Kolokwium nr 1

Opracowanie zagadnień:

1.       Potencjał spoczynkowy błony komórkowej – ujemny potencjał elektryczny występujący pomiędzy wnętrzem komórek tkanek pobudliwych a płynem zewnątrzkomórkowym.

Wewnątrz komórek występują aniony org. nie przechodzące przez błonę kom. Przewaga ładunków ujemnych anionów do kationów w płynie wewnątrzkomórkowym jest przyczyną występowania ujemnego potencjału spoczynkowego kom.

 

2.       Rodzaje transportu błonowego:

a.       Transport bierny – transport cząsteczek przez → błonę plazmatyczną ze stężenia większego do mniejszego, nie wymagający energii metabolicznej; t. b. zachodzący na drodze prostej dyfuzji nie wymaga obecności błonowych białek przenoszących, a szybkość przemieszczania cząsteczek jest wprost proporcjonalna do gradientu ich stężenia w poprzek błony; t. b. na drodze dyfuzji ułatwionej wymaga obecności przenoszących białek błonowych.

b.      Transport aktywny - rodzaj przenikania związków chemicznych przez błony komórkowe, który zachodzi z udziałem pewnych mechanizmów transportujących lub substancji przenośnikowych, ze środowiska o mniejszym stężeniu do środowiska o stężeniu większym, czyli wbrew gradientowi elektrochemicznemu. Taki transport wymaga dostarczenia energii chemicznej lub zmniejszenia entalpii swobodnej układu. Ich źródłami są odpowiednio:

- hydroliza cząsteczki ATP (dla transportu aktywnego pierwotnego)

- sprzężenie z transportem innego związku zgodnie z gradientem stężenia (dla transportu aktywnego wtórnego)

Przykładem mechanizmu transportującego (I rodzaju) jest pompa sodowo-potasowa. Utrzymanie wewnątrz komórek dużego stężenia jonów K⁺ i małego Na⁺ wymaga aktywnego transportu obu tych kationów przez bł. kom. przeciwko gradientowi stężeń. Kationy sodowe napływające do wnętrza komórki przez kanały dla prądów jonów sodowych   zostają po str wewnętrznej bł. kom. związane z enzymem. Znajduje się on w samej bł. kom. i transportuje jony Na^* na zewnątrz błony. Jednocześnie ten sam enzym zabiera ze sobą jony K⁺ z zewnętrznej powierzchni bł. kom. i transportuje je do wnętrza komórki.  Enzym ten czerpie energie z hydrolizy ATP.

Napęd tej pompy związany jest z metabolizmem wewnątrzkomórkowym. 

Optymalna praca pompy sodowo-potasowej i związana z tym optymalna pobudliwość wymaga:

I.                     Stałego dopływu tlenu i subst. energetycznych(glukoza)

II.                   Stałej resyntezy ATP

III.                 Stałego odprowadzania z kom. ostatecznego produktu rozpadu CO₂

IV.                 Odpowiedniego stosunku Na⁺ do K⁺

V.                   Odpowiedniej temp. dla procesów enzymatycznych, 37°C

 

3.       Wpływ stężenia jonów potasu w środowisku zewnątrzkomórkowym na wartość spoczynkowego potencjału błonowego.

 

Z rozważań dotyczących potencjału spoczynkowego wynika, że aby doszło do zmiany potencjału błonowego to musi przez błonę popłynąć niezrównoważony prąd jonowy. Biorąc pod uwagę przebieg zmian potencjału błony jest jasne, że kształtujące go prądy jonowe muszą zmieniać się w czasie. W fazie depolaryzacji wzrost potencjału błony jest związany z napływem do wnętrza komórki dodatnich jonów (w komórce nerwowej są to jony sodowe). W czasie repolaryzacji ustaje dokomórkowy prąd sodowy, wzrasta natomiast odkomórkowy prąd potasowy. Wypływ ładunków dodatnich powoduje zmniejszanie się potencjału błony. Prąd potasowy płynie również wówczas, gdy potencjał błony osiąga wartość potencjału spoczynkowego - powoduje to, że komórka wchodzi w fazę hiperpolaryzacji. Dopiero gdy ustanie prąd potasowy potencjał błony powraca do wartości spoczynkowej. Przebieg zmian prądów: sodowego i potasowego w trakcie potencjału czynnościowego przedstawiony jest na rysunku obok. Jak wynika ze wzoru (2) na chwilowe wartości prądów płynących przez błonę komórkową mają wpływ dwa czynniki: chwilowa przepuszczalność błony dla danego typu jonów oraz aktualna wartość potencjału błonowego.

