Fizjologia układu nerwowego cz.I

Elektrofizjologia komórki nerwowej

Komórki nerwowe (także mięśniowe) należą do komórek pobudliwych. W fizjologii pod tym pojęciem najczęściej rozumiemy zdolność tych komórek do odpowiedzi na bodziec własnym potencjałem czynnościowym ( zmianą elektryczną ).

U podłoża tych zdolności leżą charakterystyczne właściwości błon tych komórek. W spoczy­nku cechują się tzw. potencjałem spoczynkowym. Oznacza to, że błona tych komórek jest na­ładowana różnoimiennie. Od strony wnętrza naładowana jest ujemnie natomiast na zewnątrz elektrododatnio.

Odpowiedzialne za taki stan są trzy czynniki :

1. Wewnątrz komórki w przewadze występują aniony organiczne oraz jony K⁺ , natomiast w płynie zewnątrzkomórkowym występują głównie jony Na⁺ i Cl^-. Obecność anionów białczanowych, które nie mogą się przemieszczać przez błonę komórkową bez naruszenia jej struktu­ry, mimo obecności jonów dodatnich warunkuje elektroujemność środowiska wewnętrznego

2. Niesymetryczne rozłożenie jonów Na⁺ i K⁺, wywołane obecnością w błonie komórkowej transportu aktywnego, tzw. pompy sodowo-potasowej.

3. Obecność w błonie komórkowej kanałów jonowych, dzięki którym błona komórkowa może zmieniać swoją przepuszczalność.

Wartość potencjału spoczynkowego jest różna, w różnych komórkach pobudliwych np. w mięśniu szkieletowym - 90 mV, w mięśniach gładkich od -35 do -65 mV, w komórkach ner­wowych od -70 do

-80mV i najczęściej zbliżona do potencjału równowagi dla jonów potasu. Potencjał równowagi jest to potencjał elektryczny równoważący dyfuzję danego jonu i wyznaczany przez stosunek stężeń danego jonu w przestrzeni wewnątrz i zewnątrzkomórkowej. Wartość potencjału równowagi dla jonów potasu ( zbliżona do wartości potencjału spoczynkowego tych komórek ) świadczy, że potencjał spoczynkowy jest kształtowany przede wszystkim przez jony K⁺ (tzw. hipoteza elektrody potasowej).

Bardzo ważnym jest fakt, że potencjał spoczynkowy nie jest wartością niezmienną. Na skutek różnych czynników - zmieniających przepuszczalność kanałów jonowych lub działających na potencjał elektryczny może on ulegać obniżeniu, przez co staje się bardziej elektroujemny, a komórka jest wtedy mniej wrażliwa - określamy to hyperpolaryzacją, lub podwyższeniu w kierunku potencjału progowego co powoduje, że komórka jest uwrażliwiona - nazywamy to hipopolaryzacja.

Pompa sodowo-potasowa

Pompa sodowo-potasowa stanowi mechanoenzym o właściwościach ATP-azy, umieszczony w błonie komórkowej. Jest to klasyczny przykład transportu aktywnego tj, takiego gdzie niez­będna jest cząsteczka nośnika oraz nakład energii, pochodzącej z rozpadu ATP. Jeśli od stro­ny wewnętrznej przyłączą się jony Na⁺ a od zewnętrznej K⁺ to następuje aktywacja właści­wości ATP-azowych, hydroliza ATP i dzięki uwolnionej energii mechanoenzym dokonuje konwersji przestrzennej doprowadzając do przeniesienia jonów sodu na zewnątrz, a potasu do wnętrza komórki. Ponieważ

najczęściej przenoszone są 3 jony Na⁺, a 2 jony K⁺ na każdy mol hydrolizowanego ATP, pompa jonowa tworząc gradient elektryczny ma swój udział w kształ­towaniu ostatecznej wartości potencjału spoczynkowego. Transport aktywny jest bardzo ener­gochłonny, w niektórych komórkach nerwowych pochłania nawet do 90% całkowitej energii.

Dla prawidłowej czynności pompy sodowo-potasowej niezbędna jest obecność jonów Mg²⁺, do­starczanie tlenu i składników energetycznych, oraz usuwanie dwutlenku węgla. Inaktywacja pompy sodowo-potasowej zachodzi w warunkach: niedotlenienia, hipotermii, a także w obe­cności specyficznych inhibitorów jak ouabaina, glikozydy nasercowe.

