DO NOBLA MOśNA TEś KANAA
AMI
CZYLI O TYM
JAK ZBADANO POBUDLIWOŚĆ
1
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
POCZET KANAA
OLOGÓW
Pani Galvani'owa (\
ona L.Galvaniego) - zarzÄ…dza, \
e będą na obiad \
abie udka (lato, około 1789). W międzyczasie
skracają jednego króla o głowę, jeden sejm obraduje przez 4 lata, "kat rąbie cielsko i zostaje dusza anielska" a w
okolicach piramid pojawia sie facet z ręką zało\
oną za klapę marynarki, w smiesznym kapelusiku na głowie i z
du\
ymi ambicjami (naśladowców spotyka się dzisiaj w Zakładach Lecznictwa Bardzo Zamkniętego).
L.Galvani, A.Volta - obserwują pobudzenie nerwów i skurcz mięśni, chocia\
jeszcze nie wiadomo, \
e to
elektryczność (1789-1794). Szansa dla pana Mesmera.
E.Brucke, C.F.W.Ludwig, A.Fick - badania nad dyfuzjÄ…, hipoteza, \
e w błonach są dziury (1843-1856). Mickiewicz
kończy wykłady w Pary\
ewie. Kolej na Dolnym ÅšlÄ…sku.
E.DuBois-Reymond - wykazanie prądu czynnościowego w nerwie (1848). Wiosna Ludów.
H.von Helmholtz - pomiar szybkości przewodzenia w nerwie (ok. 1850). Za 11 lat Secesja.
J.Bernstein - teoria jonowego mechanizmu potencjałów błonowych (1902). Za rok Nobel dla Skłodowskiej-Curie, za
dwa - dla Sienkiewicza.
J.N.Langley - koncepcja receptora farmakologicznego i mediatora nerwowego (1904).
L.Michaelis - hipoteza wiÄ…\
ąca selektywność kanałów z ładunkiem elektrycznym ich ścian i kapilarną budową
(1925). Konferencja w Locarno. Powstaje placówka na Westerplatte.
H.H.Dale, O.Loewi - badajÄ… przekaz
nictwo synaptyczne i wykazują udział acetylocholiny. Jeden neuron - jeden
mediator. (Nobel - dopiero w 1963). LatajÄ… Zeppeliny i Lindbergh.
J.Erlanger, H.S.Gasser - badajÄ… przewodnictwo nerwowe i klasyfikujÄ… aksony na typy: A, B, C, D (Nobel 1944 -
ciekawe za co, alfabet zna ka\
dy!).
A.L.Hodgkin, A.F.Huxley, B.Katz - męczą akson obrzymi mątwy, z czego wychodzi im teoria i paskudne równania
potencjałów błonowych, (1939-1952 - A.Hodgkin, A.Huxley, J.Eccles - Nobel 1963). W międzyczasie na świecie
dziejÄ… siÄ™ wa\
niejsze rzeczy.
G.Ling, R.Gerard - wyciÄ…gajÄ… z cienkich szklanych rurek mikroelektrodÄ™ do badania depolaryzacji pojedynczych
neuronów i komórek mięśni (1949). Te\
mieli zabawÄ™!.
K.S.Cole - technika voltage clamp - za mÄ…dre, \
eby zrozumieć (1949). Ju\
po 3 x TAK.
S.Hagiwara - TEA, nie herbatka tylko tetraetyloamina, jako bloker potasowych prądów błonowych (1959). Pies
A
ajka w kosmosie. Pierwsza tysiąclatka i dziesięciotysięcznik.
Y.Nakamura - zastosował tetrodotoksynę do blokady prądów sodowych (1965). Pewnie mu się ryby przejadły, albo
miał coś do teściowej. Za rok Milenium Polski.
B.Katz, U.S.von Euler, J.Axelrod - mechanizm działania synapsy acetylocholinowej (Nobel 1970). Roszada:
W.Gomułka - E.Gierek. Coca-Cola rychło w Polsce.
W.E.Sutherland, T.W.Rall - wykazanie roli c-AMP, teoria drugiego przekaz
nika (lata '60 - W.E.Sutherland - Nobel
1971).
A.G.Gilman, E.M.Ross - identyfikacja biochemiczna białka G - składnika układu: receptor - cyklaza adenylanowa
(1970).
J.Henderson, J.H.Wang - izolacja białka kanałowego (1972).
