiający) i przeciwdrgawkowy

A

NTAGONIŚCI

Atropina

=> jest blokerem receptora wiążącym się z receptorem metabotropowym acetylocholiny, zwanym
receptorem muskarynowym

Kurara

=> jest blokerem receptora dla synaps cholinergicznych receptorów nikotynowych acetylocholiny.

Blokuje sygnały płynące do mięśni paraliżując osobę i prowadząc do śmierci przez uduszenie.