Potencjał równowagi dla jonów (dyfuzyjny) jest wyznaczony przez stosunek stężenia tego jonu w przestrzeni zewnątrzkomórkowej [X]_z do stężenia wewnątrz komórki [X]_w. Jest to potencjal elektryczny, który równoważy siłę dyfuzji danego jonu przez bł. kom.

Wartość potencjału równowagi dla danego jonu można wyrazić jako siłę elektromotoryczną ogniwa stężeniowego zbudowanego z elektrod tego samego rodzaju, specyficznych dla danego jonu, z których jedna umieszczona jest w przestrzeni pozakomórkowej (I), a druga we wnętrzu (II). Potencjał elektrod obliczamy z równania Nernsta, które po przekształceniu daje równanie:

V_Na=RT/zF ln(c₁/c₂)
gdzie R oznacza stałą gazową, T - temperaturę, z - wartościowość jonu, zaś F - stałą Faraday'a.
Występowanie potencjału równowagi (V_r) musi być brane pod uwagę, gdy rozważamy przepływ prądu w układzie z błoną selektywną. Potencjał Nernsta pełni bowiem w takim układzie rolę dodatkowej siły elektromotorycznej.

4.       Pojęcia: pobudliwość, pobudzenie, hamowanie

Pobudzenie jest to zmiana właściwości błony komórkowej lub metabolizmu komórkowego pod wpływem czynników działających z zewnątrz komórki, czyli pod wpływem bodźców. W warunkach fizjologicznych bodźcami działającymi na przeważającą liczbę komórek w organizmie są substancje chemiczne. Komórki tworzące w organizmie narządy odbiorcze, czyli receptory, odbierają również bodźce fizyczne w różnej postaci np. energia cieplna, energia mechaniczna. Każdy bodziec fizyczny lub chemiczny, działający w dostatecznie dużym natężeniu na komórkę , może wywołać ich pobudzenie. Bodźce fizjologiczne są to takie bodźce, które nie uszkadzają komórki i wywołują całkowicie odwracalne procesy.

Pobudliwość jest to zdolność reagowania na bodziec. Do pobudliwych tkanek zalicza się te które szybko odpowiadają na bodźce. Substancje chemiczne występujące w płynie zewnątrzkomórkowym, wiążą się z receptorami w błonie komórkowej, otwierają kanały dla prądów jonowych lub aktywują enzymy w niej zawarte. Komórki jednych tkanek reagują szybko na bodziec, w ułamkach sekundy, otwieraniem się kanałów jonowych , natomiast zmiana metabolizmu w innych tkankach wymaga dłuższego czasu. Z tego względu do pobudliwych zalicza się te tkanki, które szybko odpowiadają na bodźce. Są to tkanki zbudowane z komórek nerwowych i ich wypustek oraz z komórek mięśniowych: mięsni poprzecznie prążkowanych, mięśni gładkich i mięśnia sercowego.

5.       Postsynaptyczny potencjał pobudzający

Z zakończeń aksonów w obrębie synapsy wydzielają się przekaźniki chemiczne, czyli transmittery, które zmieniają właściwości błony postsynaptycznej.