E.Neher, B.Sackman - wprowadzenie techniki patch clamp (co znaczy: TRZYMAJ - A
ATAJ) do bezpośrednich
badań kanałów błonowych w \
ywych komórkach (1976 - Nobel 1991).
E.Fisher, E.G.Krebs, P.Greengard - badania nad kinazami białkowymi, mechanizm aktywacji białek poprzez
odwracalnÄ… fosforylacjÄ™ (lata '60 - E.Fisher, E.Krebs - Nobel 1992).
J.Hibbs, L.Ignarro, S.Moncado, J.Garthwaite - wykrycie, poznanie roli tlenku azotu (NO) i wykazanie jego działania
w tkance nerwowej, (1980-89). Gdyby zajęli się N2O byłoby przynajmniej do śmiechu. W Polsce - m.in.
Pomarańczowa Alternatywa.
P.T.Nieznani męczennicy kanałologii - zgłębianie wiedzy o kanałach na I roku psychologii w WPiPs UŚ
K-ce PL (1981-1999). Nagroda ... w Niebie.
Lasciate ogni speranca...
2
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
KUCHNIA KANAA
OLOGÓW
Z PODR
CZNEGO NOTATNIKA LUKRECJI BORGII
Tetrodotoksyna - jedna z najsilniejszych naturalnych trucizn zawarta w niektórych cześciach ciała
tropikalnej ryby - kolcobrzucha - ryby kuli albo naje\
ki czyli fugu (Tetraodon, Fugu rubripes),
specyficznie blokuje napływ jonu sodu i depolaryzację. W Japonii fugu (siekana na surowo) uchodzi
za nadzwyczajny przysmak. Trzeba dobrze \
yć z kucharzem, który wie jak to przyrządzić!
Saksitoksyna jednokomórkowych bruzdnic Gonyaulax i sinic Aphanizomenon - jak tetrodotoksyna (Glony
u\
ywają takich trucizn do mordowania małych ryb i wielo-rybów).
Brewetoksyny (Gymnodinium breve - glony) - depolaryzacja przez działanie na kanał sodowy.
Jad skorpiona Buthus i jad ukwiałów (Anemonia sp.) - peptydy otwierające i blokujące w stanie otwartym
kanały sodowe (jakby kto drzwi wyłamał), uniemo\
liwiają zatrzymanie napływu jonów sodu -
depolaryzacja bez końca, parali\
, no i ...
Weratrydyna, piretryny, akonityna, grajanotoksyna (z Veratrum sp, Chrysanthemum sp., Pyrethrum sp.,
Aconitum sp., Rhododendron sp.) - alkaloidy roślinne i naturalne insektycydy oraz batrachotoksyna
(od pewnej \
aby z Kolumbii) - działanie jak jadu skorpionów Buthus.
Składniki jadu pająków - JSTX = Joro Spider Toxin (Nephila sp.), latrotoksyna (Latrodectus sp. - wdowa
- czarna) i argiotoksyna (Argiope sp. - krzy\
aki) oraz filantotoksyna osy grzebaczowatej (Philanthus
sp. - taszczyn - ta, która karmi larwy sparali\
owanymi owadami) - uniemo\
liwiajÄ… zatrzymanie raz
rozpoczętego napływu wapnia ("wyłamywacze" kanału wapniowego) - groz
ne głównie dla much
i innych owadów, chocia\
nara\
enie się kilku gatunkom pająków mo\
na przepłacić cię\
ka chorobÄ….
najsilniejsza toksyna pajęcza  atraksotoksyna z 3 cm australijskiego Atrax robustus (13 ofiar do roku
1981, odkąd anatoksyna), następny gatunek z kolei  Latrodectus hasselti, niebezpieczne tak\
e: mały,
czarny, australijski Latrodectus spod desek sedesowych i południowo-europejski Latrodectus,
z polskich gatunków  kolczak zbrojny (Chiracantium punctorium) wywołuje silny, bolesny obrzęk
Kaliotoksyna (skorpion Androctonus), charybdotoksyna i scyllatoksyna (skorpion Leiurus) - blokery
wapniozale\
nego kanału potasowego - K(Ca)Ch - tego od salwy depolaryzacji.
Jad skorpionów Centurioides i Tityus - blokery kanału patasowego (KCh).