Kanały jonowe

Przenoszone wbrew gradientowi stężeń jony Na⁺ i K⁺ natychmiast dyfundowałyby przez błonę komórkową, czemu zapobiega jej zdolność do zmiany przepuszczalności. Zmiana ta za­chodzi dzięki kanałom jonowym wbudowanym w strukturę błony komórkowej Kanały jonowe występują jako kanały specyficzne dla danego jonu, jak i mogące przepuszczać różne jony. Kanały te pozwalają przechodzić jonom tylko dokomórkowo lub odkomórkowo. Czynnikiem otwierającym lub zamykającym może być czynnik chemiczny ( sterowanie ligandem ) lub po­tencjał elektryczny ( kanały bramkowane elektrycznie).
Do najbardziej typowych kanałów jonowych należą :

• kanał dla Na⁺ - kanał szybki, otwierany i zamykany w fazie depolaryzacji przez potencjał elektryczny

• kanał dla Ca⁺⁺ - kanał wolny, otwierany przez potencjał elektryczny w fazie depolaryzacji

• kanał dla K⁺ - kanał szybki, odkomórkowy wypływ jonów, sterowany elektrycznie w fazie repolaryzacji

• kanał dla K⁺ -wolny,dokomórkowy

• kanał dla K⁺ - wolny, odkomórkowy

• kanał dla K⁺ - odkomórkowy, sterowany elektrycznie i przez cytoplazmatyczny Ca⁺⁺

• kanał dla Cl^- - otwierany elektrycznie przez hyperpolaryzację

• kanał dla Cl^- - otwierany przez cytoplazmatyczny Ca⁺⁺

Potencjał czynnościowy

Przedstawiona powyżej geneza i właściwości potencjału spoczynkowego, charakteryzują go jako wytworzony i utrzymywany dynamicznie stan nierównowagi jonowej. Zwłaszcza jony Na⁺ wykazują stałą tendencję do wejścia do komórki jako, że parte są zarówno przez gra­dient stężeń jak i gradient elektryczny. Jeżeli na tak przygotowaną ( spolaryzowaną ) błonę komórkową zadziała bodziec adekwatny tzn. odpowiedni pod względem wartości jak i jakości, to w odpowiedzi nastąpi chwilowe zakłócenie tego stanu nierównowagi. Jest to potencjał czynnościowy. Pojedynczy bodziec zdolny w typowych warunkach do wywołania takiej zmiany ( doprowadzenie błony do wartości progowej ) to bodziec progowy, lub większy - nadprogowy. Istnieje możliwość wywołania depolaryzacji komórki przez bodźce podprogowe:

1. w przypadku gdy na błonę komórkową działa seria bodźców podprogowych jeden po dru­gim, każdy z nich podnosi potencjał błonowy, aż kolejny staje się bodźcem progowym, zjawis­ko to nazywamy sumowaniem w czasie.

2. w przypadku gdy na błonę komórkową działa jednocześnie duża liczba bodźców podpro­gowych zjawisko to określamy sumowaniem w przestrzeni

3. jeśli bodziec podprogowy zadziała na błonę komórki będącej w fazie hipopolaryzacji

Bodźcem wywołującym potencjał czynnościowy na błonie komórki nerwowej ( poza obsza­rem synaptycznym ) jest bodziec elektryczny. Działając na spolaryzowaną błonę komórki ner­wowej doprowadza do otwarcia szybkich kanałów sodowych. Ponieważ błona komórkowa staje się przepuszczalna dla jonów Na⁺ następuje ich gwałtowny napływ do wnętrza. Wartość elektryczną potencjału błonowego, przy której następuje otwarcie kanałów sodowych określa się jako potencjał progowy i wartość jego oscyluje w komórkach nerwowych wokół - 65 mV. Osiągnięcie przez komórkę potencjału progowego powoduje, że cała sekwencja wydarzeń składających się na potencjał czynnościowy przebiega całkowicie i zawsze dokładnie tak samo. Określa się to jako prawo " wszystko albo nic ". Potencjał czynnościowy wywołany napływem jonów Na⁺ do wnętrza komórki ma zdolność do rozprzestrzeniania się. Gwałtowny napływ jonów dodatnich do wnętrza komórki podnosi bardzo szybko wartość po­tencjału błonowego, który osiąga na szczycie wartość + 20 do + 35 mV. Jak z tego wynika nie osiąga on potencjału równowagi, który zgodnie z równaniem Nernsta wynosi dla jonów Na⁺ + 65 mV. Dzieje się tak dlatego, że potencjał przesuwając się w kierunku wartości dodatnich osiąga tzw. potencjał inaktywacji kanałów sodowych ( ok. -55 mV ), jest to wartość poten­cjału będąca sygnałem dla rozpoczęcia zamykania kanałów. Jednak pewna bezwładność, wyrażana jako stała otwarcia ( dla kanałów sodowych wynosi 1,0 - 1,5 ms ) powoduje, że napływ jonów Na⁺ przebiega coraz wolniej ale ciągle zachodzi i w związku z tym potencjał cały czas narasta osiągając na szczycie wartość + 20 do + 35 mV. Opisany wyżej proces określamy mianem depolaryzacji.