Pod wpływem cząsteczek transmittera, który pośredniczy w przewodzeniu przez synapsę impulsów pobudzających, jony Na+ wnikają do wnętrza neuronu odbierającego impuls nerwowy. Tej wędrówce jonów Na+ przez błonę postsynaptyczną towarzyszy zmniejszenie spoczynkowego potencjału ujemnego wewnątrz komórki w stosunku do potencjału zerowego panującego na zewnątrz komórki. Zmniejszenie się ujemnego potencjału wewnątrzkomórkowego przyjęto nazywać postsynaptycznym potencjałem pobudzającym, synapsy wywołujące depolaryzację błony komórkowej zaś noszą nazwę synaps pobudzających.
 

6.                  Minimalny bodziec, który wywoła depolaryzację błony i może spowodować powstanie potencjału czynnościowego, nosi nazwę bodźca progowego.

Depolaryzacja błony spowodowana jest przez:

•         otwarcie się kanałów i wędrówkę jonów Na⁺ do wnętrza komórki, a jonów K⁺ na zewnątrz komórki,

•         zmniejszenie różnicy potencjałów, zniesienie ujemnego ładunku cytoplazmy neuronu, a nawet jego odwrócenie.

W czasie depolaryzacji błony komórka nerwowa jest niepobudliwa, stan ten określa się jako stan refrakcji. Po przejściu fali depolaryzacji:

•         kanały jonowe zamykają się,

•         przywrócone zostaje działanie pompy sodowo-potasowej,

•         następuje ponowne spolaryzowanie błony – repolaryzacja błony.

 

7.                  Transmitery pobudzające

Należą tu transmitery depolaryzujące bł. postsynaptyczną. Po ich związaniu się z receptorem dochodzi do tzw. aktywacji sodowej – otwierają się w kanały dla dokomórkowego prądu jonów sodowych.

Do transmitterów chemicznych pobudzających zalicza się acetylocholinę, aminy(dopamina, noradrenalina, serotonina), adenozynę oraz aminokwasy pobudzające(sole kwasu asparaginowego i glutaminowego).

a.       Acetylocholina – jej cząsteczki uwolnione z pęcherzyków synaptycznych do przestrzeni  synaptycznej w wyniku egzocytozy wiążą się z receptorem cholinergicznym w bł. postsynaptycznej i otwierają się kanały dokomórkowego prądu jonów Na⁺

b.      Dopamina i noradrenalina – działa poprzez 5 receptorów od D ₁ do D₅

c.       Serotonina

d.      Aminokwasy pobudzające – działają na neurony postsynaptyczne za pośrednictwem receptorów metabolitotropowych i receptorów jonotropowych.

Trzy czwarte transmisji pobudzającej w mózgowiu stanowi transmisja za pośrednictwem aminokwasów pobudzających. Mają one działanie nie tylko jako przekaźniki synaptyczne, ale wykazują również wpływ cytotoksyczny na neurony. W czasie ostrego niedotlenienia całego mózgowia lub jego poszczególnych struktur są one uwalniane z neuronów i wykazują działanie niszczące, cytotoksyczne.

Do transmitterów synaptycznych zalicza się tlenek azotu – NO, który spełnia również inne funkcje w organizmie. Tlenek azotu uwalniany z błony postsynaptycznej działa na błonę presynatyczną jako wsteczny przekaźnik, ułatwiający uwalnianie innego transmittera do przestrzeni synaptycznej

8.                  Hiperpolaryzacja - stan nadmiernej polaryzacji błony komórkowej w następstwie zwiększenia elektroujemności wewnątrz komórki; trwa stosunkowo krótko. Błona komórkowa osiąga wtedy potencjał ok. -80 mV. Podczas hiperpolaryzacji komórka nie jest zdolna do przewodzenia impulsu, przekazywania informacji.