Konotoksyna - bloker receptorów postsynaptycznych (AChR) i kanałów (CaCh lub NaCh - ró\
ne
odmiany) w złączu nerwowo-mięśniowym - producent i wyłączny dystrybutor: Conus sp. (sto\
ki -
ładne ślimaki morskie chętnie zbierane na ostatnią pamiątkę), ró\
ne odmiany działają wybiórczo na
ró\
ne organizmy.
Apamina - jedyny peptyd przenikający barierę krew-mózg, składnik jadu pszczół (Apis melifera), ułatwia
depolaryzację blokując jeden z prądów potasowych wypływających z wnętrza komórki.
Bungarotoksyny (wÄ…\
Bungarus), kobratoksyna (kobra) - antagonista (bloker) receptora
cholinoergicznego (AChR) czyli substancja wiÄ…\
Ä…ca siÄ™ z receptorem bez jego aktywacji .
Tubokuraryna (składnik kurary), prostygmina i heksametonium - blokery receptora dla acetylocholiny
(AChR), z którego ją wypierają i równocześnie blokery AChE.
Fizostygmina (ezeryna), neostygmina, prostygmina - substancje hamujące rozkładanie acetylocholiny
przez AChE w szczelinie synaptycznej co przedłu\
a jej działanie i ... (agronomowie z lat 60 mieli, a
wojsko i dzisiaj jeszcze ma silniejsze środki).
Cyguaterotoksyna - inhibitor AChE z tkanek ryb pacyficznych.
Nikotyna (Nicotiana tabacum, Gauloise, Marlboro, Wiarus, Klubowe ...) oraz karbachol, pilokarpina,
dekametonium, suksametonium - depolaryzują naśladując acetylocholinę.
Anatoksyna (sinica Anaboena sp. - sprawca zakwitów) - naśladuje ACh wobec receptorów, a fizostygminę
wobec esterazy (AChE).
3
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
Muskaryna (wcale nie z Amanita muscaria - tego czerwonego z białymi kropkami, tylko ze strzępiaków
i lejkówek oraz jednego grzyba australijskiego) - imituje ACh w złączu cholinoergicznym z M-AChR
- układ wegetatywny - dobre na muchy.
Pikrotoksyna, bikukulina - blokery receptora kwasu gamma-aminomasłowego (GABA-R), w
odpowiedniej ilości skutecznie uspokajają na zawsze.
Uabaina czyli strofantyna (Strophanthus sp.), digitalina (Digitalis sp.) - blokery pompy sodowo-
potasowej.
Ergotamina, ergotoksyna, ergotonina, ergometryna (alkaloidy sporyszu  Secale cornutum) - bloker alfa-
adrenoceptorów dla noradrenaliny i adrenaliny (adrenolityk) i cholinomimetyk miotropowy.
Botulina - popularna: kiełbasina zepsuta i puszkowina rybna (Clostridium botulinum i Gastronomia
polonica var. communae) - blokuje wydzielanie ACh z kolbek synaptycznych - pora\
enie wiotkie (1 g
czystej botuliny starczy na 10 mln ludzi).
Tetanospasmina (Clostridium tetani - tÄ™\
ec) - nasila wydzielanie i działanie ACh w złączach nerwowo-
mięśniowych - pora\
enie spastyczne tj. skurczowe (równie skuteczna jak botulina).
Hyoscyna (Hyoscyamus sp.), atropina (Athropa sp.) i skopolamina (tak\
e w muchomorze czerwonym) -
antagonista M-AChR, blokuje dostęp dla ACh i nikotyny (raczej nie polecane jako środek na
palaczy).
Kokaina - blokuje zwrotny wychwyt wydzielonego mediatora (niektórzy to lubią, ale do czasu).
Białkowy składnik jadu morskich wieloszczetów Glycera convoluta - wbudowuje się w błony kolbek
synaptycznych ukąszonej ofiary i działa jak otwarty kanał, powodujący uwalnianie mediatora (być
mo\
e ma coś wspólnego z tzw. ukąszeniem heglowskim).
4
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
KANAA
Y I RECEPTORY
KANAA
Y SYNAPS CHEMICZNYCH I BA
ON POZASYNAPTYCZNYCH
KANAA
Y AKTYWOWANE PRZEZ ZMIANY POTENCJAA
U
SODOWY
" NaCh - umo\
liwia napływ sodu do komórki, występuje w kilku podtypach o ró\
nej kinetyce,
główne to: szybki, wolny i progowy.