Napływ dużej ilości jonów sodowych, które co należy podkreślić zostają uwięzione w komór­ce zmienia w istotny sposób warunki dla jonów K⁺. Zarówno gradient stężeń jak i gradient elektryczny powodują, że jony K⁺ zaczynają wychodzić na zewnątrz komórki Proces ten poja­wia się jeszcze w okresie depolaryzacji, jednak ponieważ napływ Na⁺ jest kilka razy bardziej dynamiczny niż potasu, skutki wypływu jonów potasowych ujawniają się dopiero od momentu inaktywacji sodowej. Następuje względnie szybkie obniżanie się potencjału błonowego, aż do osiągnięcia potencjału spoczynkowego. Proces ten nazywa się repolaryzacją. Całkowity czas trwania potencjału czynnościowego typowej komórki nerwowej wynosi kilka ( 3 - 10 ) milisekund, z czego 1/3 to depolaryzacja a reszta to repolaryzacją. Proces depolaryzacji powoduje, że część jonów Na⁺ i K⁺ przechodzi do innego przedziału. Powtórzenie takiej sytuacji wielokrotnie doprowadziłoby do sytuacji, że połowa jonów Na⁺ znajdowałaby się w komórce a druga połowa w płynie zewnątrzkomórkowym, co spowodo­wałoby zanik gradientu i niemożność depolaryzacji. Dlatego tak istotną jest rola pompy sodowo-potasowej, przywracającej wyjściowe różnice stężeń jonów Na⁺ i K⁺ , a w konsekwencji utrzymującej stałą pobudliwość komórki. W przebiegu potencjału czynnościowego zachodzi jeszcze jedno bardzo ważne zjawisko -refrakcja. Refrakcja, czyli niepobudliwość komórki na działające na nią bodźce, niezależnie od ich wielkości wywołana jest inaktywacją sodową a w konsekwencji niemożnością napływu jonów Na⁺ do wnętrza komórki. W przedziale czasu, od depolaryzacji do osiągnięcia potencjału inaktywacji sodowej w fazie repolaryzacji niepobudliwość jest totalna, komórka nie reaguje nawet na bodźce nocyceptywne - jest to refrakcja bezwzględna. Natomiast w przedziale wartości pomiędzy potencjałem inaktywacji sodowej a potencjałem progowym ( w fazie repolaryzacji) bardzo silny bodziec nadprogowy może ten stan przeła­mać - jest to refrakcja względna.

Przenoszenie informacji w układzie nerwowym

W postaci potencjału czynnościowego zostaje zapisana wprowadzona do układu nerwowego informacja. Odbywa się to w wyspecjalizowanych komórkach nerwowych lub nagich zakoń­czeniach nerwowych - receptorach czuciowych. Potencjał powstający w receptorze zmys­łowym różni się w sposób zasadniczy od potencjału powstającego na

błonie komórki nerwo­wej. Jest to zmiana wywołana napływem jonów dodatnich do wnętrza komórki, jednak ma ona charakter zmiany lokalnej ( nierozprzestrzenia się ), a amplituda tego potencjału w pewnych granicach jest wprost proporcjonalna do siły bodźca, który ją wywołał. Potencjał ten na błonie włókna nerwowego generuje ( stąd nazwa potencjał generujący ) salwę potencjałów czyn­nościowych powstających wg reguły " wszystko albo nic ", których częstotliwość jest wprost proporcjonalna do amplitudy potencjału generującego - stanowiąc kodowanie informacji częstotliwością. Taka forma zapisu informacji spełnia dwie bardzo ważne cechy - jest czytelna dla ośrodkowego układu nerwowego a jednocześnie zapisana trwale ( nie zanika ). Informacja, wprowadzona do układu nerwowego musi być przekazana do wyższych pięter te­go układu. W zależności od rodzaju musi ona dotrzeć szybciej ( cała sfera somatyczna, ru­chowa ) lub może być przekazywana wolniej ( zwłaszcza w części autonomicznej ). Szybkość przenoszenia informacji w układzie nerwowym zależy od trzech elementów

1. grubości włókna nerwowego - im większa średnica, tym mniejszy opór przewodzenia

2. od obecności osłonki mielinowej - we włóknach osłonkowych występuje przewodzenie skokowe, od jednego przewężenia Ranviera do następnego, natomiast we włóknach bez osłon­ki zachodzi przewodzenie przez ciągłość. Przewodzenie na aksonach włókien nerwowych ma charakter ortodromowy tzn, od ciała komórki na obwód. Jeżeli jednak dojdzie do przekazania informacji na przebiegu włókna nerwowego, może nastąpić przewodzenie " pod prąd " - antydromowe.

3. ilości synaps występujących w drodze nerwowej. Mechanizm działania synapsy też daje ortodromowe przewodzenie informacji ( od elementu pre- do postsynaptycznego )

Ze względu na opisane właściwości wyróżnia się 4 grupy włókien nerwowych

Grupa A : aksony z osłonką mielinową

α - czucie proprioceptywne, somatyczne i ruchowe v - 70-120 m/s

β - czucie dotyku i ucisku v - 30-70 m/s

γ - ruchowe do wrzecionek mięśniowych v - l 5-30 m/s

δ - czucie bólu, zimna i dotyku v -12-30 m/s

Grupa B : włókna z osłonką przedzwojowe ukł. autonomicznego v - 3-15 m/s

Grupa C : włókna bezosłonkowe:

korzeni grzbietowych rdzenia kręgowego (C r.d) v - 0,5-2 m/s współczulne (Cs) v - 0,7-2,3 m/s

---