 

9.                  Postsynaptyczny potencjał hamujący

Poza synapsami pobudzającymi otaczającymi neurony istnieją również synapsy, na których wydziela się transmitter hamujący przewodzenie impulsów. Cząsteczki tego transmittera zmieniają właściwości błony komórkowej w ten sposób, że jony K+ uciekają z wnętrza neurony na zewnątrz i jednocześnie jony Cl- wnikają do wnętrza przez odpowiednie kanały jonowe. Ubywanie jonów o dodatnim ładunku elektrycznym i przybywanie jonów o ujemnym powoduje wzrost ujemnego potencjału elektrycznego we wnętrzu komórki i wzrost polaryzacji błony komórkowej – postsynaptyczny potencjał hamujący.

Synapsy wydzielające transmittery hiperpolaryzujące błonę komórkową są synapsami hamującymi. Neurony w których występują postsynaptyczny potencjał hamujący, mają zmniejszoną pobudliwość.
Neurony w organizmie stale odbierają impulsy jednocześnie przewodzone przez synapsy pobudzające i hamujące.

 

10.               Transmitter hamujący – jest to kwas gamma-aminomasłowy- GABA. Tworzy się w neuronach w wyniku dekarboksylacji kwasu glutaminowego. Powoduje otwarcie się kanałów dokomórkowego prądu jonów Cl^- i zwiększenie ujemnego potencjału w neuronach. Powoduje także otwieranie się kanałów dokomórkowego prądu jonów K⁺, zamykanie się kanałów dokomórkowego prądu jonów Ca⁺ i zwiększenie stężenia w neuronach drugiego przekaźnika – inozytolotrifosforanu i diaglicerolu.

 

11.               Potencjał iglicowy – gdy zmiany potencjału w neuronie osiągną poziom depolaryzacji krytycznej (progowej),  wówczas dochodzi do powstania właściwego potencjału czynnościowego, zwanego ze względu na kształt potencjałem iglicowym. Jest to potencjał powstający wg prawa „wszystko albo nic”. Oznacza to, że na skutek stymulacji zmiany elektrofoniczne osiągają w neuronie poziom depolaryzacji krytycznej i powstanie pot. Iglicowy, wówczas dalsze pobudzanie nie zmienia w danych warunkach amplitudy powstałego potencjału. Charakteryzuje się on szybko narastającą depolaryzacją bł. kom.

A) Szybka faza repolaryzacji – ponowny spadek potencjału czynnościowego i powrót w kierunku potencjału spoczynkowego. Jest wywołany wypływem jonów K⁺ z komórki  

B) Hiperpolaryzacja następcza – w końcowej fazie potencjału czynnościowego potencjał błonowy staje się bardziej ujemny od potencjału spoczynkowego  

Depolaryzacja – wzrost zewnątrzkomórkowego stężenia jonów potasu, przesunięcie wartości potencjału w kierunku wartości dodatnich  

Repolaryzacja - spadek zewnątrzkomórkowego stężenia jonów potasu, przesunięcie wartości potencjału w kierunku wartości ujemnych, powodując hiperpolaryzację (tzn. potencjał staje się ‘bardziej ujemny’)

Podepolaryzacyjny potencjał następczy – następuje gdy repolaryzacja błony kom. neuronu ulega zwolnieniu po powrocie ujemnego potencjału wewnątrzkom. i po przekroczeniu potencjału progowego. W tym czasie bł. nie osiąga spoczynkowej polaryzacji.

Hiperpolaryzacyjny potencjał następczy – następuje po podepolaryzacyjnym, gdy potencjał następczy przekracza wartość spoczynkową, wnętrze kom. staje się bardziej ujemne.

 