WAPNIOWY
" CaCh - umo\
liwia napływ wapnia, podtypy podobne jak dla kanału sodowego.
POTASOWY
umo\
liwia wypływ potasu z komórki, co przeciwdziała czynności NaCh i CaCh, wśród licznych
podtypów są m.in.:
" KCh - odpowiadający za repolaryzację, dwa główne podtypy szybki i wolny,
" ACh -  męczącej się repolaryzacji , tzn. aktywuje go depolaryzacja, potem stopniowo się zamyka,
co zwiększa pobudliwość - umo\
liwia samoczynne depolaryzacje wskutek powolnego zamykania
siÄ™ po repolaryzacji - tak\
e spacing rytmiczne depolaryzacje czyli serca i neuronów
rozrusznikowych
" IRCh - zamykajÄ…cy siÄ™ na szczycie depolaryzacji co powoduje plateau depolaryzacji serca,
" GIRK Ch  G-protein activated inwardly rectifying K+-channels - hiperpolaryzujÄ…ce, wra\
liwe na
etanol - aktywowane alkoholem, powodują hamowanie czynności korowych w upojeniu
alkoholowym
" K(Ca)Ch = Slo-KCh + SK-KCh - otwierany/aktywowany oraz modulowany przez nadmiar jonów
wapnia we wnętrzu komórki, sprawca wyładowań (depolaryzacji) salwami lub habituacji.
oraz
" K(Na)Ch i K(ATP)Ch  z których ten drugi jest modyfikowany przez błonowe fosfolipidy, tzn
wzrost wewnątrzkomórkowego stę\
enia fosforanów fosfatydyloinozytolu (PIPs) znosi blok kanału
przez ATP, aktywacja rozkładającej PIPs fosfolipazy C ponownie umo\
liwia hamowanie przez ATP
" TWIK-Ch - kanał potasowy z dwoma otworami (two pore) - dziwadło!
CHLORKOWY
" ClCh - odpowiada za napływ chloru, liczne podtypy, u słodkowodnych jednokomórkowców
odpowiada za depolaryzacjÄ™.
aktywowane przez ligand ClCh (Gly-R, GABAA-R), cAMP-regulated Cystic Fibrosis Transmembrane
Conductance Regulator (CFCR), napięciozale\
ne ClCh, i Aktwywowane przez wapń (Cl(Ca)Ch)
KANAA
Y I RECEPTORY AKTYWOWANE PRZEZ MEDIATOR NERWOWY
acetylocholinowy: N i M z licznymi podtypami;
alfa- i beta-adrenergiczny z z ok. 10 podtypami;
dopaminowy: D1, D2, D3, D4;
glutaminowy: non-NMDA i NMDA; AMPA; kainianowy; kwiskwalinianowy (Q/K)
opiatowy µ, º, ...
oraz dla histaminy, glicyny, tauryny, peptydów, benzodiazepin, cytokin
... i inne - większość z ponad 40 poznanych mediatorów ma co najmniej dwa ró\
ne receptory, jeden z
nich mo\
e być kanałem dla jakiegoś jonu, a inne są związane z produkcją drugiego przekaz
nika.
Receptor błonowy zbudowany jest z wielu cząsteczek białek, tworzących - w pewnym sensie -
ogniwa łańcucha czynności. Jednym z takich pośrednich ogniw są białka G. Końcowym ogniwem
jest enzym produkujÄ…cy drugi przekaz
nik, np.: cyklaza adenylanowa lub fosfolipaza A2.
tak\
e liczne egzotyczne receptory błonowe zmysłów chemicznych sprzę\
one z białkiem Golf
5
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
KANAA
Y SENSORYCZNE KOMÓREK RECEPTOROWYCH
wra\
liwe na deformację błony komórki (dotyk), światło i inne bodz
ce, przekształcają energię bodz
ca
w impuls nerwowy, mogą współdziałać z układem drugiego przekaz
nika.
KANAA
Y ZA

CZA ÅšCISA
EGO  SYNAPSY ELEKTRYCZNEJ
KONEKSON - BRIDGED JUNCTION, GAP JUNCTION, NEXUS
Umo\
liwiają w odró\
nieniu od innych typów synaps mostkowanie cytoplazmy komórek
Rozmiar umo\
liwia przechodzenie cząsteczek do 800-1000 dalt lub średnicy 1,5 nm (np. c-AMP,
sacharoza, drobne peptydy).
Przewodzą bezkierunkowo  niespolaryzowane, aczkolwiek niektóre wykazują własności
prostownicze (rectification).
Konekson (connexon) = z heksagonalny agregat koneksyny (connexin), jedna jednostka ok. 25 kdalt.
przebijający błonę, i łączący się otworem z bliz
niaczym agregatem drugiej komórki. U
bezkręgowców zbudowany z ineksyny (innexin) Ma mo\
liwość zmiany regulacji z udziałem
drugiego przekaz
nika, prawdopodobnie jonów Ca  zmiany rozwarcia przez skręcenie steryczne
podjednostek.
6
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
BIAA
KA G W UKA
ADZIE DRUGIEGO PRZEKAy
NIKA I ICH FUNKCJA
" Gs - w receptorze adrenaliny i glukagonu, pośredniczy w aktywacji cyklazy adenylanowej.
" Gi - w receptorze acetylocholiny, pośredniczy w aktywacji kanału potasowego i obni\
eniu
pobudliwości serca.
" Gi/o - w receptorach mediatorów opiatowych (endorfin), pośredniczy w czynności kanałów
potasowych i wapniowych w komórkach nerwowych.
" Golf - pośredniczy w reagowaniu komórek węchowych na substancje wonne.
" Gt (transducyna) - pośredniczy w przekształceniu bodz
ca jakim jest rozpad rodopsyny na zmianÄ™
potencjału komórek siatkówki oka.
" c-Ras - białko początkowe szlaku sygnalizacji poprzez c-Raf i białka dokujące na błonie MAPKK,
czyli kinazÄ™ kinaz aktywowanych mitogenami (MAPK)
BA
ONOWE ENZYMY WZMACNIAJ
CE PIERWSZEGO STOPNIA
Cyklazy purynowe
Cyklaza adenylanowa, Cyklaza guanylanowa
z ATP lub GTP syntetyzujÄ… c-AMP lub c-GMP
Fosfolipazy
PL-aza-A2, Ca2+ - PL-aza-A2,
uwalnia arachidonian (drugi przekaz
nik)
PL-aza-C
współdziałając np. z receptorem kwiskwalinianowym
(non-NMDA-Glu-R = Q/K - R) z PI wytwarza IP3 i DAG
PL-aza-D
CYTOPLAZMATYCZNE ENZYMY WZMACNIAJ
CE DRUGIEGO STOPNIA
Kinazy białkowe
PKA I i II = c-AMP-PK - adenozylowa
aktywowana przez c-AMP, fosforyluje reszty Ser i Tre
PKB = PK II = Ca-Cmd-PK = CAM-PK - kalmodulinowa
aktywowana przez Ca2+ z kalmodulinÄ… fosforyluje Ser i Tre
autofosforylująca się zło\
ona z 12 podjednostek
PKC = Ca-PL-PK - wapniowo-fosfolipidowa
aktywowana przez DAG i Ca2+, fosforyluje reszty Ser i Tre
z cytoplazmy wbudowuje się w błony - długotrwała aktywacja
PKG = c-GMP-PK - guanozylowa - neurotrofinowa (NGF)
fosforyluje reszty Ser i Tre
TK = TyrK - kinaza tyrozynowa
podjednostka receptora błonowego fosforyluje reszty Tyr
STK = Ser-Tre-K - kinaza serotoninowo-treoninowa receptora cytokinowego
MAPKK = kinaza (Tre i Tyr zale\
na) kinaz MAP (MAPK) w systemie Ras-Raf zale\
nej kaskady
kontroli wzrostu i ró\
nicowania komórek
MAPK = kinazy białkowe aktywowane mitogenami (np. Erk 1 i 2) w systemie Ras-Raf zale\
nej
kaskady kontroli wzrostu i ró\
nicowania komórek - aktywacji czynników transkrypcyjnych (np.
elk) w jÄ…drze
Jak = kinazy janusowe (o dwóch centrach: Jak 1, Jak2, Jak3, Tyk) fosforylujące białka Stat (signal
transducer and activator of transcription)
CTK - cytoplazmatyczne kinazy tyrozynowe (Lck, Fyn, Lyn, Syk, Btk, Hck, Tec) aktywujÄ…ce czynniki
transkrypcyjne c-fos, c-jun, c-myc
7
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
KANAA
Z PAMI
CI

ALBO
PAMI
Ć W KANALE
Badania błon, kanałów i receptorów umo\
liwiły zrozumienie procesów związanych z
ró\
nymi formami uczenia się i pamięci. W odkryciach tych znaczącą rolę odegrały zespoły
badawcze Ladislava Tauca, Erica Kandela, Vincenta Castelluciego, Jamesa Schwartza i Davida
Alcona.