12.               Potencjał czynnościowy

Bodziec działający na błonę komórkową neuronów zmienia jej właściwości , co z kolei wywołuje potencjał czynnościowy. Do wnętrza neuronów przez otwierające się kanały dla prądu jonów sodowych napływają jony Na+, co powoduje wyrównanie ładunków elektrycznych pomiędzy wnętrzem i otoczeniem. Zjawisko to określa się jako depolaryzacje błony komórkowej. Jony Na+ początkowo wnikają do wnętrza neuronu tylko w miejscu zadziałania bodźca. Z chwilą wyrównania ładunków elektrycznych w tym jednym miejscu depolaryzacja zaczyna się rozszerzać na sąsiednie odcinki błony komórkowej, przesuwająca się również wzdłuż aksonów. Impulsem nerwowym jest przesuwanie się fali depolaryzacji od miejsca zadziałania bodźca n błonę komórkową, aż do zakończenia neuronu.
W organizmie człowieka impulsy nerwowe przekazywane są z jednej komórki do drugiej za pośrednictwem zakończeń aksonów. Miejsce stykanie się ze sobą błony komórkowej zakończenia aksonu z błoną komórkową drugiej komórki nosi nawę synapsy. Błonę komórkową neuronu przekazującego impuls nazwano błoną presynaptyczną, błona komórkowa neuronu odbierającego impuls nosi nazwę błony postsynaptycznej.

 

13.               Potencjał progowy – krytyczny potencjał bł.kom. ciała neuronu, wynosi -55mV. Po przekroczeniu tego progu na skutek sumowania się w czasie impulsów, postsynaptyczny potencjał pobudzający  przechodzi w potencjał iglicowy.

 

14.               Sumowanie  w czasie- sumowanie się impulsów w krótkich odstępach czasu.

Sumowanie w przestrzeni – neurony i otaczające go synapsy zajmują pewną trójwymiarową przestrzeń i dlatego ten tym sumowania impulsów nosi taka nazwę .

15.               refrakcja bezwzględna- w czasie występowania pot. iglicowego, a więc w zakresie powyżej pot. progowego, bł.kom. jest niewrażliwa na bodźce. Jest to okres niepobudliwości bezwzględnej, czuli refrakcji. Po osiągnięciu pot. progowego pobudliwość powraca i jest wzmożona w okresie podepolaryzacyjnego potencjału następczego, co trwa 4ms. W okresie hiperpolaryzacyjnego pot. Następczego trwającego 35-40ms pobudliwość bł. kom. jest zmniejszona.

Refrakcja – właściwość komórek pobudliwych (a także błon komórkowych wypustek tych komórek), polegająca na okresowej niewrażliwości na stymulujące je bodźce po przejściu potencjału czynnościowego.

•         refrakcja bezwzględna, czyli stan w którym komórka nie jest w stanie odpowiedzieć na żaden bodziec (tak jest zaraz po przejściu potencjału), z czasem przechodzi w

•         refrakcję względną, kiedy to bodziec o większym niż fizjologicznie nasileniu może wywołać odpowiedź komórki.

Pojęcie to ma szczególne znaczenie w elektrofizjologii mięśnia sercowego i służy do opisywania czasu powrotu pobudliwości poszczególnych (prawidłowych oraz patologicznych) struktur układu bodźcoprzewodzącego serca (węzła zatokowego, mięśniówki przedsionków, drogi szybkiej węzła przedsionkowo-komorowego, drogi wolnej węzła przedsionkowo-komorowego, drogi dodatkowej, pęczka Hissa, włókien Purkinjego, roboczych komórek mięśni komór).

16.               Sumowanie przestrzenne impulsacji w obrębie neuronu polega na wzrastaniu postsynaptycznego potencjału pobudzającego w miarę zwiększania się liczby synaps przekazujących pobudzanie.
Sumowanie w czasie – chodzi tu oto aby przychodzące nowe impulsy zdążyły przed repolaryzacją błony postsynaptycznej, czyli aby przychodziły w mniejszych odstępach jak 5ms.

 

17.   Czynniki wpływające na szybkość przewodzenia

potencjału czynnościowego:

A.      wielkość napływu prądu Na+ (prąd ten można zmniejszyć obniżając koncentrację sodu

Połączenie synaptyczne: 1-mitochondrium 2-pęcherzyki presynaptyczne z neurotransmiterem 3-autoreceptor 4-szczelina synaptyczna 5-neuroreceptor 6-kanał wapniowy 7-pęcherzyk uwalniający neurotransmitery 8-receptor zwrotnego wychwytu mediatora