HABITUACJA
Jedną z elementarnych form pamięci jest habituacja. Polega ona na zaprzestaniu
reagowania na powtarzający się rytmicznie, obojętny bodziec, który mo\
emy nazwać bodz
cem
warunkowym. Bodziec ten działając pierwszy raz wywołuje co najmniej reakcję orientacyjną -
chwilowe zainteresowanie jego z
ródłem. Habituacja jest więc  dowolną nieuwagą mózgu ,
chroniącą go przed napływem nieistotnych bodz
ców. Jej przykładem jest  niesłyszenie tykania
budzika podczas czytania kryminału lub niedostrzeganie znaczka identyfikacyjnego programu na
ekranie telewizora.
Mechanizm neuronalny habituacji poznano dzięki badaniom przeprowadzonym na
morskim ślimaku z rodzaju Aplysia (zając morski). Bardzo uproszczony model badanego układu
neuronalnego obejmuje tu dwa zespoły neuronów. W skład ka\
dego z nich wchodzi neuron
czuciowy połączony jednym z odgałęzień aksonu z neuronem pośredniczącym, drugim zaś
odgałęzieniem - z motoneuronem, na który działa te\
wspomniany neuron pośredniczący.
Motoneuron pobudza bezpośrednio mięśnie zaanga\
owane w reakcję obronną. Oba układy
sprzÄ™\
one są ze sobą przez dodatkowy neuron pośredniczący, który swoimi zakończeniami
wydzielającymi serotoninę działa na kolbki synaptyczne pierwszego neuronu czuciowego.
Pobudzenia docierają do niego bezpośrednio z pierwszorzędowego neuronu czuciowego drugiego
zespołu neuronów. Jeden z tych zespołów neuronalnych Aplysii odbiera bodz
ce dotykowe i
bólowe z powierzchni ciała w okolicy syfonu, drugi zaś zespół - ten sam rodzaj bodz
ców z innych
okolic ciała np.: z głowy, płaszcza lub tylnej części stopy zwierzęcia. Odpowiedzią na
podra\
nienie bólowe jest chowanie przez ślimaka skrzeli i syfonu. Jest to typowy odruch na
bodziec bezwarunkowy. Reagowanie na warunkowy, delikatny bodziec powstajÄ…cy np. przy
imitowaniu falowania wody lub ocierania o wodorost jest zazwyczaj zbędne. Trudno jednak być
pewnym (z punktu widzenia Aplysii i jej układu nerwowego), czy powtarzające się, delikatne
dotknięcia nie są zapowiedzią nadchodzącego bólu. Opisany układ neuronalny rozstrzyga ten
dylemat automatycznie na zasadzie habituacji - przywykania. Zgodnie z ustaleniami zespołu
Kandela, habituacja zachodzi w pierwszej synapsie utworzonej przez neuron czuciowy, na który
działa bodziec warunkowy. Kolejne pobudzenia i towarzyszące im depolaryzacje powodują
stopniową aktywacje kanałów potasowych zale\
nych od wapnia i inaktywację kanałów
wapniowych w kolbce synaptycznej. Oznacza to, \
e z ka\
dym kolejnym pobudzeniem
depolaryzacja kolbki jest słabsza. Poniewa\
zaś wielkość depolaryzacji i ilość napływającego
wapnia decyduje o ilości wydzielonego z kolbki mediatora, po kilku - kilkunastu rytmicznych
powtórzeniach bodz
ca, ilość wydzielanego mediatora jest zbyt mała aby pobudzić kolejny
neuron. Reakcja wygasa i stan ten utrzymuje się w pewnych warunkach nawet ponad tydzień.
8
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
SENSYTYZACJA
Ta sama synapsa odpowiada tak\
e za przeciwstawny efekt zwany sensytyzacjÄ…
(facylitacjÄ…), czyli uwra\
liwieniem. Dość dobrze odzwierciedla go powiedzenie: "kto się raz
sparzył i na zimne dmucha". W przypadku sensytyzacji, po zadziałaniu istotnego bodz
ca
(bezwarunkowego), który bezwzględnie wywołuje odruch bezwarunkowy, ka\
dy działający
póz
niej bodziec warunkowy wywołuje tę samą reakcję odruchową. W tym przypadku
współpracują oba równoległe układy neuronów w zwojach nerwowych Aplysii. Bezwarunkowy
bodziec bólowy, działający na neuron czuciowy poza obszarem syfonu, uruchamia odruch
obronny dzięki przewodzeniu pobudzenia własnym szlakiem. Jednocześnie jednak pobudzenie,
zbaczając przez serotoninowy neuron pośredniczący, wyzwala z jego kolbek serotoninę. Ta działa
na błonę kolbek synaptycznych układu zaczynającego się w syfonie. Serotonina wią\
e siÄ™ z
błonowym receptorem kolbek, co powoduje aktywację błonowego enzymu - cyklazy
adenylanowej. Enzym ten, działając po wewnętrznej stronie błony, wytwarza z
adenozynotrójfosforanu (ATP) cykliczny adenozynomonofosforan (c-AMP). c-AMP łączy się z
kolejnym enzymem - kinazą białkową. Powoduje to, \
e enzym ten staje siÄ™ aktywny. Aktywna
kinaza przenosi resztę fosforanową z ATP na aminokwas tyrozynę w cząsteczkach innych białek.
W tym przypadku, jednym z tych białek jest pewien typ kanału potasowego. Fosforylacja kanału
powoduje jego inaktywację, co pociąga za sobą osłabienie prądów potasowych zapobiegających
depolaryzacji kolbki. Je\
eli teraz, na neuron czuciowy zadziała nawet słaby bodziec warunkowy,
to z jego uczulonej kolbki wydzieli się ilość mediatora wystarczająca do pobudzenia
motoneuronu i wywołania odruchu obronnego.
WARUNKOWANIE
Je\
eli odwrócimy kolejność działania bodz
ców na opisany wy\
ej układ neuronów,
otrzymamy sytuację odpowiadającą wytwarzaniu klasycznych odruchów warunkowych (takich
jakie badał Pawłow). Ten typ zjawisk pamięci nazywany bywa pamięcią czynności odruchowych
- algorytmów reakcji (reflexive memory). W przypadku warunkowania u Aplysii, słaby bodziec
warunkowy, działając na neuron czuciowy syfonu, powoduje napływ wapnia do jego kolbek
synaptycznych. Początkowo więc wystąpi stan identyczny z habituacją. Wapń, który napłynął do
kolbki, łączy się w niej z białkiem kalmoduliną. Chwilowo nie pociąga to za sobą dalszych
konsekwencji. Je\
eli jednak, w krótkim czasie od zadziałania bodz
ca warunkowego na
równoległy układ neuronów zadziała bodziec bezwarunkowy, to oprócz tego, \
e wywołane
pobudzenie dotrze do motoneuronu, zadziała tak\
e serotoninowy neuron pośredniczący. Jego
działanie spowoduje oczywiście serię zjawisk jakie towarzyszyły sensytyzacji. Z jedną wszak\
e
istotną ró\
nicÄ…: zwiÄ…zana z wapniem kalmodulina znacznie wzmaga produkcjÄ™ c-AMP przez
cyklazÄ™ adenylanowÄ…. To z kolei powoduje, \
e synapsa staje siÄ™ bardziej pobudliwa ni\
w
przypadku sensytyzacji. Tak więc, kolejny bodziec warunkowy jest w stanie wywołać odruch
obronny.
Przedstawiony wy\
ej model zjawisk związanych z uczeniem został potwierdzony przez
inne niezale\
ne zespoły badawcze. Daniel Alkon i Joseph Farley ze współpracownikami wykazali
go u ślimaka Hermissenda. Graham Hoyle - u szarańczy, a Charles Woody w preparatach z
mózgu kota. Podobne wnioski wyciągnął te\
zespół Seymoura Benzera, badający dziedziczenie
genu cyklazy adenylanowej u  tępych - opornych na wytwarzanie odruchów mutantów muszki
owocowej.
9
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008
PAMI
Ć SPRAWOZDAWCZA
U podło\
a pamięci sprawozdawczej (declarative memory) le\
y kolejny mechanizm
neuronalny. Pamięć tego typu jest pamięcią zdarzeń, sytuacji i pamięcią wykorzystywaną przy
zdobywaniu wiedzy. Mo\
e ona powstawać w jednej próbie w wyniku  kojarzenia dwóch
 równocześnie działających bodz
ców. Przynajmniej jeden z tych bodz
ców musi być przy tym
obiektywnie lub subiektywnie wa\
ny - musi mu towarzyszyć motywacja (chęć) zapamiętania lub
silne emocje. Ten typ pamięci był postulowany przez Donalda Hebba, a jego neuronalnym
odpowiednikiem jest zjawisko długotrwałego wzmocnienia potę\
cowego (long-term posttetanic
potentiation), które zostało zaobserwowane we fragmencie starej kory mózgowej zwanym
hipokampem przez Timothy'ego Blissa i Terje Lomo.
Mechanizm długotrwałego wzmocnienia potę\
cowego mo\
na rozpatrywać na modelu
zło\
onym z kilku neuronów doprowadzających i jednego neuronu wyprowadzającego.
Przynajmniej jeden z neuronów doprowadzających byłby neuronem motywującym do
 zapamiętania . Przekaz
nikiem w synapsach utworzonych przez neurony doprowadzajÄ…ce jest tu
kwas glutaminowy. W błonie postsynaptycznej neuronu wyprowadzającego pod kolbkami
neuronu motywacyjnego znajdują się jednak inne kanały - receptory glutaminianowe, ni\
pod
kolbkami synaptycznymi pozostałych neuronów. W przypadku synapsy neuronu motywacyjnego
są to kanały zwane non-NMDA, co oznacza \
e nie sÄ… one wra\
liwe na imitujÄ…cy glutaminian
związek - N-metylo-D-argininę. Kanały te pod wpływem glutaminianu otwierają się powodując
depolaryzację neuronu wyprowadzającego. Błona postsynaptyczna pod kolbkami pozostałych
neuronów doprowadzających wyposa\
ona jest w receptory - kanały typu NMDA, wra\
liwe
zarówno na glutaminian jak i na N-metylo-D-argininę. Otwierają się one jednak tylko wtedy, gdy
komórka wyprowadzająca została uprzednio zdepolaryzowana dzięki pobudzeniu receptorów
non-NMDA. Receptory NMDA sumujÄ… zatem bodz
ce - wymagają podwójnego pobudzenia.
Otwarcie receptorów kanałów typu NMDA powoduje napływ jonów wapnia do wnętrza komórki
wyprowadzającej. Wapń aktywuje z udziałem kalmoduliny kinazy białkowe. Kinazy te aktywują
z kolei enzym - syntazÄ™ tlenku azotu. Zaktywowana syntaza przeprowadza reakcjÄ™, w wyniku
której z argininy powstaje tlenek azotu i cytrulina. Tlenek azotu jest nietrwałym, wysoce
reaktywnym gazem, który natychmiast po powstaniu dyfunduje z neuronu wyprowadzającego i
działa na otaczające go neurony. Działanie to polega na aktywacji w ich wnętrzu cyklazy
guanylowej, z którą fragmentem wią\
e się tlenek azotu. Wzrost aktywności cyklazy guanylowej
poprzez produkcjÄ™ c-GMP powoduje (podobnie jak w przypadku c-AMP i sensytyzacji) wzrost
skuteczności pobudzania neuronu wyprowadzającego przez neurony doprowadzające.
Podobnie do NO mo\
e działać kwas arachidonowy uwalniany z neuronów w wyniku
hydrolizy fosfolipidów błonowych przez fosfolipazy (szczególnie PL-azę A2)
Oczywiście modele te nie tłumaczą wszystkich zjawisk związanych z uczeniem.
Wiadomo na przykład, \
e podczas uczenia mo\
e dochodzić do syntezy i wbudowywania w błony
nowych kanałów. Obserwowano tak\
e zmiany struktury wypustek neuronu (kolców
dendrytycznych) i zmiany połączeń między neuronami. Tym niemniej, poznanie natury i
czynności kanałów błonowych przybli\
yło zrozumienie procesów zachodzących w układzie
nerwowym, stwarzajÄ…c zarazem szansÄ™ praktycznego zastosowania tej wiedzy w medycynie.
Zapewne nie sÄ… to ostatnie wa\
ne odkrycia wynikające z badań nad kanałami błonowymi.
10
KanaÅ‚y, wielcy kanaÅ‚olodzy i neurotoksyny © PA
2008